引水式水電站水力學計算設計大綱概要

/ FJD34260 FJD水利水電工程技術設計階段引水式水電站水道水利學計算大綱范本水利水電勘測設計標準化信息網(wǎng)1998年1月水電站技術設計階段引水式水電站水道水力學計算大綱主編單主編單位總工程師:參編單員:::勘測設計探討院年月

目次1.引言 42.設計依據(jù)文件和規(guī)范 4基本資料 4計算原則和假定 6計算內容和方法 6觀測設計 15專題探討 16應供應的設計成果 161引言工程位于,是以為主,等綜合利用的水利水電樞紐工程。水庫最高洪水位m,正常蓄水位m,死水位m，最大壩高m。電站總裝機容量MW,單機容量MW,共臺,保證出力MW。電站設計水頭m,最大水頭m,最小水頭m。電站最大引用流量m3/s。本工程初步設計于年月審查通過。2設計依據(jù)文件和規(guī)范2.1有關本工程的文件(1)工程可行性探討報告;(2)工程可行性探討報告審批文件;(3)工程初步設計報告;(4)工程初步設計報告審批文件;(5)有關的專題報告。2.2主要設計規(guī)范(1)SDJ12—78水利水電樞紐工程等級劃分及設計標準(山區(qū)、丘陵區(qū)部分)(試行)及補充規(guī)定;(2)SD134—84水工隧洞設計規(guī)范;(3)SD303—88水電站進水口設計規(guī)范(試行);(4)SD144—85水電站壓力鋼管設計規(guī)范(試行);(5)DL/T5058-1996水電站調壓室設計規(guī)范;(6)DL/T5079-1997水電站引水渠道及前池設計規(guī)范(7)SL74—95水利水電工程鋼閘門設計規(guī)范；(8)SDL173—85水力發(fā)電廠機電設計技術規(guī)范。3基本資料3.1工程等級及建筑物級別(1)依據(jù)SDJ12—78規(guī)范表1確定本工程為等工程。(2)依據(jù)引水系統(tǒng)工程在水電站樞紐中所處的位置及其重要性,按SDJ12—78確定建筑物級別為級。3.2技術設計階段工程樞紐布置圖提示：本設計階段,各建筑物的布置圖,應包括建筑物的體型尺寸、位置、高程、樁號等。3.3水文資料(1)各種頻率下的洪水流量,和經(jīng)水庫調整后相應的下泄流量;(2)多年平均流量;(3)廠房尾水出口處的水位流量關系曲線。3.4水位資料設計計算中常用的各種水位流量資料如表1。表1水位流量表設計工況水庫水位,m下泄流量m3/s電站尾水位m備注萬年一遇洪水千年一遇洪水百年一遇洪水正常蓄水位死水位3.5建筑物主要限制樁號、高程、尺寸(1)最大壩高、壩型;(2)進水口主要高程及尺寸:進口底板高程及喇叭口尺寸、進口曲線型式;進口檢修閘門中心線樁號、底板高程及孔口尺寸；進口工作閘門中心線樁號、及其底版高程及孔口尺寸;漸變段長度及尺寸;(3)引水隧洞直徑、長度，漸變段末端樁號,隧洞起點底板或中心線高程,調壓室和隧洞中心線交點處樁號及高程;(4)調壓室的體型、尺寸,頂部、底板的高程；(5)壓力管道主管直徑、長度、坡度、彎段轉彎半徑，支管直徑、長度、分岔型式,水輪機進口處管道中心線高程及直徑。3.6機電設備及其主要參數(shù)(1)機組額定轉速r/min;(2)機組飛逸轉速r/min;(3)機組軸向總推力t;(4)機組旋轉方向;(5)機組飛輪力矩GD2t/m2;水輪機(1)水輪機型號為,轉輪直徑D1=m;(2)水輪機的特性曲線;(3)水輪機調速時間s,及其行程曲線圖;(4)渦殼進口尺寸,渦殼設計最大水頭H=m,渦殼長度為m,平均流速為m/s;(5)尾水管型式,中心線長度m,平均流速m/s;(6)水輪機安裝高程m,水輪機吸出高度Hs=m。