第九章第九章 水电站水力过渡过程水电站水力过渡过程教学要求教学要求：了解水电站水力过渡过程的水力现象和有关基本方程的建立，掌握水 锤和机组转速变化计算的基本方法，熟悉调节保证计算的控制指标和基本措施；掌握 调压室水位波动分析的基本方法。 水电站的引水系统、水轮机及其调速设备、发电机、电力负荷等组成一个大的 动力系统。这个系统有两个稳定状态：静止和恒速运行。当动力系统从一个状态转 移到另一状态，或在恒速运行时受到扰动，系统都会出现非恒定的暂态（过渡）过 程，由此产生一系列工程问题：压力水管（道）的水锤现象、调压室水位波动现象、 机组转速变化和调速系统的稳定等问题。本章主要介绍水电站水力过渡过程的现象 和基本方程。第一节 概述一、水锤一、水锤（一）水锤现象及其传播引水系统是水电站大系统中的子系统，水锤是发生在引水系统中的非恒定流现 象。当水轮发电机组正常运行时，如果负荷突然变化，或开机、停机，引水系统的 压力管道的水流会产生非恒定流现象，般称为水锤。水锤的实质是水体受到扰动， 在管壁的限制下，产生压能与动能相互转换的过程，由于管壁和水体具有弹性，因 此这一转换过程不是瞬间完成的，而是以波的形式在水管中来回传播。 为了便于说明水锤现象，我们首先研究水管材料、管壁厚度、管径沿管长不变， 并且无分叉的水管（一般称为简单管） ，阀门突然关闭时的水锤现象，见图 9-1：管图 91 水锤压力传播过程中水流的初始状态是水压力为，流速为。当阀门突然关闭时，首先在阀门附0H0v近长度为的管段发生水锤现象水体被挤压，水压力上升为，流速lHH0 变为 0，这时管中水体的动能转变为压能。由于管壁膨胀，水体被压缩，在管段 中会产生剩余空间，待后面的水体填满剩余空间后，邻近管段水体又会发生水l体挤压，引起水压力上升，流速变为 0，也产生剩余空间。这样在水管中，从阀门 开始逐段产生水锤现象，水锤波以一定的速度从阀门传向进口（水库） 。当水锤a 到达引水管进口时，这时进口外的水压力为，管内水压力为，在水0HHH0 管进口处造成压力差。在的作用下，水体流向水库，使得水管中的水体压HH 能转变为动能，管中水体的压力从降为，流速变为，这相当于HH00H0v产生一个反射波，反射波以的速度从水管进口向阀门处传播。当反射波到达阀门a 处时，水流离开阀门，在阀门处造成真空，产生负压，使水体压力从变为0H，流速从变为 0，水管中水体的动能转变为压能，即在阀门处产生HH00v负压波，负压波以的速度从阀门传向进口。当负压波到达水管进口时，进口外的a 水压力仍为，管内水压力为，在水管进口处形成压力差。在0HHH0H的作用下，水体流向水管，使水管的压力从升为，流速变为HHH00H，水体压能转变为动能，又产生反射波，反射波以的速度从进口向阀门处传0va播。当反射波到达阀门处时，水管全长水流恢复到初始状态，即水管的压力为，0H流速为。由于阀门仍然关闭，在阀门处又产生水锤波，水锤波将重复以上的传0v播过程。水锤波在水管中的传播经历了四个状态、二个来回，才完成一个周期。我们把 水锤在管中传播一个来回的时间称为一相（phase） ，二相为一个周期（period） 。设管长为，则一相的时间为，一周的时间为。L相TaL2周TaL4（二）水锤波传的播速度水锤波的传播速度是水锤分析计算中的一个重要参数，它与水管的材料、管壁 厚度、管径以及水体的弹性、容重有关。根据水流的连续性定理和动量定理，推导 出水锤波的传播速度的计算公式为：（9-1）KrEgEaww 21/KrEw211435式中 为水体弹性模量，一般取 2.06KPa；wE610为水容重；为管道的抗力系数。对于薄壁钢管，其中为钢管弹性模量K2rEKssE（钢管206Kpa；铸铁管98Kpa） ，为管壁厚度；为管道sE610sE610r半径。