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1、FJD34270FJD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1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:勘测设计争辩院年月2目次1. 引言42. 设计依据文件和标准43. 计算根本资料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. 专题争辩必要时167. 应供给的设计成果173 引 言抽水蓄能电站位于，在电力系统中的功能是。电站总装机容量MW，单机容量MW。机组型号。电站开发方式(首部开发、中部开发、
2、尾部开发) 。引水系统由组成。本工程为等工程。可行性争辩报告于年月审查通过。2 设计依据文件和标准2.1 有关本工程文件(1) 工程可行性争辩报告；(2) 工程可行性争辩报告审批文件；(3) 技术设计任务书。2.2 主要设计标准(1) SD 30388水电站进水口设计标准(2) SD 14485水电站压力钢管设计标准(3) DL/T 5058-1996 水电站调压室设计标准(4) SDJ 17385水力发电厂机电设计技术标准(5) SD 13484水工隧洞设计标准(6) GB 965288水轮机调速器与油压装置技术条件2.3 参考资料和手册水电站机电设计手册(水力机械局部)。3 计算根本资料3
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。4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管道编号直径m面积m2长度m管道末端高程m水头损失系数，Q2局部水头损失沿程水头损失部位备注水轮机工 况水 泵工 况最大值平均值最小值1注：1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
4、按有关水力学手册和标准进展计算，必要时进展水工模拟试验，参照使用试验成果。表1 引水系统特征参数表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(3) 飞逸转速：rmin；：rmin；(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：3； (11)最低扬程的流量：。3.3.2 机组特性(1) 机组全特性曲线(Q - ；(2) 机组转矩全特性曲线(M - ；15(3) 水泵工况的 H-P,H-Q,H-Y特性曲线；(4) 水轮机工况的 P-
5、Q,P-Y特性曲线。符号说明：Q单元流量；1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)调压室剖面布置图。(2)把握高程：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；
6、 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。6(3)调压室不同高程与断面积对应尺寸，见表2。断面编号高 程m直 径 m面 积 m2备注1说明：断面编号示意图，可在备注栏中表示。表2 调压室不同高程与断面积对应尺寸表3.4.3 调压室参数提示：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。依据调压室的型式及细部构造，确定参数。4 大波动水力过渡过程计算4.1 计算原理和方法提示：对于大中型抽水蓄能电站的水力过渡过程计算分析，建议承受特征线法。本
7、方法计算精度较高，能便利地处理各种简单的边界条件，合理地计算管道摩阻以及适应导叶各种启闭规律。4.1.1 计算原理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上升应联合进展计算；(2) 对于简单管路系统不应进展简化，即是不宜用当量管、合肢(截肢)法进展分析； (3)水流按一维流淌考虑；(4) 管壁和水流均视作弹性体；(5) 管道内布满水(有压流)，不考虑含气的影响。4.1.1.2 根本方程7由水流一维流淌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：HVVfg X + V X + t+ 2DV V = 0Ha 2VH(1) t+ V = 0gXX式中:V流
8、速，；H压力水头，； X网格座标，； 时间，； 重力加速度，g=9.812； 波速， ； D管径， ； 摩阻系数。4.1.2 计算方法4.1.2.1 特征线法当假定管道中的有压水流为一维流淌时，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+ f = 0V VdC + adtdt2DX(2) dt= +a- g dH+ dV + f = 0C - adtdt2DdX dtV V= -a (3)式中符号说明同式(1)。为了求解上列方程，一般承受一阶有限差分法，已保证有足够的精度。通常承受矩形网格进展计算。4.1.2.2 边界条件8对于抽水
9、蓄能电站来说，其实际边界状况往往比较简单，故在处理各种边界条件时要进展适当简化，但应以根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，并无视连接收惯性水头(即动力)的影响。调压室水位与流量关系的边界方程表示为一阶常微分方程。当计算时段 较小，或调压室水位波动较缓慢时，常用一阶差分近似求解，如利用推测校正法求解，已足够精度。(4) 水泵水轮
10、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。由于水泵水轮机的特性通常均以图表形式供给，而且等开度线在水轮机飞逸及制动区变化猛烈，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，可依据实际状况进展选用。方法一：为了充分利用特性曲线所供给数值，在数值计算时建议直接利用特性曲线插值，显 然承受一般水轮机常用的矩形网格进展插值是有困难的，可以依据全特性的不同区域承受不 同的方法进展处理。利用折线网格进展插值，尽量使折线与等开度线正交。此外，在过渡过程到达飞逸区后，改为由Q 值插值求值，以避开由于等开度线几乎与Q轴平行，使一个1值对应有多个
