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1、水道水力过渡过程计算设计大纲范本解读FJDFJD34270水利水电工程 技术设计阶段水道水力过渡过程计算大纲范本水利水电勘测设计标准化信息网1998年 3 月水电站技术设计阶段 水道水力过渡过程计算大纲主 编 单 位: 主编单位总工程师 : 参 编 单 位: 主 要 编 写 人 员: 软 件 开 发 单 位: 软 件 编 写 人 员:勘测设计研究院年月目次1.引 言 . 42.设计依据文件和规范 . 43.计算基本资料 . 44.大波动水力过渡过程计算 . 75.小波动水力过渡过程计算 . 156.专题研究（必要时） . 167.应提供的设计成果 . 17MW，单。引引言抽水蓄能电站位于， 在

2、电力系统中的功能是。 电站总装机容量 机容量 MW。机组型号。电站开发方式 （ 首部开发、中部开发、尾部开发 ）本工程为等工程。可行性研究报告于年月审查通过。2 设计依据文件和规范2.1有关本工程文件（1） 工程可行性研究报告；（2） 工程可行性研究报告审批文件；（3） 技术设计任务书。2.2(1) SD 303 88(2) SD 144 85(3) DL/T 5058-1996(4) SDJ 173 85(5) SD 134 84(6) GB 9652 88主要设计规范水电站进水口设计规范 水电站压力钢管设计规范 （试行 ） 水电站调压室设计规范 水力发电厂机电设计技术规范 水工隧洞设计规范

3、 （ 试行） 水轮机调速器与油压装置技术条件2.3水电站机电设计手册（水力机械部分 ） 。3 计算基本资料3.1水库（ 水池 ） 特征水位（1） 上库 （ 上水池 ） 水位：正常蓄水位；死 水 位。（2） 下库 （ 下水池 ） 水位：正常蓄水位；死 水 位。提示：对于混合式抽水蓄能电站，尚应补充上、下库设计、校核洪水位3.2引水系统布置(1)引水系统平面布置(2)引水系统纵剖面布置(3)引水系统特征参数，见表 1 表 1 引水系统特征参数表管道编号部位直径 m面积2 m长度 m管道末端 高程 m水头损失系数， Q2备注局部水头损失沿程水头损失水轮机 工况水泵工况最大值平均值最小值1注：( 1)

4、引水系统编号示意图，可表示在上表备注栏中。(2)Q为水轮机流量或水泵流量。对于沿程水头损失，指管道本身流量，对于局部水头损失，指主管道流量。(3)水头损失系数按有关水力学手册和规范进行计算，必要时进行水工模拟试验，参照使用试验成果。3.3机组参数及特性3.3.1机组主要参数(1)机 型 ；(2)额定转速 0 ： r min；(3)飞逸转速 ： r min；(4)额定出力： MW；(5)输入功率： MW；(6)转轮直径：；(7)飞轮力矩 GD2： t. 2；(8)安装高程：；(9)额定水头的发电流量： ；(10)最高扬程的流量： ；(11)最低扬程的流量： 。3.3.2机组特性(1)机组全特性曲

5、线 ( Q- )；(2)机组转矩全特性曲线 ( M 1- )；5(3)H-P,H-Q,H-Y特性曲线；(4)P-Q,P-Y特性曲线。符号说明： Q1 单元流量； 单元转速；M 单元力矩；H 对应工况的水头；P 对应工况的出力；Q 对应工况的流量；Y 对应工况的效率。3.3.3机组运行的可能特性和要求及电力系统资料(1)水轮机丢弃全负荷的最多可能台数：；(2)水泵断电的最多可能台数：；(3)调相运行方式负荷变动要求：；(4)电力系统资料：主要包括电气主结线，电站在系统中的地位，以及电网特性等。3.4 调压室型式、几何尺寸及参数3.4.1调压室形式调压室形式。3.4.2调压室几何尺寸(1) 调压室

6、剖面布置图。(2) 控制高程：调压室下部隧洞中心高程；调压室下部隧洞洞顶高程；调压室下部隧洞底部高程；调压室底部高程；调压室顶部高程；调压室井周地面最高高程；调压室井周地面最低高程。(3)调压室不同高程与断面积对应尺寸，见表 2。表2 调压室不同高程与断面积对应尺寸表断面编号高 程 m直m面 m2备注1说明：断面编号示意图，可在备注栏中表示。3.4.3调压室参数根据调压室的型式及细部构造，确定参数。提示：( 1)阻抗式调压室： 阻抗孔口尺寸 2； 阻抗系数； (2)差动式调压室： 升管内径； 升管外径； 升管溢流口高程； 升管溢流系数； 孔口流入大井流量系数； 孔口流出大井流量系数。4.14.

