引水式水电站水力学计算设计大纲范本

'FJD34260FJD水利水电工程技术设计阶段引水式水电站水道水利学计算大纲范本水利水电勘测设计标准化信息网1998年1月16 水电站技术设计阶段引水式水电站水道水力学计算大纲主编单位: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16 目次1.引言42.设计依据文件和规范43.基本资料44.计算原则与假定65.计算内容与方法66.观测设计157.专题研究168.应提供的设计成果1616 1引言工程位于,是以为主,等综合利用的水利水电枢纽工程。水库最高洪水位m,正常蓄水位m,死水位m，最大坝高m。电站总装机容量MW,单机容量MW,共台,保证出力MW。电站设计水头m,最大水头m,最小水头m。电站最大引用流量m3/s。本工程初步设计于年月审查通过。2设计依据文件和规范2.1有关本工程的文件(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)工程初步设计报告;(4)工程初步设计报告审批文件;(5)有关的专题报告。2.2主要设计规范(1)SDJ12—78水利水电枢纽工程等级划分及设计标准(山区、丘陵区部分)(试行)及补充规定;(2)SD134—84水工隧洞设计规范;(3)SD303—88水电站进水口设计规范(试行);(4)SD144—85水电站压力钢管设计规范(试行);(5)DL/T5058-1996水电站调压室设计规范;(6)DL/T5079-1997水电站引水渠道及前池设计规范(7)SL74—95水利水电工程钢闸门设计规范；(8)SDL173—85水力发电厂机电设计技术规范。3基本资料3.1工程等级及建筑物级别(1)根据SDJ12—78规范表1确定本工程为等工程。(2)根据引水系统工程在水电站枢纽中所处的位置及其重要性,按SDJ12—78确定建筑物级别为级。3.2技术设计阶段工程枢纽布置图提示：本设计阶段,各建筑物的布置图,应包括建筑物的体型尺寸、位置、高程、桩号......等。3.3水文资料(1)各种频率下的洪水流量,和经水库调节后相应的下泄流量;(2)多年平均流量;(3)厂房尾水出口处的水位流量关系曲线。3.4水位资料设计计算中常用的各种水位流量资料如表1。16 表1水位流量表设计工况水库水位,m下泄流量m3/s电站尾水位m备注万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建筑物主要控制桩号、高程、尺寸(1)最大坝高、坝型;(2)进水口主要高程及尺寸:进口底板高程及喇叭口尺寸、进口曲线型式;进口检修闸门中心线桩号、底板高程及孔口尺寸；进口工作闸门中心线桩号、及其底版高程及孔口尺寸;渐变段长度及尺寸;(3)引水隧洞直径、长度，渐变段末端桩号,隧洞起点底板或中心线高程,调压室与隧洞中心线交点处桩号及高程;(4)调压室的体型、尺寸,顶部、底板的高程；(5)压力管道主管直径、长度、坡度、弯段转弯半径，支管直径、长度、分岔型式,水轮机进口处管道中心线高程及直径。3.6机电设备及其主要参数(1)机组额定转速r/min;(2)机组飞逸转速r/min;(3)机组轴向总推力t;(4)机组旋转方向;(5)机组飞轮力矩GD2t/m2;3.6.1水轮机(1)水轮机型号为,转轮直径D1=m;(2)水轮机的特性曲线;(3)水轮机调速时间s,及其行程曲线图;(4)涡壳进口尺寸,涡壳设计最大水头H=m,涡壳长度为m,平均流速为m/s;(5)尾水管型式,中心线长度m,平均流速m/s;(6)水轮机安装高程m,水轮机吸出高度Hs=m。3.6.2发电机(1)额定容量MVA;(2)额定电压V;(3)额定电流A;(4)额定功率;(5)额定频率s-1;(6)相数。