11、Q值的冲突。文中符号说明同3.3.2。方法二：可逆式水泵水轮机组的特性曲线，也可转化为以开度为参数，以h(4)V 2 + a 2及bV 2 + a 2(5)为纵坐标，而以X = p + tan -1 Va9(6)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/H 无量纲参数； M/M 无量纲参数；RRQ/Q 无量纲参数；R n/n 无量纲参数；R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； 额定转速；R 圆周率。4.2 调整保证计算要求
12、及计算条件4.2.1 调整保证计算要求4.2.1.1 水击压力(1) 压力上升其限制值主要依据经济要求确定，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 m3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 转速变化依据电站规模、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rmin。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10有足够水深，以保证隧洞不进气。(1)调压室最高涌浪允许值； (2)
13、调压室最低涌浪允许值。4.2.2 计算条件及工况进展抽水蓄能电站水力过渡过程计算时，必需正确选择上、下库水位、流量和管道上实际可能消灭的糙率及机组调整规律、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状况，主要可分为如下两大类：(1) 把握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、最低涌浪参数，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 各类调保参数的把握工况(1) 确定引水系统上游侧最大压力一般消灭在上库最高水位，水轮机工况丢弃全负荷。(2) 确定引
14、水系统上游侧最低压力一般消灭在上库最低水位，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消灭在下库最高水位，水泵断电工况，导叶拒动。(4) 确定引水系统下游侧最低压力一般消灭在下库最低水位，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消灭在水轮机工况，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消灭在上库最高水位，水轮机工况丢弃全负荷，引水系统应承受最小可能的糙率系数； 或者水泵起开工况，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。11说明：(1)
15、 文中丢弃全负荷指丢弃允许最大机组台数的负荷，以下同。(2) 假设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：计 算 条 件编号计 算工 况库水位糙率系数计 算目 的上库下库上游管道下游管道导叶启闭规 律说明：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。表3 计算条件和工况4.2.2.2
16、 其他正常运行工况除事故工况外，对一切可能运行的正常工况应进展分析与计算；特别对可能成为把握工况的运行工况，如水泵起动、水轮机增荷等工况，更应着重进展争辩。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：起动、同步和并入电网；运行机组增减负荷；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：起动水力机组进展水泵工况；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。12(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。4.3 水力过渡过程的计算内容提示：主要求算在各种上、下库水位条件下，
17、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。4.3.1 稳定流计算提示：导叶启闭规律准时间对水力过渡过程有重要的影响，为了求得最优的各种调保参数， 必需对水轮机及水泵工况运行条件下导叶的启闭规律进展优化。4.3.2 导叶启闭规律的优化4.3.3 水击波速度计算考虑水体和管壁的弹性，水击波速度a(m/s)的计算公式为：K / P1 + K / Kca =对于地下埋管，K 可按下面公式计算：7K =1/2(A B A B A B CN8c011223括号中的每一项代表每一层的作用：钢板砌衬：EA=h0 dR(9)第一层混凝土：E L (R
18、 / R)第一层钢筋：B1 =hn11 - m 2(10)hE F(11)A =jj11R1其次层混凝土：E L (R/ R )其次层钢筋：B=hn21 21 - m 2h(12)EA=j2 F13 j 2R2(13)第三层混凝土：E L (RB=hn3/ R )2(14)灌浆层：31 - m 2hE L (R/ R )C =Gn431 - m 2G(15)岩石层：EN =y1 + m y(16)式中:K水的弹性模量，kN2； 水的(质量)密度,t/m3；R,R ,R ,R ，R 分别为各层衬砌、灌浆层、以及钢筋的半径位置见图1)， ；1234 钢板衬砌厚度， ；F 1长度上的环向钢筋面积，c