發(fā)電機(1)額定容量MVA;(2)額定電壓V;(3)額定電流A;(4)額定功率;(5)額定頻率s-1;(6)相數(shù)。3.7運行方式依據(jù)水電站的運行方式,確定引水道的水力計算條件,依據(jù)有關規(guī)范規(guī)定：(1)丟棄負荷時,考慮瞬時全部關機，負荷從100％→0;相應的流量由Qmax→0;(2)加負荷時，考慮其他機組正常運行時，瞬時開最終一臺機組,管道內流量由Qp→(Qp＋q)。3.8襯砌糙率提示：依據(jù)管道接受襯砌材料的不同,分段選用糙率系數(shù)。為了在設計中留有余地,糙率系數(shù)又不能精確的選定,在設計中假定一個上限和下限值,水力計算時組合一種不利條件進行計算。4計算原則和假定4.1設計原則(1)引水系統(tǒng)的水力計算,除執(zhí)行本《大綱》外,還應符合有關規(guī)程、規(guī)范、標準的規(guī)定和要求。(2)設計前應細致收集和分析有關水力計算的原始資料,落實電站的運行方式,并了解有無特殊的任務和要求。(3)有關抽水蓄能電站水道水力設計，參見“抽水蓄能電站水道水力過渡過程計算大綱范本”。4.2設計假定(1)依據(jù)建筑物的等級,確定洪水位的高程、下泄流量和相應的下游尾水位,作為設計的校核狀況、設計狀況分別進行計算。(2)依據(jù)電站在電網(wǎng)系統(tǒng)中的位置和運行的條件,確定水力計算的組合狀況。(3)在計算調壓室的最高和最低涌波以及進行壓力管道內的水錘計算時,要計算電站的開機和關機的條件：1)關機狀況提示：一般計算調壓室內的最高涌波和壓力管道內的最大水錘壓力。按有關規(guī)范規(guī)定,負荷由100％→0,引水道內流量由Qmax→0,相應的上游應為最高水位。2)開機狀況提示：計算調壓室內的最低涌波和壓力管道內的負水錘。其他機組均滿負荷,瞬時開啟最終一臺機組，流量由Qp→Qmax，即Qp＋q＝Qmax。相應的上游為最低水位。(4)引水系統(tǒng)水力計算選用糙率系數(shù)時,計算調壓室內最高涌波時取小值,計算最低涌波取大值。5計算內容和方法5.1對樞紐建筑物布置合理性復核提示：依據(jù)初步設計階段已確定的樞紐布置,建筑物的體型尺寸、位置,用技術設計階段落實的各項參數(shù),重新進行各項水力計算,如發(fā)覺有不合理處,可以局部調整建筑物的尺寸、位置和高程。5.2過流實力的核算提示：依據(jù)已有的樞紐布置,核算電站在各種運行工況下的過流實力。可參照有關管流公式進行計算?？卓诔叽绫匦铦M足宣泄各種流量的要求。5.3水頭損失計算提示：水頭損失分為二種,即沿程摩擦損失和局部損失。為了水力計算中應用的便利,并適用于各種不同的流量，將沿程損失和局部損失換算成流量Q的函數(shù)。在設計水頭時損失應分段計算:(1)自進水口至調壓室和隧洞交叉處;(2)自調壓室和隧洞交叉處到水輪機進口(即蝸殼進口);(3)蝸殼尾水管至尾水出口(如有尾水洞及尾水調壓室的電站也應計算在內)。計算狀況又分為:(1)關機狀況—接受小的糙率系數(shù)計算沿程損失;(2)開機狀況—接受大的糙率系數(shù)計算沿程損失。