水锤波的传播速度的具体计算，应按露天薄壁钢管、坚固岩石中的不衬砌隧洞、 埋藏式钢管或钢筋混凝土衬砌管等类型分别计算，计算公式可参照有关规范或论著。二、调压室水位波动二、调压室水位波动混合式水电站的压力引水道一般比较长，为了减小此类水电站压力引水道的水锤压力，通常在压力引水道靠近厂房的适当位置设置调压室。调压室是一种具有自 由水面和一定体积的井式结构物，底部与压力引水道连接，以破坏压力引水道的封 闭性，如同水库一样能反射水锤波，从而减小水锤压强。调压室将压力引水道分为 两部分，调压室上游部分称为引水道，下游部分称为压力管道见图 9-2。图 92 调压室的水位波动现象当水电站发生过渡过程时，引水系统中的压力管道发生水锤现象，而引水道 调压室系统则会发生水位波动现象。我们分几种情况来讨论引水道调压室系统的 水位波动情况：当水电站以满负荷运行时，假设水库水位为，水轮机引用流量为，引水z0Q道水头损失为，引水道流速为，则调压室水位为。如果电站0wh0vgvhzw22 0 0突然丢弃全部负荷，水轮机引用流量变为 0，此时压力管道发生水锤现象，并在短 时间内停止，压力管道的流量变为 0。由于惯性作用，引水道的流量此时仍为，0Q大量的水量涌进调压室，使调压室的水位不断上升，水库与调压室的水位差在不断 减小，致使引水道的流速逐渐减缓。由于惯性的作用，调压室水位最终将超过水库 水位，从而产生反向水压差，进一步减小引水道流速，直至引水道的流速为 0，这 时调压室到达最高水位。引水道的水体在反向水压的作用下，开始流向水库。由于 调压室内的水体流出，造成调压室水位不断下降，逐渐减小反向水压差，当调压室 水位低于水库水位时，又出现正向水压差，阻止水流向水库流动，减缓流速，最后 引水道流速变为 0，这时调压室水位最低。在正向水压差的作用下，管中水体又流 向水库，迫使调压室水位上升，调压室水位波动又回到初始波动的状态，完成一波 动周期，波动过程将周期性的进行下去。当水电站以某一负荷运行时，突然增加负荷，使水轮机引用流量加大，由于惯 性的作用引水道不能及时补足水轮机所需的水量，这时由调压室补给不足的水量， 引起调压室的水位下降，加大水库与调压室之间的水位差，从而迫使引水道的水流 加速流向调压室。当引水道水流能满足发电需要时，调压室水位到达最低点。这时 由于水流惯性的影响，引水道的水流还将继续加速，流量超过发电所需的流量，因 此多余的水量将涌进调压室，调压室的水位开始回升，逐步减小水库与调压室之间 的水位差，减缓引水道的流速。当调压室的水位超过水库水位，在水库与调压室之间产生反向的水位差，阻止水流流向调压室。当引水道流速变为 0 时，调压室到达 最高水位，在反向压力的作用下，调压室水流开始流向水库，水位也开始回落，直 到低于水库水位，水库与调压室之间的水位差迫使引水道减速，直至停止流向水库， 这时调压室处在最低水位。在水库与调压室之间的水位差的作用下，引水道水流开 始流向调压室，这样调压室的水位回到开始时的状态，也是周期性的波动。理论上引水道调压室系统水位波动是周期性的波动过程，但是由于引水道摩 阻力的存在，引水道调压室系统水位波动过程会慢慢停止下来。调压室水位波动过程与压力管道的水锤现象、机组调速系统的工作是相互联系 的。压力管道的水锤过程变化快，持续时间短，一般仅为几秒。而调压室水位波动 过程相对来说是变化慢、周期长、幅度小，整个过程要经历几十秒到几百秒的时间。 因此，调压室水位波动过程与压力管道的水锤现象相互干扰少，一般可分别研究。三、机组转速变化三、机组转速变化 在恒定工作状态下，水轮发电机组匀速运行，这时水轮机出力与发电机负荷之 间相互平衡。