19、m2；1；说明：E各式对应层材料的弹性模量，N2 各式对应层材料的泊松比。(1) 波速公式适用于圆形断面，其他外形断面参照有关资料进展计算。(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，均应说明在何种把握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。14(2) 引水系统上游侧最低压力及沿线水击压力分布。(3)引水系统下游侧最高压力。(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，不消灭水柱分别。4.3.5 调压室涌浪计算提示：假设引水系统同时设有下游调压室，则尚
20、应求算下游调压室最高、最低涌浪及相应把握工况和消灭时刻。(1)上游调压室最高涌浪及相应把握工况和消灭时刻。(2)上游调压室最低涌浪及相应把握工况和消灭时刻。4.3.6 机组转速上升值计算机组转速上升最大值及相应把握工况和消灭时刻。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。提示：(1)在机组已选定状况下，本节内容不予计算。(2)在机组尚未最终选定状况下，应对可能选用的不同机组进展本节分析计算，从水力过渡过程角度得出最优机型及合理的转动惯量GD2值。4.3.8 机组特性曲线和转动惯量对水力过渡过程的影响计算5 小波动水力过渡过程计算5.1 计算原则与假定5.1.1
21、计算原则在进展方案比较时，以系统的调整时间最短、超调量最小和振荡次数最少为最正确方案； 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 类型电站对调整时间、超调量和振荡次数进展综合考虑。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)小波动计算可以进展线性化近似计算。5.2 计算工作内容与方法5.2.1 调速系统稳定域的计算对调整参数取不同的整定值，依据劳斯一古尔维茨行列式0的条件，划出它们在调整参数坐标平面上的稳定边界。5.2.2 稳定裕量的计算利用对数频率特性，求出系统的相角裕量和增益裕量。5.2.3 小波动过渡过程的数
22、值计算15提示：可以在已有的大波动过渡过程计算程序中，参加调速器环节，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根底上，为小波动过渡过程计算编制专门的计算程序。6 专题争辩(必要时)依据抽水蓄能电站的实际状况和要求，进展以下专题的争辩：提示：(1)抽水蓄能电站承受可逆式水泵水轮机，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峻，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，因此应进展专题争辩。(2) 对于具有长尾水道的抽水蓄能电站，必需留意以下两种状况的压力脉动现象：一是在正常运行工况下，紧接可逆式水泵水轮机组
23、处及尾水道中的水压变化；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状况。(3) 数值分析可利用水力阻抗法或传逆矩阵法进展，并最终用特征线法进展验证，如果条件许可，尚应通过试验进展分析。6.1 压力脉动和水力共振分析提示：抽水蓄能电站管道较长，通常承受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，必定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，必定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，必需争辩AFC调相方式运行时负荷周期变化和调压室水位波动。6.2 并列运行机组负荷变动对运行机组及电网
24、的影响提示：(1)调压室阻抗和岔管处水流流态简单，其水头损失系数没有准确的计算公式。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别岔管水头损失系数进展数值分析和模型试验争辩，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，对此进展模拟计算分析。6.3 调压室阻抗的数值分析与模型试验争辩6.4 岔管损失对调保参数的影响争辩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展评价，同时也为岔管水头损失系数计算的准确程度对水力过渡
25、过程计算成果有多大影响供给分析依据。7 应供给的计算成果7.1 报 告(1)水力过渡过程计算总报告(2)必要的专题报告16(3)水道水力过渡过程计算大纲(4)计算书7.2 附 图(1)各种把握工况的压力管道沿线最大和最小压力分布图； (2)各种把握工况的合理启闭规律过程线图；(3) 各种把握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) 各种把握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
26、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，各种把握工况的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 计算成果汇总表水 击 压 力转 速调 压 室机蜗 壳尾 水 管上 升时 最大值消灭时刻组最 大 值 刻最小值刻调压室位置编号最高涌浪最低涌浪进口压力 出 现 时 进口压力 出 现最高涌浪消灭时刻最低涌浪消灭时刻msmsr/m
27、insssmm号说明:“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。附表A1 各把握工况、各台机组、各调压室的特征参数统计表把握工况编号：水击压力水管出 现 时 刻S转速上升最大值R/min转速出 现 时 刻s表A2 号机组调保参数统计表参数 名 称单位数值对应把握工况对应工况编号蜗进口压力最大值M壳出 现 时 刻S尾进口压力最小值M水击壳出 现 时 刻S压力尾水管进口压力最小值M出 现 时 刻S转速上升最大值R/min转速出 现 时 刻s表A3 机组调保参数汇总表参数名 称单位数值对应把握工况对应机组号蜗进口压力最大值M参数名称单位数值对应把握工况对应工况编号最高涌浪M最高涌浪消灭时刻S最低涌浪M最低涌浪消灭时刻S表A4 调压室涌浪汇总表_18