沿程損失計算水流通過的管道自進水口到尾水出口均應包括在內,計算公式可接受：(1)謝才公式(Chezy)(1775)v＝C(RJ)1/2(1)沿程損失：式中：v為斷面平均流速;C謝才系數(shù);R斷面的水力半徑,即R＝A/P；J為水力坡度;Δhf沿程水頭損失;L隧洞或管道長度;A斷面積；P潤周。(2)曼寧公式(Manning)(1890年)C=(1/n)R1/6(3)沿程損失：式中：n為糙率系數(shù);A過水面積;Q過流量;R水力半徑,園形斷面R＝D/4;L隧洞或管道長度；D隧洞或管道直徑。局部水頭損失計算局部水頭損失,可參照有關規(guī)范進行計算(如進水口部分可參照SD303—88附錄四……等)。其計算公式如下：式中：v2／2g流速水頭；ζ水頭損失系數(shù)。局部損失種類如下：(1)進口損失;(2)攔污柵損失;(3)漸變段損失;(4)閘門槽損失;(5)彎管段損失;(6)分岔管損失；……。5.4水電站引用流量計算依據(jù)樞紐和建筑物的特征及電站的等級,如表1列出校核狀況和設計狀況，并計算各種工況下的引用流量。引用流量計算公式式中：N電站出力，MW；H0電站凈水頭，m；η效率系數(shù)。(2)各種計算工況表2各種計算工況表運行工況庫水位m下泄流量m3/s尾水位m毛水頭m引用流量m3/s水頭損失m凈水頭H0m效率系數(shù)η電站出力N，MW校核狀況設計狀況最低水位5.5調壓室水力計算調壓室的水力計算應滿足DL/T5058-1996中的規(guī)定。調壓室的水力計算包括以下內容:(1)驗算水力發(fā)電廠工作的穩(wěn)定性,即確定調壓室的穩(wěn)定面積,以確保不穩(wěn)定流逐步衰減;(2)確定調壓室的最高涌波;確定調壓室的最低涌波。判別設置調壓室的標準為了降低水輪機壓力水道中的水錘壓力,防止水錘波向隧洞內傳播,應按DL/T5058-1996中的不等式判定是否設置調壓室:TW＞〔TW〕(7)式中：TW＝ΣLV/(gH)壓力引水道中水流的慣性時間常數(shù),s;L壓力引水道(包括渦殼和尾水管)各分段的長度,m;V各分段內相應的流速，m/s;g重力加速度,g=9.81m/s2;H相應水頭(最小水頭)，m;〔TW〕TW的允許值，一般取2s～4s。調壓室穩(wěn)定斷面計算計算最小穩(wěn)定斷面時,應按電站運行中可能出現(xiàn)的最小水頭計算。計算水頭損失時,壓力引水道應選用可能的最小糙率,壓力管道選用可能的最大糙率。調壓室的穩(wěn)定斷面按托馬(Thoma)公式計算并乘以系數(shù)K：式中:L壓力引水道長度，m;f引水隧洞斷面積，m２;Hj電站最小凈水頭，m;α自水庫至調壓室水頭損失系數(shù)(包括局部損失和沿程摩擦損失)，在有連接管時應計入速頭:K系數(shù)，一般選用1.0～1.1。調壓室的涌波計算調壓室涌波計算按DL/T5058-1996的規(guī)定進行。(1)調壓室最高涌波計算按上游水庫正常蓄水位和電站機組滿載運行瞬時丟棄全部負荷，或按上游水庫設計洪水位，電站滿載運行瞬時丟棄全部負荷，作為設計狀況進行計算；并按上游水庫校核洪水位,瞬時丟棄全部負荷的狀況作為校核狀況。(2)調壓室最低涌波計算調壓室的最低涌波水位,按上游水庫最低設計水位,電站由(m-1)臺機組的過流量增至m臺的狀況作計算。計算壓力引水道的水頭損失時糙率取可能的最大值。(3)尾水調壓室的涌波計算參照有關調壓室設計規(guī)范中的尾水調壓室的規(guī)定進行計算。