3.7运行方式根据水电站的运行方式,决定引水道的水力计算条件,按照有关规范规定：16 (1)丢弃负荷时,考虑瞬时全部关机，负荷从100％→0;相应的流量由Qmax→0;(2)加负荷时，考虑其他机组正常运行时，瞬时开最后一台机组,管道内流量由Qp→(Qp＋q)。3.8衬砌糙率提示：根据管道采用衬砌材料的不同,分段选用糙率系数。为了在设计中留有余地,糙率系数又不能准确的选定,在设计中假定一个上限与下限值,水力计算时组合一种不利条件进行计算。4计算原则与假定4.1设计原则(1)引水系统的水力计算,除执行本《大纲》外,还应符合有关规程、规范、标准的规定和要求。(2)设计前应认真收集和分析有关水力计算的原始资料,落实电站的运行方式,并了解有无特殊的任务和要求。(3)有关抽水蓄能电站水道水力设计，参见“抽水蓄能电站水道水力过渡过程计算大纲范本”。4.2设计假定(1)根据建筑物的等级,确定洪水位的高程、下泄流量和相应的下游尾水位,作为设计的校核情况、设计情况分别进行计算。(2)按照电站在电网系统中的位置和运行的条件,确定水力计算的组合情况。(3)在计算调压室的最高和最低涌波以及进行压力管道内的水锤计算时,要计算电站的开机与关机的条件：1)关机情况提示：一般计算调压室内的最高涌波和压力管道内的最大水锤压力。按有关规范规定,负荷由100％→0,引水道内流量由Qmax→0,相应的上游应为最高水位。2)开机情况提示：计算调压室内的最低涌波和压力管道内的负水锤。其他机组均满负荷,瞬时开启最后一台机组，流量由Qp→Qmax，即Qp＋q＝Qmax。相应的上游为最低水位。(4)引水系统水力计算选用糙率系数时,计算调压室内最高涌波时取小值,计算最低涌波取大值。5计算内容与方法5.1对枢纽建筑物布置合理性复核提示：根据初步设计阶段已确定的枢纽布置,建筑物的体型尺寸、位置,用技术设计阶段落实的各项参数,重新进行各项水力计算,如发现有不合理处,可以局部调整建筑物的尺寸、位置和高程。5.2过流能力的核算提示：根据已有的枢纽布置,核算电站在各种运行工况下的过流能力。可参照有关管流公式进行计算。孔口尺寸必须满足宣泄各种流量的要求。16 5.3水头损失计算提示：水头损失分为二种,即沿程摩擦损失和局部损失。为了水力计算中应用的方便,并适用于各种不同的流量，将沿程损失和局部损失换算成流量Q的函数。在设计水头时损失应分段计算:(1)自进水口至调压室与隧洞交叉处;(2)自调压室与隧洞交叉处到水轮机进口(即蜗壳进口);(3)蜗壳尾水管至尾水出口(如有尾水洞及尾水调压室的电站也应计算在内)。计算情况又分为:(1)关机情况—采用小的糙率系数计算沿程损失;(2)开机情况—采用大的糙率系数计算沿程损失。5.3.1沿程损失计算水流通过的管道自进水口到尾水出口均应包括在内,计算公式可采用：(1)谢才公式(Chezy)(1775)v＝C(RJ)1/2(1)沿程损失：式中：v为断面平均流速;C谢才系数;R断面的水力半径,即R＝A/P；J为水力坡度;Δhf沿程水头损失;L隧洞或管道长度;A断面积；P润周。(2)曼宁公式(Manning)(1890年)C=(1/n)R1/6(3)沿程损失：式中：n为糙率系数;A过水面积;　　　　Q过流量;　　　　R水力半径,园形断面R＝D/4;　　　　L隧洞或管道长度；　　　　D隧洞或管道直径。5.3.2局部水头损失计算　　　局部水头损失,可参照有关规范进行计算(如进水口部分可参照SD303—88附录四……等)。其计算公式如下：16 式中：v2／2g　　流速水头；　　　　ζ　　水头损失系数。　　　　局部损失种类如下：　　　　(1)进口损失;　　　　(2)拦污栅损失;　　　　(3)渐变段损失;　　　　(4)闸门槽损失;　　　　(5)弯管段损失;　　　　(6)分岔管损失；　　　　……。