水锤与调保计算课件

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,水电站的水锤与调节保证计算,水电站有压引水系统非恒定流现象及调节保证计算的任务；,单管水击简化计算、复杂管路的水击解析计算及适用条件；,机组转速变化的计算方法和改善调节保证的措施。,水电站的水锤与调节保证计算,1,概 述,一、水电站的不稳定工况,由于负荷的变化而引起导水叶开度,、,水轮机流量、水电站水头、机组转速的变化，称为水电站的不稳定工况,。,(,一,),引起水轮机流量变化的两种情况,水电站正常运行情况下的负荷变化。,担任峰荷或调频任务的电站，水轮机的流量处于不断变化中；正常的开机或停机。,水电站事故引起的负荷变化。,水电站可能会各种各样的事故，可能要求水电站丢弃全部或部分负荷。这是水电站水锤计算的控制条件。,概 述 一、水电站的不稳定工况,2,一、水电站的不稳定工况,(,二,),水电站的不稳定工况表现形式,1.,引起机组转速的较大变化,丢弃负荷：剩余能量机组转动部分动能机组转速升高,增加负荷：与丢弃负荷相反。,2.,在有压引水管道中发生“水锤,”,现象,管道末端关闭管道末端流量急剧变化管道中流速和压力随之变化“水锤”。,导时关闭时，在压力管道和蜗壳中将引起压力上升，尾水管中则造成压力下降。,导叶开启时则相反，将在压力管道和蜗壳内引起压力下降，而在尾水管中则引起压力上升。,3.,在无压引水系统,(,渠道、压力前池,),中产生水位波动现象,。,一、水电站的不稳定工况(二)水电站的不稳定工况表现形式,3,二、调节保证计算的任务,(,一,),水锤的危害,(1),压强升高过大水管强度不够而破裂；,(2),尾水管中负压过大尾水管空蚀，水轮机运行时产生振动；,(3),压强波动机组运行稳定性和供电质量下降。,(,二,),调节保证计算,水锤和机组转速变化的计算，一般称为调节保证计算。,二、调节保证计算的任务(一) 水锤的危害,4,二、调节保证计算的任务,调节保证计算的任务,：,(1),计算有压引水系统的最大和最小内水压力。,最大内水压力作为设计或校核压力管道、蜗壳和水轮机强度的依据；最小内水压力作为压力管道线路布置，防止压力管道中产生负压和校核尾水管内真空度的依据；,(2),计算丢弃负荷和增加负荷时转速变化率，并检验其是否在允许的范围内。,(3),选择调速器合理的调节时间和调节规律，保证压力和转速变化不超过规定的允许值。,(4),研究减小水锤压强及机组转速变化的措施。,二、调节保证计算的任务调节保证计算的任务：,5,第一节 水锤现象及特性,一、水锤现象,0,L,/,c,:,升压波，由阀门向水库传播，水库为异号等值反射。,L,/,c,2,L,/,c,:,降压波，由水库向阀门传播，阀门为同号等值反射。,2,L,/,c,3,L,/,c,:,降压波，阀门水库,3L/c4L/c:,升压波，水库阀门,第一节 水锤现象及特性一、水锤现象,6,二、水锤特性,(1),水锤压力实际上是由于水流速度变化而产生的惯性力。当突然启闭阀门时，由于启闭时间短、流量变化快，因而水锤压力往往较大，而且整个变化过程是较快的。,(2),由于管壁具有弹性和水体的压缩性，水锤压力将以弹性波的形式沿管道传播。,摩擦阻力的存在造成能量损耗，水锤波将逐渐衰减。,注：水击波在管中传播一个来回的时间,t,r,=2L,a,，称之为“相”，两个相为一个周期,2,t,r,=,T,(3),水击波同其它弹性波一样，在波的传播过程中，在外部条件发生变化处,(,即边界处,),均要发生波的反射。