5.6水輪機調整保證計算(包括水錘計算)圖1調壓室水位變更及壓坡線提示：(1)調整保證計算是水電站設計中重要課題之一,它不僅影響壓力管道、機組、渦殼等過流部件的強度,而且影響電站的平安運行和機組的穩(wěn)定性,有時甚至影響電站的總體布置方案。(2)當機組甩負荷時,水輪機導葉關閉,在壓力管道和渦殼中引起壓力上升,尾水管中引起壓力下降。和此同時機組轉速也發(fā)生劇變,水輪機導葉關閉較慢時,則水輪機剩余能量較大,機組速率上升值就較大,流速變更較慢,水擊壓力較小;如導葉關閉快(即調速時間短),則速率上升值小,水擊壓力大。調整保證計算的主要任務提示：正確合理地解決導葉關閉時間、水擊壓力上升值和機組速率上升值三者之間的關系,最終選擇適當?shù)膶~關閉時間,使水壓上升值和速率上升值都在規(guī)范允許范圍內,以保證壓力過水系統(tǒng)及機組結構的平安和供電質量。5.6.2水擊計算的任務(1)確定壓力管道內最大內水壓力,作為設計或校核壓力管道、渦殼和水輪機強度的依據(jù)。(2)確定管路內最小內水壓力,作為布置管線及防止壓力管道中產生真空和校核尾水管內真空度的依據(jù)。調整保證計算標準和計算條件(1)壓力變更的計算標準1)壓力上升壓力過水系統(tǒng)末端(渦殼末端)的允許相對壓力上升值ζmax,目前一般接受下列數(shù)值:圖2壓力管道內水擊壓力分布示意圖當Ho＞100m時,ζmax=0.15～0.30;當Ho=40m～100m時,ζmax=0.30～0.50;當Ho＜40m時,ζmax=0.5～0.7。2)壓力降低在壓力過水系統(tǒng)內任何位置不允許產生負壓,且應有2m～3m的余壓;尾水管進口的允許最大真空度為8m水柱壓力。(2)轉速變更的計算標準甩滿負荷時機組速率上升值β的允許值必需滿足SDJ173—85第2.2.3條中的規(guī)定:當機組容量占電力系統(tǒng)工作總容量的比重較大,且擔負調頻任務時,宜小于45％;當機組容量占電力系統(tǒng)工作總容量的比重不大或負擔基荷時,宜小于55％。提示：經(jīng)過特地論證后β值也可略超過55％。水錘計算和調整保證計算方法提示：詳細的計算方法可參考《水電站機電設計手冊》水力機械部分。水錘計算提示：(1)水輪機的關閉引起管路中產生正水錘;水輪機的開啟則引起負水錘。水錘之大小和關閉及開啟的時間長短有關。(2)水錘計算的方法有圖解法和解析法圖解法可將水錘變更和關開機的時間變更過程均能在繪圖中表示。在困難管道布置如有岔管的壓力管道接受圖解法較為精確假如是單機單管則接受解析法也已達到設計所要求的精度。此處只介紹解析法的計算方法圖解法可參考有關水錘計算的專著。(3)水錘又分為干脆水錘和間接水錘。水錘波傳播速度a計算式中:α水錘波傳播速度，m/s；1425為聲音在水中的傳播速度，m/s;E0水的彈性模量,E0＝2.1×103MPa;E管壁材料的彈性模量：鋼E＝2.1×105MPa;生鐵E＝1.0×105MPa;鋼筋E＝2.1×104MPa;橡皮E＝2MPa～6MPa;D管道直徑,cm;δ管壁厚度，cm。(2)判別干脆水錘和間接水錘及其水錘壓力形式1)判別干脆或間接水錘干脆水錘:水輪機關閉或開啟時間Ts≤tΦ=2L／α(10)間接水錘:水輪機關閉或開啟時間Ts＞tΦ=2L／α(11)式中:Ts水輪機導葉關閉或開啟的時間，s；α水錘波傳播速度，m／s;tΦ水錘波行駛兩倍管路長度所需時間稱為水錘的相;L管道長度，m。