水道水力过渡过程计算大纲范本.docx
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水道水力过渡过程计算大纲范本
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
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4
2.设计依据文件和规范4
3.计算基本资料4
4.大波动水力过渡过程计算7
5.小波动水力过渡过程计算15
6.专题研究（必要时）16
7.应提供的设计成果17
１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、尾部开发）＿＿。
引水系统由＿＿组成。
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主要设计规范
（1）SD303—88 水电站进水口设计规范
（2）SD144—85 水电站压力钢管设计规范（试行）
（3）DL/T5058-1996 水电站调压室设计规范
（4）SDJ173—85 水力发电厂机电设计技术规范
（5）SD134—84 水工隧洞设计规范（试行）
（6）GB9652—88 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＿ｍ；死 水 位＿ｍ。
（2）下库（下水池）水位：
正常蓄水位＿ｍ；死 水 位＿ｍ。
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
m2
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）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ｎ0：
＿＿r／min；
（3）飞逸转速ｎｐ：
＿＿r／min；
（4）额定出力：
＿＿MW；
（5）输入功率：
＿＿MW；
（6）转轮直径：
＿＿ｍ；
（7）飞轮力矩GD2：
＿＿t.ｍ2；
（8）安装高程：
＿＿ｍ；
（9）额定水头的发电流量：
＿＿ｍ３／ｓ；
（10）最高扬程的流量：
＿＿ｍ3／ｓ；
（11）最低扬程的流量：
＿＿ｍ３／ｓ。
3.3.2 机组特性
（1）机组全特性曲线（Q′１-ｎ′１）；
（2）机组转矩全特性曲线（M′1-ｍ′１）；
（3）水泵工况的H-P,H-Q,H-Y特性曲线；
（4）水轮机工况的P-Q,P-Y特性曲线。
符号说明：
Q′1——单元流量；
ｎ′１——单元转速；
M′１——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）ＡＦＣ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）控制高程：
调压室下部隧洞中心高程＿＿ｍ；
调压室下部隧洞洞顶高程＿＿ｍ；
调压室下部隧洞底部高程＿＿ｍ；
调压室底部高程＿＿ｍ；
调压室顶部高程＿＿ｍ；
调压室井周地面最高高程＿＿ｍ；
调压室井周地面最低高程＿＿ｍ。
（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 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。
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＿＿ｍ2；
阻抗系数＿＿；
（2）差动式调压室：
升管内径＿＿ｍ；
升管外径＿＿ｍ；
升管溢流口高程＿＿ｍ；
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大波动水力过渡过程计算
4.1 计算原理和方法
4.1.1计算原理
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：
（1）
式中:
V——流速，ｍ／ｓ；
H——压力水头，ｍ；
X——网格座标，ｍ；
ｔ——时间，ｓ；
ｇ——重力加速度，g=9.81ｍ／ｓ2；
ａ——波速，ｍ／ｓ；
D——管径，ｍ；
ｆ——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：
（2）
（3）
式中符号说明同式
（1）。
为了求解上列方程，一般采用一阶有限差分法，已保证有足够的精度。
通常采用矩形网格进行计算。
4.1.2.2 边界条件
对于抽水蓄能电站来说，其实际边界状况往往比较复杂，故在处理各种边界条件时要进行适当简化，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。
调压室水位与流量关系的边界方程表示为一阶常微分方程。
当计算时段△ｔ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Q′1值插值求ｎ′１值，以避免由于等开度线几乎与Q′１轴平行，使一个ｎ′１值对应有多个Q′１值的矛盾。
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τ为参数，以
（4）
及
（5）
为纵坐标，而以
（6）
为横坐标的ｓｖｔｓｒ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ｓｖｔｅｒ曲线表示，故可将边界方程处理为仅含两个未知量α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/HR——无量纲参数；β＝M/MR——无量纲参数；
Ｖ＝Q/QR——无量纲参数；
α＝n/nR——无量纲参数；
Ｈ——机组净水头；
ＨＲ——额定水头；
Ｍ——作用在机组上的力矩；
MＲ——额定力矩；
Ｑ——机组过流量；
ｎ——机组转速；
ｎR——额定转速；
π——圆周率。
4.2 调节保证计算要求及计算条件
4.2.1 调节保证计算要求
4.2.1.1 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。
蜗壳进口压力最大值＿＿ｍ。
（2）压力降低
在引水系统任何位置不允许产生负压，且应有2m～3ｍ余压，尾水管进口的允许最大真空度为8ｍ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。
（1）调压室最高涌浪允许值＿＿ｍ；
（2）调压室最低涌浪允许值＿＿ｍ。
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、流量和管道上实际可能出现的糙率及机组调节规律、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、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，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。
（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 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行分析与计算；特别对可能成为控制工况的运行工况，如水泵起动、水轮机增荷等工况，更应着重进行研究。
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、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：
①起动水力机组进行水泵工况；
②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。
4.3 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 导叶启闭规律的优化
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 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：
（7）
对于地下埋管，Kｃ可按下面公式计算：
Kc=1/2（A0＋B1＋A1＋B2＋A2＋B3＋C＋N）（8）
括号中的每一项代表每一层的作用：
钢板砌衬：
（9）
第一层混凝土：
（10）
第一层钢筋：
（11）
第二层混凝土：
（12）
第二层钢筋：
（13）
第三层混凝土：
（14）
灌浆层：
（15）
岩石层：
（16）
式中:
K——水的弹性模量，kN／ｍ2；
ρ——水的（质量）密度,t/m3；
R,R1,R2,R3，R4——分别为各层衬砌、灌浆层、以及钢筋的半径位置（见图1），ｍ；
δ——钢板衬砌厚度，ｍｍ；
F1——1ｍ长度上的环向钢筋面积，cm2；
E——各式对应层材料的弹性模量，ｋN／ｍ2；
μ——各式对应层材料的泊松比。
说明：
（1）波速公式适用于圆形断面，其他形状断面参照
有关资料进行计算。
（2）Kｃ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）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机组转速上升值计算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机组特性曲线和转动惯量对水力过渡过程的影响计算
提示：
（1）在机组已选定情况下，本节内容不予计算。
（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型及合理的转动惯量GD2值。
5 小波动水力过渡过程计算
5.1 计算原则与假定
5.1.1计算原则
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。
5.2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 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。
6专题研究（必要时）
根据抽水蓄能电站的实际情况和要求，进行下列专题的研究：
6.1 压力脉动和水力共振分析
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 并列运行机组负荷变动对运行机组及电网的影响
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 调压室阻抗的数值分析与模型试验研究
提示：
（1）调压室阻抗和岔管处水流流态复杂，其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 岔管损失对调保参数的影响
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计算成果有多大影响提供分析依据。
7应提供的计算成果
7.1 报 告
（1）水力过渡过程计算总报告
（2）必要的专题报告
（3）水道水力过渡过程计算大纲
（4）计算书
7.2 附 图
（1）各种控制工况的压力管道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。
附表A计算成果汇总表
附表A1各控制工况、各台机组、各调压室的特征参数统计表控制工况编号：
＿＿
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
S
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