7、1.1提示：对于大中型抽水蓄能电站的水力过渡过程计算分析， 建议采用特征线法。 本方法计 算精度较高， 能方便地处理各种复杂的边界条件， 合理地计算管道摩阻以及适应导叶各种 启闭规律。4.1.1.1计算原则和假定(1)水击压力、调压室涌浪以及机组转速升高应联合进行计算；(2)对于复杂管路系统不应进行简化，即是不宜用当量管、合肢 (截肢 )法进行分析；(3)水流按一维流动考虑；(4)管壁和水流均视作弹性体；(5)管道内充满水 ( 有压流 ) ，不考虑含气的影响。4.1.1.2基本方程由水流一维流动的运动方程及连续方程，可得如下一组拟线性双曲型偏微分方程：H V V fgVX X t 2DH a2

8、 V HV0 t g X XV流速，；H压力水头，；X网格座标，；时间，；重力加速度， g=9.81 V V 02；D(1)摩阻系数。4.1.2计算方法4.1.2.1特征线法(2)当假定管道中的有压水流为一维流动时， 利用特征线法， 可将描述水体非恒定流的运动 方程及连续方程转化为两个特征线上的全微分方程：g dH dV VVfC a dt dt 2DdXaVV02D(3)dtg dH dV C a dt dt dXadt式中符号说明同式 (1) 。为了求解上列方程， 格进行计算。般采用一阶有限差分法，已保证有足够的精度。 通常采用矩形网4.1.2.2边界条件故在处理各种边界条件时要进对于抽水

9、蓄能电站来说， 其实际边界状况往往比较复杂， 行适当简化，但应以基本上不影响原有的物理状态为原则。抽水蓄能电站通常应处理如下边界条件：(1)上、下水库 ( 上、下水池 ) 对于水库端具有较大面积的自由水面，可假定在过渡过程计算中，水库水位保持不变。(2)分岔管及串联管 分岔点和串联点处的局部水头损失和流速水头，按压力和流量连续条件考虑。(3)调压室可将调压室中水体视作刚性， 并忽略连接管惯性水头 (即动力 )的影响。 调压室水位与流 动较 缓慢时，常用一阶差分近似求解，如利用预测校正法求解，已足够精度。(4)水泵水轮机将压力钢管末端至可逆式水泵水轮机组尾水管出口之间范围视作该边界。由于水泵水轮

10、机的特性通常均以图表形式提供， 而且等开度线在水轮机飞逸及制动区变化剧烈，因此，特性曲线的处理成为正确表达该处边界条件的关键。对特性曲线的处理，通常有以下两种方法，可根据实际情况进行选用。方法一： 为了充分利用特性曲线所提供数值， 在数值计算时建议直接利用特性曲线插值， 显 然采用普通水轮机常用的矩形网格进行插值是有困难的， 可以按照全特性的不同区域采用不 同的方法进行处理。利用折线网格进行插值，尽量使折线与等开度线正交。此外，在过渡过 程达到飞逸区后，改为由 Q1值插值求 值，以避免由于等开度线几乎与 Q 轴平行， 使一个 值对应有多个 Q文中符号说明同 3.3.2方法二：可逆式水泵水轮机组