其反射特性,(,指反射波的数值及方向,),决定于边界处的物理特性。,二、水锤特性 (1) 水锤压力实际上是由于水流速度变化而,7,二、水锤特性,水锤实际上是由于水流速度变化而产生的惯性力。,当突然启闭阀门时，由于启闭时间短、流量变化快，因而水击压力往往较大，而且整个变化过程是较快的。,由于管壁具有弹性和水体的压缩性，水击压力将以弹性波的形式沿管道传播。,水击波传播过程中，在外部条件发生变化处,(,即边界处,),均要发生波的反射。,其反射特性,(,指反射波的数值及方向,),决定于边界处的物理特性。,二、水锤特性水锤实际上是由于水流速度变化而产生的惯性力。当突,8,第二节 水锤基本方程和水锤波的传播速度,一、基本方程,式中,V,管道中的流速，向下游为正；,H,压力水头；,x,距离，水库为原点，向下游为正。,c,水锤波速。,第二节 水锤基本方程和水锤波的传播速度一、基本方程式中,9,一、基本方程,上述基本方程的通解：,H,=,H,-,H,0,=,F,(,t,+,x,/,c,)+,f,(,t,-,x,/,c,),V,=,V,-,V,0,=-,g,/,c,F,(,t,+,x,/,c,)-,f,(,t,-,x,/,c,),注,：,F,和,f,为,两个波函数，其量纲与水头,H,量纲相同，故可视为压力波。,为逆水流方向移动的压力波，称为逆流波；,为顺水流方向移动的压力波，称为顺流波。,任何断面任何时刻的水击压力值等于两个方向相反的压力 波之和；而流速值为两个压力波之差再乘以,g/a,。,一、基本方程 上述基本方程的通解：,10,二、水锤波的传播速度,E,w,为水的弹性模量，取,2000MPa,。计算公式的分子为声波在水中的传播速度，其值约为,1435m/s,。,K,为抗力系数，对于不同的情况取不同的数值。,水锤波速与管壁材料、厚度、管径、管道的支承方式以及水的弹性模量等有关。,二、水锤波的传播速度Ew为水的弹性模量，取2000MPa。计,11,二、水锤波的传播速度,1,、明钢管,K,=,E,s,s,/,r,2,，,E,s,和,s,分别为钢管的弹性模量和璧厚，,r,为半径。,c,1000m/s,2,、岩石中的不衬砌隧洞,K,=100,K,0,/,r,，,K,0,为岩石的单为抗力系数。,3,、埋藏式钢管,K,=,K,s,+,K,c,+,K,f,+,K,r,，分别为钢管、钢管外混凝土、环向钢筋、围岩的抗力系数。,c,1200m/s,二、水锤波的传播速度 1、明钢管,12,第三节 水锤计算的解析法,本节主要内容,直接水锤和间接水锤,水锤边界条件,(,水电站,),水锤的连锁方程,水锤波在水管特性变化处的反射,开度依直线变化的水锤计算,起始开度和关闭规律对水锤的影响,水锤压强沿水管长度的分布,开度变化结束后的水锤现象,第三节 水锤计算的解析法本节主要内容,13,一、直接水锤和间接水锤,1,、直接水锤,如果水轮机调节时间,T,s,2,L,/,c,，则水库反射波回到阀门之前开度变化已经结束，阀门处只受开度变化直接引起的水锤波的影响,称为,直接水锤,计算直接水锤压力的公式：,一、直接水锤和间接水锤1、直接水锤,14,一、直接水锤和间接水锤,(1),当阀门关闭时，管内流速减小，,V,-,V,0,0,，,H,为负，产生负水击。,(2),直接水击压力值的大小只与流速变化,(,V,-,V,0,),的绝对值和水管的水击波速,c,有关，而与开度变化的速度、变化规律和水管长度无关。