水电站教案第五章.doc

1 第五章水电站的水击及调节保证计算内容提要:由于水轮发电机组负荷的瞬时变化,而进行流量的快速调节时, 引起压力引水系统的压力的急剧变化,即水击现象。本章从介绍水击现象开始, 论述水击和调节保证计算的任务、水击的基本方程式、连锁方程式、直接水击与间接水击、简单管路水击的解析计算、复杂管路的水击简化计算及其适用条件;机组转速变化的计算方法和改善调节保证的措施。本章重点内容:水电站有压引水系统非恒定流现象和调节保证计算的任务、简单管水击解析计算、复杂管路水击的简化计算、机组转速变化的计算方法和改善调节保证的措施。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。其主要表现为: (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“水击”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→“水击”。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。二. 调节保证计算的任务(一) 水击的危害(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→尾水管汽蚀,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) 调节保证计算由于水电站负荷的变化而引起压力引水管道中的水击和机组转速急遽变化的计算,一般称为调节保证计算。 1 .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。 2 (4) 研究减小水击压强及机组转速变化的措施。 2. 调节保证计算的目的正确合理地解决导叶启闭时间、水击压力和机组转速上升值三者之间的关系,最后选择适当的导叶启闭时间和方式,使水击压力和转速上升值均在经济合理的允许范围内。 ,为了适应负荷变化或由于事故原因,而突然启闭水轮 3 机导叶时,由于水流具有较大的惯性,进入水轮机的流量迅速改变,流速的突然变化使压力水管、蜗壳及尾水管中的压力随之变化,这种变化是交替升降的一种波动,如同锤击作用于管壁,有时还伴随轰轰的响声和振动,这种现象称为水击。 2. 水击特性(1) 水击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,因而水击压力往往较大,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,水击压力将以弹性波的形式沿管道传播。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 2t 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、水击波的传播速度水击波速与管壁材料、厚度、管径、管道的支承方式以及水的弹性模量等有关,其计算公式为: )/(1 1435 1 smE DK E DK gKa???????(5—4) 式中 K——水的体积弹性模量,一般为 ×10 3 MPa ; E ——管壁材料的纵向弹性模数( 钢村 E = ×10 5 MPa ,铸铁 E = × 10 5 MPa ,混凝土 E = ×10 4 MPa) ;? Kg 为声波在水中的传播速度,随温度和压力的升高而加大,一般取 1435m/s 。一般情况下,露天钢管的水击波速可近似地取为 1000m/s ,埋藏式钢管可近似地取为 1200m/s 。钢筋混凝土管可取 900m/s ~1200m/s 。第二节水击基本方程及边界条件基本方程+相应的边界条件——用解析方法和数值计算方法求解水击值及其变化过程。一. 水击基本方程(一) . 基本方程 4 对有压管道而言,不论在何种情况下都应满足水流的运动方程及连续方程。当水管材料、厚度及直径沿管度不变,且不计及水力摩阻损失时,其方程可简化为(取阀门端为原点, x向上游为正) 水流运动方程: t Vx Hg?????水流连续方程: x Vg at H????? 2(5—1) 上述方程为一组双曲线型偏微分方程, 其通解为: )()( 0a xtfa xtFHHH???????(5—2)??????????