11、的特性曲线，也可转化为以开度 为参数，以h (4) V 2 2及(5)V 2 2为纵坐标，而以1V(6)X tan 1为横坐标的特性曲线。对于这时对某一开度而言，其全特性可由两条单值 曲线表示，故可将边界方程处理为仅含两个未知量 及 V的非线性方程，利用牛顿拉甫生法求解。式中符号说明 : H/HR M/MR无量纲参数； Q/QR无量纲参数； n/n R无量纲参数；机组净水头； 额定水头；作用在机组上的力矩；M额定力矩；机组过流量；机组转速； R额定转速； 圆周率。4.24.2.14.2.1.1水击压力(1)压力升高其限制值主要根据经济要求确定，应满足厂家对机组参数限制指标的要求。蜗壳进口压力最

12、大值。(2)压力降低在引水系统任何位置不允许产生负压，且应有 2 m 3余压，尾水管进口的允许最大真空度为 8 水柱。说明：蜗壳进口和尾水管进口均针对发电工况而言，以下同。4.2.1.2转速变化根据电站规模、容量及在电力系统中的性质和位置，机组转速上升最大值定为 r min。4.2.1.3调压室涌浪最高涌浪应满足调压室布置及安全超高的要求； 最低涌浪应高于调压室底高程， 并要求 有足够水深，以保证隧洞不进气。10(1)调压室最高涌浪允许值；(2)调压室最低涌浪允许值。4.2.2计算条件及工况进行抽水蓄能电站水力过渡过程计算时， 必须正确选择上、 下库水位、 流量和管道上 际可能出现的糙率及机组

13、调节规律、 负荷变化等参数和条件。 计算工况即反映了这些参数的 选择情况，主要可分为如下两大类：(1)控制工况为了确定诸如压力管道的最高、 最低压力、 机组的最高速率上升值以及调压室最高、 低涌浪参数，所确立的对应计算条件。(2)正常运行工况由于抽水蓄能电站运行工况繁多， 分析不同的运行工况， 对电站的经济安全运行有着重 大的意义。4.2.2.1各类调保参数的控制工况(1)确定引水系统上游侧最大压力 一般出现在上库最高水位，水轮机工况丢弃全负荷。(2)确定引水系统上游侧最低压力一般出现在上库最低水位，水泵断电工况，导叶拒动。(3)确定引水系统下游侧最高压力一般出现在下库最高水位，水泵断电工况，

14、导叶拒动。(4)确定引水系统下游侧最低压力 一般出现在下库最低水位，水轮机工况丢弃全负荷，有一台机组拒动。(5)确定机组最大转速上升一般出现在水轮机工况，丢弃全负荷，有一台机组拒动。(6)确定上游调压室最高涌浪 一般出现在上库最高水位，水轮机工况丢弃全负荷，引水系统应采用最小可能的糙率系数； 或者水泵起动工况，相应糙率系数取最大值。(7)确定上游调压室最低涌浪 一般发生在上库最低水位，水泵断电工况，全部机组拒动，引水系统糙率取最大可能值。说明：(1)文中丢弃全负荷指丢弃允许最大机组台数的负荷，以下同。11(2)如果引水系统设置下游调压室，则还应计算下游调压室最高及最低涌浪。(3)必要时尚应考虑

15、如下叠加工况：. 水轮机增荷丢弃全负荷；. 水泵起动后突然断电；水轮机相继丢弃负荷；水泵相继断电。计算条件和工况可按下表 3给出：表 3 计算条件和工况编号计算工况计算条件计算目的库水位糙率系数导叶启闭规律上库下库上游管道下游管道说明：( 1)计算工况一栏应注明为丢弃全负荷、水泵断电等工况，尚应包括各种可能叠加工况。(2)导叶启闭规律中包括导叶拒动、动作及规律。(3)计算目的一栏应注明为了计算何种调保参数，如上游侧最高压力等。4.2.2.2除事故工况外， 对一切可能运行的正常工况应进行分析与计算； 特别对可能成为控制工对抽水蓄能电站来说，一般应考虑以下各种运行工况：(1) 水轮机工况：1起动、

16、同步和并入电网；2运行机组增减负荷；3停机 ( 卸弃负荷，发电机脱离电网，水轮机全部关闭，机组制动 ) 。(2) 水泵工况：起动水力机组进行水泵工况；水泵功率 ( 流量) 的增减；停机。(3)从水泵工况转为水轮机工况。(4)从水轮机工况转为水泵工况。(5)从水轮机工况转为调相工况。(6)从水泵工况转为调相工况。124.3水力过渡过程的计算内容4.3.1稳定流计算提示：主要求算在各种上、下库水位条件下，机组的发电 (抽水) 流量以及调压室起始和上、下游引水道水头损失，可以利用软件在水力过渡过程计算中同时求得。4.3.2导叶启闭规律 提示：导叶启闭规律及时间对水力过渡过程有重要的影响，为了求得最优