2)判別水錘壓力形式為了判別水錘壓力形式，需計算管道特性系數(shù)σ和μ。管道系數(shù)σ:管路斷面系數(shù)μ:式中:V0管道中的初始流速，m/s;α水錘波傳播速度，m/s;H0靜水頭,即上游水位和尾水位之差，m;T′s水輪機導水葉關閉或開啟時間，s;g重力加速度,g＝9.81m/s2;ΣLV為壓力輸水管LTVT,渦殼LCVC和尾水管LBVB的總和，ΣLV＝LTVT＋LCVC＋LBVB。依據(jù)管道特性系數(shù)σ和μ，即可在水錘形式判別圖中確定水錘的范圍。(3)水錘計算的解析法1)間接水錘當μτ0＞1.5時,最大水錘壓力發(fā)生在末相:ξm＝(σ/2)［σ±(σ2＋4)1/2］(14)當μτ0＜1時,最大水錘發(fā)生在第一相末:ξ1＝2μ［τ0τ1(1±ξ1)1/2］(15)式中:σ、μ管道特性系數(shù);ξm末相水錘相對壓力上升或降低;ξ1第一相水錘相對壓力上升或降低;τ0導水機構的初始相對開度;τ1第一相末導水機構的相對開度。亦可接受基謝列夫“水力計算手冊”中的公式計算ξ1:ξ1＝2μ{(τ0＋μτ21)－［(τ0＋μτ21)2－τ20＋τ21］1/2}(16)2)干脆水錘當Ts＜2L/α時為干脆水錘,其壓力上升值為ΔH,在完全關閉(τk＝0)時:ΔH＝αV0/g(17)式中：V0為管道中起始流速。(4)壓力管道中水錘壓力分布圖3干脆水錘沿管線分布簡圖1)壓力管道的最大壓力上升ξT為:ξT＝〔ΣLTVT/(ΣLV)〕ξmax(18)ΔHT＝ξTH0(19)2)渦殼末端最大壓力上升ξc為:ξc＝［(ΣLTVT＋ΣLCVC)/(ΣLV)］ξmax(20)ΔHc＝ξcH0(21)3)尾水管中的最大壓力降低ηB為:ηB＝〔(ΣLBVB)/(ΣLV)〕ξmax(22)ΔHB＝ηBH0(23)圖4間接水錘沿管線分布簡圖4)尾水管最大真空度HB為:HB＝HS＋V23/(2g)＋ΔHB(24)式中：HS吸出高度，m;V3尾水管進口流速，m/s。轉速變更計算甩全負荷時轉速變更計算公式:甩負荷時機組速率上升值β：β＝［(nmax－n0)/n0］100％(25)式中:n0初始轉數(shù),即甩負荷前機組的穩(wěn)定轉數(shù);nmax甩負荷過程中機組所達到的最大瞬時轉速。用列寧格勒金屬工廠(П·М·З)的公式計算β：β＝－1＋［1＋(365N0T)/(GD2n20)］1/2＝［1＋(T/Ta)］1/2－1(26)式中：G、D分別為機組轉動部分的重量和慣性直徑。由于發(fā)電機轉子的慣性比機組其他轉動部分的慣性大得多,通常只考慮發(fā)電機轉子的GD2；T水輪機出力自N0降低至0時的歷時(升速時間);N0機組起始出力，kW;Ta機組慣性時間常數(shù)，Ta＝(GD2n20)/(365N0),s。由于導水葉關閉過程中,水輪機出力受水擊壓力和水輪機特性等因素的影響;和導葉動作滯后以及接受不同導葉啟閉規(guī)律等因素的影響。必需接受修正系數(shù),常用的有摩根史密斯(S.M.S.)公式:f＝(1＋ξcp)3/2(27)β＝〔TS/(2Ta)〕fC(29)式中:f水擊影響修正系數(shù);C水輪機飛逸特性影響修正系數(shù);TS導葉總關閉時間，s;np水輪機飛逸轉速，r/min;ξcp平均水擊壓力相對值。其次在我國常用列寧格勒金屬工廠(П