5.4水电站引用流量计算　　根据枢纽和建筑物的特征及电站的等级,如表1列出校核情况和设计情况，并计算各种工况下的引用流量。(1)引用流量计算公式式中：N　　电站出力，MW；　　　H0　　电站净水头，m；　　　η　　效率系数。(2)各种计算工况表2各种计算工况表运行工况库水位m下泄流量m3/s尾水位m毛水头m引用流量m3/s水头损失m净水头H0m效率系数η电站出力N，MW校核情况设计情况最低水位5.5调压室水力计算调压室的水力计算应满足DL/T5058-1996中的规定。　　调压室的水力计算包括以下内容:　　(1)验算水力发电厂工作的稳定性,即确定调压室的稳定面积,以确保不稳定流逐步衰减;　　(2)决定调压室的最高涌波;(2)决定调压室的最低涌波。5.5.1判别设置调压室的标准　　为了降低水轮机压力水道中的水锤压力,防止水锤波向隧洞内传播,应按DL/T5058-1996中的不等式判定是否设置调压室:TW＞〔TW〕　　　　(7)式中：TW＝ΣLV/(gH)　　压力引水道中水流的惯性时间常数,s;　　　　L　　压力引水道(包括涡壳和尾水管)各分段的长度,m;16 　　　　V　　各分段内相应的流速，m/s;　　　　g　　重力加速度,g=9.81m/s2;　　　　H　　相应水头(最小水头)，m;　　　〔TW〕　　TW的允许值，一般取2s～4s。5.5.2调压室稳定断面计算　　　计算最小稳定断面时,应按电站运行中可能出现的最小水头计算。计算水头损失时,压力引水道应选用可能的最小糙率,压力管道选用可能的最大糙率。调压室的稳定断面按托马(Thoma)公式计算并乘以系数K：　式中:L　　压力引水道长度，m;　　　　　f　　引水隧洞断面积，m２;　　　　　Hj　　电站最小净水头，m;　　　　　α　　自水库至调压室水头损失系数(包括局部损失与沿程摩擦损失)，在有连接管时应计入速头:　　　K　　系数，一般选用1.0～1.1。5.5.3调压室的涌波计算　　调压室涌波计算按DL/T5058-1996的规定进行。　　(1)调压室最高涌波计算　　　按上游水库正常蓄水位和电站机组满载运行瞬时丢弃全部负荷，或按上游水库设计洪水位，电站满载运行瞬时丢弃全部负荷，作为设计情况进行计算；并按上游水库校核洪水位,瞬时丢弃全部负荷的情况作为校核情况。　　(2)调压室最低涌波计算　　调压室的最低涌波水位,按上游水库最低设计水位,电站由(m-1)台机组的过流量增至m台的情况作计算。　　计算压力引水道的水头损失时糙率取可能的最大值。　　(3)尾水调压室的涌波计算　　参照有关调压室设计规范中的尾水调压室的规定进行计算。5.6水轮机调节保证计算(包括水锤计算)16 图1调压室水位变化及压坡线提示：(1)调节保证计算是水电站设计中重要课题之一,它不仅影响压力管道、机组、涡壳等过流部件的强度,而且影响电站的安全运行和机组的稳定性,有时甚至影响电站的总体布置方案。(2)当机组甩负荷时,水轮机导叶关闭,在压力管道和涡壳中引起压力上升,尾水管中引起压力下降。与此同时机组转速也发生剧变,水轮机导叶关闭较慢时,则水轮机剩余能量较大,机组速率上升值就较大,流速变化较慢,水击压力较小;如导叶关闭快(即调速时间短),则速率上升值小,水击压力大。5.6.1调节保证计算的主要任务提示：正确合理地解决导叶关闭时间、水击压力上升值和机组速率上升值三者之间的关系,最后选择适当的导叶关闭时间,使水压上升值和速率上升值都在规范允许范围内,以保证压力过水系统及机组结构的安全和供电质量。5.6.2水击计算的任务(1)决定压力管道内最大内水压力,作为设计或校核压力管道、涡壳和水轮机强度的依据。(2)决定管路内最小内水压力,作为布置管线及防止压力管道中产生真空和校核尾水管内真空度的依据。