,算例：设,V,0,=5m/s,，,c,=1000m/s,，则丢弃全负荷时,H,=510m,。可见直接水锤要绝对避免。,一、直接水锤和间接水锤,15,一、直接水锤和间接水锤,2,、间接水锤,如果水轮机调节时间,T,s,2,L,/,c,，则开度变化结束之前水库反射波已经回到阀门处，阀门处的水锤压力由向上游传播的,F,波和向下游传播的,f,波相叠加而成,称为,间接水锤。,间接水锤的计算比直接水锤复杂得多。,间接水锤是水电站经常发生的水锤现象，也是我们的主要研究对象。,一、直接水锤和间接水锤2、间接水锤,16,二、水锤的边界条件,求解水锤的基本方程，需要利用边界条件和初始条件。,(,一,),起始条件,把恒定流的终了时刻看作为非恒定流的开始时刻。,即当,t=0,时，管道中任何断面的流速,V,=,V,0,；,如不计水头损失，,水头,H=H,0,。,(,二,),边界条件,1,管道进口,管道进口处一般指水库或压力前池：,B,=,H,/,H,0,=0,2,分岔管与调压室,分岔处的水头应该相同：,H,p1,=,H,p2,=,H,p3,=,H,p,分岔处的流量应符合连续条件：,Q,=0,二、水锤的边界条件 求解水锤的基本方程，需要利用边界条,17,二、水锤的边界条件,3.,水轮机,(1),水斗式水轮机喷嘴的边界条件为：,(,孔口出流规律,),称为相对开度；,max,喷嘴全开时断面积,为任意时刻水击压力相对值。,为任意时刻相对流速。,(2),对反击式水轮机,反击式水轮机的过水能力,Q,与水头,H,、导叶开度,a,0,和转速,n,有关。,为了简化计算，常假定压力管道出口边界条件为冲击式水轮机，然后再加以修正。,二、水锤的边界条件3. 水轮机,18,三、水锤的连锁方程,三、水锤的连锁方程,19,三、水锤的连锁方程,对于增加负荷情况，压力管道末端,(,阀门处,),产生负水锤，其相对值用,来表示。,各种情况下的水锤计算公式参见相关教材。,利用上述公式，可以依次解出各相末的阀门处各相的水锤压力，得出水锤压力随时间的变化关系。,计算公式的条件,(1),没有考虑管道摩阻的影响，因此只适用于不计摩阻的情况；,(2),采用了孔口出流的过流特性，,只适用于冲击式水轮机,，对反击式水轮机必须另作修改；,(3),这些公式在,任意开关规律,下都是正确的，可以用来分析非直线开关规律对水锤压力的影响。,三、水锤的连锁方程对于增加负荷情况，压力管道末端(阀门处)产,20,四、水锤波在水管特性变化处的反射,水锤波在水管特性变化处,(,进口 、分岔、变径段、阀门等,),都要发生反射。,一部分以反射波的形式折回，一部分以透射波的形式继续向前传播。,反射波与入射波的比值称反射系数，以,r,表示。透射波与入射波的比值称透射系数，以,s,表示，两者的关系为：,s,-,r,=1,四、水锤波在水管特性变化处的反射水锤波在水管特性变化处(进口,21,四、水锤波在水管特性变化处的反射,1.,水锤波在管道进口处,(,水库、前池,),的反射规律,设,B,处入射波,F,，反射波为,f,由基本方程得：,H,t,B,- H,0,B,=F+f,H,t,B,=,H,0,B,=H,0,F+f=0F=-f,水锤波在管道进口处,(,水库、前池,),的反射规律为,异号等值,反射,四、水锤波在水管特性变化处的反射1.水锤波在管道进口处(,22,四、水锤波在水管特性变化处的反射,2,、水锤波在水管末端的反射,根据水锤波的基本方程，推导出阀门的反射系数为,：,根据水锤常数和任意时刻的开度，可利用上式确定阀门在任意时刻的反射系数。