当负荷变化时，水轮机的出力与发电机负荷出现不平衡状态，导致机 组转速的变化。尽管机组通过调速系统的调节，逐渐使水轮机的出力与发电机负荷 重新回到平衡状态，但是机组短时间内出现的转速变化，将影响供电质量和机组正 常运行。特别是在机组丢弃全部负荷时，机组转速升值最大，这时应防止机组的强 度破坏、振动和由此引起的过电压对电气设备的损坏。此外，机组调速系统在调节工作过程中，也存在稳定问题。机组调速系统的稳 定问题与压力管道的水锤、调压室的水位波动都有关，也是水电站动力系统中的过 渡问题之一。这个问题可参考有关的教材和专著，本教材将不涉及此问题。四、研究有压引水系统水力过渡过程的目的四、研究有压引水系统水力过渡过程的目的水电站动力系统包括水、机、电各方面，系统的过渡过程在前面已作简单的介 绍。在水利工程中主要涉及到的是引水系统部分的水力过渡过程：水锤、调压室的 水位波动和机组转速变化等问题，其中水锤和机组转速变化的问题是相互关联的。 它们都与调速器动作的快慢有关，换一句话来说，与导水机构总关闭时间有关。sT一方面要求选用较大的，以便控制水锤压强，减小引水管道的基建投资；另一sT方面要求选用较小的，防止机组过速，影响供电质量和机组正常运行。实际工sT程中是通过调节保证计算来协调的取值。因此，研究有压引水系统水力过渡过sT程的目的有两个：一是通过调节保证计算，其中包含水锤计算和机组转速变化计算， 选择合理的，并提供压力水管设计所需的水锤动水压强值；二是通过计算调压sT室水位波动的幅度，为调压室结构设计提供依据。同时，通过稳定分析，掌握调压 室水位波动稳定性机理，提出波动稳定的判据，据此来制定相应的工程措施。五、调节保证计算的标准和条件五、调节保证计算的标准和条件调节保证计算就是通过水锤计算和机组转速变化计算来确定调速器总关闭时间 ，使得引水建筑物和机组设备在技术经济上最为合理。工程上，衡量引水建筑sT物和机组设备在技术经济上的合理性，是通过规范规定压力管道水锤相对值和机组 转速变化相对值的允许范围允许值来判断。这是在一定的时期，一定的技术条件和经济条件下制定的，随着技术经济的发展将不断加以修订。 1、水锤压力的计算标准 （1）压力升高规范采用相对压力升高值作为限制值指标，即，其中00HHH 分别为水锤作用水头和静水头。根据规范规定，最大相对压力升高值，0HH、max应不超过下列数值：当100m 时，0.150.30Hmax当40100m 时，0.30.50Hmax当1.5 时，一般为末相水锤；0当 1.01.5 时，介于两者之间。0简单水管水锤压强计算公式见表 91。表 9-1 简单管（阀门断面）水锤压强计算公式汇总表 阀门关闭时阀门开启时 开度开度水 锤 类 型起 始终 了计算公式近似公式起 始终 了计算公式近似公式0t210ttt 120 01210ttt 12000020200210t1120直 接 水 锤 10220121t1200422m22m01422 m22m0211 011A A011201211 011A A0112间 接 水 锤 12111 11A A12101211 11A A121（三）复杂管道的水锤计算解析法前面着重讨论了简单水管的水锤计算问题，由于简单水管的直径、材料和管壁 厚度不随管长度变化，同时也没有分叉管，所以其水锤计算条件比较简单，能够用 解析方法进行分析计算。但是，工程实际情况就复杂得多，主要有二种：（1）水管的管壁厚度、直径和材料等任何一项沿管长发生变化，这种复杂管 称为串联管。常见的串联管是管壁厚度沿管段变化，因为不同管段水管所受的内水 压力不同，一般在设计中，分段确定管壁厚度，因此，各段管壁厚度是不同的。（2）水电站采用联合供水或分组供水时，一根总管要向数根支管供水，在总 管末端需设分岔管，这