17、的各种调保参数， 必须对水轮机及水泵工况运行条件下导叶的启闭规律进行优化。4.3.3考虑水体和管壁的弹性，水击波速度 a(m/s) 的计算公式为：7)K/P1 K /Kc对于地下埋管，K可按下面公式计算：8)A0EhKc =1/2(A 0 B1 A1 B2 A2B3 CN)括号中的每一项代表每一层的作用：(9)第一层混凝土：Eh Ln(R1/ R)1 h2(10)第一层钢筋：第二层混凝土：B2第二层钢筋：A1EjFj1R1Eh Ln(R2 /R1)h2(12)(11)A2 E j Fj2 (13)2 R213第三层混凝土：Eh Ln(R3/ R2)1 h2(14)灌浆层：EG Ln(R4 /R

18、3)1 G2(15)岩石层：N 1 y (16)式中 :K水的弹性模量， kN 2水的 (质量)密度 ,t/m 3；R,R1,R 2,R 3， R 4分别为各层衬砌、灌浆层、以及钢筋的半径位置(见图 1)F 1 1长度上的环向钢筋面积， cm2各式对应层材料的泊松比。(1)E各式对应层材料的弹性模量， N有关资料进行计算。(2)K 计算式是一个通式，也可以在没有某一层或几层衬砌时使用，只须将式中的相应项取为零即可。4.3.4水击压力计算水击压力计算值，均应表明在何种控制工况计算条件下产生，并应指出相应的时刻。(1) 引水系统上游侧最高压力。(2) 引水系统上游侧最低压力及沿线水击压力分布。(3

19、)引水系统下游侧最高压力。14(4)引水系统下游侧最低压力。 要求尾水管进口断面负压不超过允许值，不出现水柱分离。4.3.5调压室涌浪计算(1) 上游调压室最高涌浪及相应控制工况和出现时刻。(2) 上游调压室最低涌浪及相应控制工况和出现时刻。提示：如果引水系统同时设有下游调压室， 则尚应求算下游调压室最高、 最低涌浪及相应 控制工况和出现时刻。4.3.6机组转速上升最大值及相应控制工况和出现时刻。4.3.7水泵断电工况下，机组逆转时间及逆转最大流量和逆转稳定转速计算。4.3.8提示： (1)(2) 在机组尚未最后选定情况下，应对可能选用的不同机组进行本节分析计算，从 水力过渡过程角度得出最优机

20、型及合理的转动惯量 GD2值。55.15.1.1在进行方案比较时，以系统的调节时间最短、超调量最小和振荡次数最少为最佳方案； 在确定某一具体方案时， 应在保证系统稳定的前提下， 视电站在电网中的重要程度， 参照同 类型电站对调节时间、超调量和振荡次数进行综合考虑。5.1.2计算假定(1) 负荷增减为阶跃函数，其变幅不大于额定值的 10 %。(2) 小波动计算可以进行线性化近似计算。5.25.2.1调速系统稳定域的计算对调节参数取不同的整定值，根据劳斯一古尔维茨行列式 0的条件，划出它们在调节参数坐标平面上的稳定边界。5.2.2利用对数频率特性，求出系统的相角裕量和增益裕量。5.2.3小波动过渡

21、过程的数值计算提示：可以在已有的大波动过渡过程计算程序中，加入调速器环节，计算小波动过渡过程； 也可以在简化用于在大波动计算的微分方程的基础上，为小波动过渡过程计算编制专 门的计算程序。156 专题研究 ( 必要时 )6.1提示： (1) 抽水蓄能电站采用可逆式水泵水轮机，引水系统管线又较长时，在某些工况 ( 例 如在飞逸工况和反水泵工况时 ) 压力脉动和由此引起的振动特别严重，而在工况的频繁变 化时，有时会因波动叠加而发生谐振和共振现象，因此应进行专题研究。(2) 对于具有长尾水道的抽水蓄能电站，必须注意以下两种情况的压力脉动现象：一 是在正常运行工况下， 紧接可逆式水泵水轮机组处及尾水道中