,当阀门完全关闭时,=0,，,r,=1,，阀门处发生,同号等值,反射。,上式对反击式水轮机是近似的。,四、水锤波在水管特性变化处的反射2、水锤波在水管末端的反射,23,四、水锤波在水管特性变化处的反射,3,、水锤波在管径变化处的反射,根据水锤波的基本方程，推导出管径变化处的反射系数为：,四、水锤波在水管特性变化处的反射3、水锤波在管径变化处的反射,24,四、水锤波在水管特性变化处的反射,4,、水锤波在分岔处的反射,根据水锤波的基本方程，可以推导出水锤波在分岔处的反射系数为：,四、水锤波在水管特性变化处的反射4、水锤波在分岔处的反射,25,五、开度依直线变化的水锤,1,、有效关闭时间,总关闭时间为,T,z,。,将阀门关闭过程的直线段适当延长，作为有效关闭时间,T,s,。,缺乏资料时，可取,T,s,=0.7T,z,在开度依直线规律变化时，不必用连锁方程求出各相末水锤，可用简化方法直接求出。,五、开度依直线变化的水锤1、有效关闭时间,26,五、开度依直线变化的水锤,2,、,间接水锤的两种类型,第一类：当,1,时，最大水,锤,压力出现在第一相以后的某一相，其特点是最大水,锤,压力接近极限值 ，即 ， 称为极限水,锤,。,注：第一相水,锤,是高水头电站的特征；极限水,锤,常发生在低水头水电站上。,五、开度依直线变化的水锤2、间接水锤的两种类型,27,五、开度依直线变化的水锤,3.,开度依直线变化的水锤简化计算,第一相水锤计算的简化公式,关闭阀门时,开启阀门时,五、开度依直线变化的水锤3. 开度依直线变化的水锤简化计算,28,五、开度依直线变化的水锤,(2),极限水锤计算简化公式,当水锤压强,0.5,时，可得到更为简化的近似公式：,五、开度依直线变化的水锤(2) 极限水锤计算简化公式,29,五、开度依直线变化的水锤,间接水锤类型的判别条件,仅用 大于还是小于,1,作为判别水锤类型的条件是近似的。水锤的类型除与 有关，还与 有关。,水锤类型判别图中，曲线表示极限锤击和第一相水锤的分界线，直线表示第一相锤击和直接水锤的分界线。,五、开度依直线变化的水锤间接水锤类型的判别条件,30,五、开度依直线变化的水锤,I,区为极限正水锤；,II,区为第一相正水锤；,III,区为直接水锤；,IV,区为极限负水锤；,V,区为第一相负水锤；,简单判别方法：,1.5,时，常发生极限水锤；,1.0 1.5,时，则随值的不同而发生第一相或极限水锤，个别情况下发生直接水锤。此时按图判别。,五、开度依直线变化的水锤I区为极限正水锤；II区为第一相正水,31,六、开度变化规律对水锤压力的影响,阀门启闭时间相同，但启闭规律不同，水锤压强变化过程也不相同。,曲线,表示开始阶段关闭速度较快，因此水锤压强迅速上升到最大值，而后关闭速度减慢，水锤压强逐渐减小；曲线,的规律与曲线,相反，关闭速度是先慢后快，而水锤压强是先小后大。水锤压强的上升速度随阀门的关闭速度的加快而加快，最大压强出现在关闭速度较快的那一时段末尾。从图中可以看出，关闭规律,较为合理，最不利的是规律,。,六、开度变化规律对水锤压力的影响 阀门启闭时间相同，但启闭规,32,六、开度变化规律对水锤压力的影响,在高水头电站中常发生第一相水击，,可以采取先慢后快的非直线关闭规律，以降低第一相水击值；,在低水头水电站中常发生极限水击，,可采取先快后慢的非直线关闭规律，以降低末相水击值。,六、开度变化规律对水锤压力的影响在高水头电站中常发生第一相水,33,