5.6.3调节保证计算标准和计算条件(1)压力变化的计算标准1)压力升高压力过水系统末端(涡壳末端)的允许相对压力升高值ζmax,目前一般采用下列数值:16 图2压力管道内水击压力分布示意图当Ho＞100m时,ζmax=0.15～0.30;当Ho=40m～100m时,ζmax=0.30～0.50;当Ho＜40m时,ζmax=0.5～0.7。　　2)压力降低在压力过水系统内任何位置不允许产生负压,且应有2m～3m的余压;尾水管进口的允许最大真空度为8m水柱压力。　(2)转速变化的计算标准　　　甩满负荷时机组速率上升值β的允许值必须满足SDJ173—85第2.2.3条中的规定:　　　当机组容量占电力系统工作总容量的比重较大,且担负调频任务时,宜小于45％;　　　当机组容量占电力系统工作总容量的比重不大或负担基荷时,宜小于55％。提示：经过专门论证后β值也可略超过55％。5.6.4水锤计算和调节保证计算方法提示：详细的计算方法可参考《水电站机电设计手册》水力机械部分。5.6.4.1水锤计算提示：(1)水轮机的关闭引起管路中产生正水锤;水轮机的开启则引起负水锤。水锤之大小和关闭及开启的时间长短有关。(2)水锤计算的方法有图解法和解析法图解法可将水锤变化与关开机的时间变化过程均能在绘图中表示。在复杂管道布置如有岔管的压力管道采用图解法较为精确如果是单机单管则采用解析法也已达到设计所要求的精度。此处只介绍解析法的计算方法图解法可参考有关水锤计算的专著。(3)水锤又分为直接水锤和间接水锤。16 (1)水锤波传播速度a计算　　式中:α　　水锤波传播速度，m/s；　　　　1425　　为声音在水中的传播速度，m/s;　　　　E0　　水的弹性模量,E0＝2.1×103MPa;　　　　E　　管壁材料的弹性模量：　　　　　钢E＝2.1×105MPa;　　　　　　　生铁E＝1.0×105MPa;　　　　　　　钢筋E＝2.1×104MPa;　　　　　　　橡皮E＝2MPa～6MPa;　　　　D　　管道直径,cm;　　　δ　　管壁厚度，cm。(2)判别直接水锤和间接水锤及其水锤压力形式1)判别直接或间接水锤直接水锤:水轮机关闭或开启时间Ts≤tΦ=2L／α(10)间接水锤:水轮机关闭或开启时间Ts＞tΦ=2L／α(11)式中:Ts水轮机导叶关闭或开启的时间，s；α水锤波传播速度，m／s;tΦ水锤波行驶两倍管路长度所需时间称为水锤的相;L管道长度，m。2)判别水锤压力形式为了判别水锤压力形式，需计算管道特性系数σ和μ。管道系数σ:管路断面系数μ:式中:V0管道中的初始流速，m/s;α水锤波传播速度，m/s;H0静水头,即上游水位与尾水位之差，m;T′s水轮机导水叶关闭或开启时间，s;g重力加速度,g＝9.81m/s2;ΣLV为压力输水管LTVT,涡壳LCVC和尾水管LBVB的总和，ΣLV＝LTVT＋LCVC＋LBVB。根据管道特性系数σ和μ，即可在水锤形式判别图中确定水锤的范围。(3)水锤计算的解析法1)间接水锤16 当μτ0＞1.5时,最大水锤压力发生在末相:ξm＝(σ/2)［σ±(σ2＋4)1/2］(14)当μτ0＜1时,最大水锤发生在第一相末:ξ1＝2μ［τ0τ1(1±ξ1)1/2］(15)式中:σ、μ管道特性系数;ξm末相水锤相对压力升高或降低;ξ1第一相水锤相对压力升高或降低;τ0导水机构的初始相对开度;τ1第一相末导水机构的相对开度。亦可采用基谢列夫“水力计算手册”中的公式计算ξ1:ξ1＝2μ{(τ0＋μτ21)－［(τ0＋μτ21)2－τ20＋τ21］1/2}(16)2)直接水锤当Ts＜2L/α时为直接水锤,其压力升高值为ΔH,在完全关闭(τk＝0)时:ΔH＝αV0/g(17)式中：V0为管道中起始流速。