22、的水压变化； 二是在过渡工 况下，紧接可逆机组处的压力脉动以及其与低频率水击压力波组合的情况。(3) 数值分析可利用水力阻抗法或传逆矩阵法进行，并最后用特征线法进行验证，如 果条件许可，尚应通过试验进行分析。6.2提示：抽水蓄能电站管道较长，通常采用一管多机的布置型式，当一台机组事故 ( 丢弃负荷 或水泵中断 ) ，脱离电网时，必然对其他运行机组产生影响，即产生水力干扰现象。此外， 当负荷变动机组占系统容量较大时， 必然同时对电网的频率产生影响。 由于抽水蓄能电站 作为调频电站，必须研究 AFC调相方式运行时负荷周期变化和调压室水位波动。6.3提示： (1) 调压室阻抗和岔管处水流流态复杂，其

23、水头损失系数没有精确的计算公式。为了 使水力过渡过程的计算成果更符合于实际，有必要对调压室阻抗损失系数和特殊岔管水头 损失系数进行数值分析和模型试验研究，并把分析结果和试验结果作比较验证。(2) 对于几台机组共用一个矩形调压室，应考虑室内横向流问题；对于双室式调压室( 特别是上、下室较大 ) ，应考虑室内水流，对此进行模拟计算分析。6.4研究岔管损失对调保参数的影响， 是为了获得最有效的调保参数和从水力过渡过程角度 对岔管型式的合理性进行评价， 同时也为岔管水头损失系数计算的精确程度对水力过渡过程7.1报(1)(2)(3)水道水力过渡过程计算大纲(4)7.2附16(1) 各种控制工况的压力管道

24、沿线最大和最小压力分布图；(2) 各种控制工况的合理启闭规律过程线图；(3) 各种控制工况的各种特征参数 (各调压室水位、 各差动式调压室升管水位和各台机组的蜗 壳进口压力、尾水管进口压力、机组转速、动力力矩、流量 ) 的变化过程线图；(4)各种控制工况的各台机组分别在全特性曲线和力距特性曲线上的瞬时轨迹线图；(5)各种运行工况的压力管道沿线最大和最小压力分布图；(6)各种运行工况的合理启闭规律过程线图；(7)各种运行工况的各种特征参数的变化过程线图；(8)各种运行工况的各台机组分别在全特性曲线和力矩特性曲线上的瞬时轨迹线图；(9)小波动过程示波图及稳定域曲线。附 表：附表 1，各种控制工况的

25、各台机组和各个调压室的特征参数值统计表；附表 2，每号机组调保参数统计表；附表 3，机组调保参数汇总表；附表 4，调压室涌浪汇总表。以上附表的格式可参考附表 A。17附表 A 计算成果汇总表附表 A1 控制工况编号：机组号水击压力转速调压室蜗壳尾水管上升 最大值r/min出现时刻s调压室 位置 编号最高涌浪最低涌浪进口压力 最大值 m出现时 刻 s进口压力 最小值 m出现时 刻 s最高 涌浪 s出现 时刻 s最低 涌浪 m出现 时刻 m说明: “调压室位置编号”一栏注明上游调压室和下游调压室；当有多个调压室时 ,应注明编号表 A2 号机组调保参数统计表参数名称单位数值对应控制工况对应工况编号水击压力蜗壳进口压力最大值M出现时刻S尾水管进口压力最小值M出现时刻S转速转速上升最大值R/min出现时刻s表 A3 机组调保参数汇总表参数名称单位数值对应控制工况对应机组号水击压力蜗 壳进口压力最大值M出现时刻S尾水 管进口压力最小值M出现时刻S转速转速上升最大值R/min出现时刻s表A4 调压室涌浪汇总表参数名称单位数值对应控制工况对应工况编号最高涌浪最高涌浪M出现时刻S最低涌浪最低涌浪M出现时刻S18