(4)压力管道中水锤压力分布图3直接水锤沿管线分布简图1)压力管道的最大压力升高ξT为:ξT＝〔ΣLTVT/(ΣLV)〕ξmax(18)ΔHT＝ξTH0(19)2)涡壳末端最大压力升高ξc为:ξc＝［(ΣLTVT＋ΣLCVC)/(ΣLV)］ξmax(20)ΔHc＝ξcH0(21)3)尾水管中的最大压力降低ηB为:ηB＝〔(ΣLBVB)/(ΣLV)〕ξmax(22)ΔHB＝ηBH0(23)16 图4间接水锤沿管线分布简图4)尾水管最大真空度HB为:HB＝HS＋V23/(2g)＋ΔHB(24)式中：HS吸出高度，m;V3尾水管进口流速，m/s。5.6.4.2转速变化计算甩全负荷时转速变化计算公式:甩负荷时机组速率上升值β：β＝［(nmax－n0)/n0］100％(25)式中:n0初始转数,即甩负荷前机组的稳定转数;nmax甩负荷过程中机组所达到的最大瞬时转速。用列宁格勒金属工厂(П·М·З)的公式计算β：β＝－1＋［1＋(365N0T)/(GD2n20)］1/2＝［1＋(T/Ta)］1/2－1(26)式中：G、D分别为机组转动部分的重量和惯性直径。由于发电机转子的惯性比机组其他转动部分的惯性大得多,通常只考虑发电机转子的GD2；T水轮机出力自N0降低至0时的历时(升速时间);N0机组起始出力，kW;Ta机组惯性时间常数，Ta＝(GD2n20)/(365N0),s。由于导水叶关闭过程中,水轮机出力受水击压力和水轮机特性等因素的影响;和导叶动作滞后以及采用不同导叶启闭规律等因素的影响。必须采用修正系数,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水击影响修正系数;C水轮机飞逸特性影响修正系数;TS导叶总关闭时间，s;16 np水轮机飞逸转速，r/min;ξcp平均水击压力相对值。其次在我国常用列宁格勒金属工厂(П.М.З.)公式:β＝［1＋(TS1/Ta)f］1/2-1(30)式中:f水击影响修正系数。当σ＜0.6及β＜0.5时,可根据σ＝(ΣLV)/(gH0TS)值查图5即得;TS1导叶自全开度至空载开度的时间，s。对混流式和冲击式水轮机TS1＝(0.85～0.9)TS;对轴流式水轮机TS1＝(0.65～0.7)TS。图5水击影响系数与管道特性系数σ的关系曲线图6水轮机出力变化过程线甩负荷时速率上升值β:β＝－1＋〔1＋（365N0Ts1f）/（GD2n2。）〕1/2(31)6观测设计水道系统应进行的观测(如有关大纲已列,此处可省略):(1)进水口前水位观测;(2)尾水管出口处下游尾水位观测；(3)进水口拦污栅前、后自计水位观测,量测栅前栅后的水头压差;(4)压力管道末端涡壳进口处，水压和流量观测；(5)调压室大井内自记水位观测,记录负荷变动时,调压室内的水位变化曲线,自动画制波动与时间关系曲线,记录波动衰减过程线；如果是差动式调压室,在升管内也要布置自计水位计,记录升管中水位波动过程。(6)压力引水系统的外部观测及水文地质观测。16 7专题研究提示：可能需要进行专题研究的项目有:(1)研制成套完整的水库水位、下游尾水位、机组出力和流量关系的自动记录装置。(1)如何计算复杂管路布置内,在负荷变化时,水锤波的反射的分配,如多台机组联合运行中,有一台机突然关闭时,对其他机组的影响。(3)调节保证计算中,根据我国各大电网的情况,对速率上升值β应确定多少合适。(4)研制一套实测压力管道中,各种不同衬砌材料的糙率系数。8应提供的设计成果8.1计算成果(含计算书)(1)水头损失计算成果(含沿程、局部损失)；(2)引用流量计算成果(含各种工况)；(3)调压室水力计算成果(含稳定断面，最高和最低涌波，以及有阻抗孔时的阻抗孔计算)；(4)水轮机调节保证计算成果(含水锤计算)。8.2图表(1)引水系统管道(含压力管道)沿线最高和最低压坡线图；(2)调压室最高和最低涌波曲线图；(3)观测设备布置图及观测设备汇总表。16'