水击和调节保证计算
水电站的水锤与调节保证计算
水管进口
L 压
力 管
水轮机 Hg 主阀
道
水锤前稳定工况（恒定流）：
平均流速: V 0
电站静水头: H g
管内水压力： P 0
讨论阀门关闭时的水锤
第一节 水锤现象及传播速度
Hg
Hg
二、水锤及其传播过程 ❖ 0~L/a: 升压波
由阀门向水库传播，水库为异号 等值反射。（惯性） ❖ L/a~2L/a: 降压波 由水库向阀门传播，阀门为同号 等值反射。（压差） ❖ 2L/a~3L/a: 降压波 阀门→水库。 （惯性） ❖ 3L/a~4L/a: 升压波 ❖ 水库→阀门。（压差）
❖ 应满足的前提条件：水管的材料、管壁厚度、直径 沿管长不变。
❖ 水击连锁方程用相对值来表示为：
tAtD t2(vtAvtD t)
tD tA t 2(v tD v tA t)
二、水锤的连锁方程
D
Lat
❖ 若已知断面A在时刻 t 的压力为HtA，流速为VtA ，两个通 解消去 f 后，得：
H tAH gc g(V tAV 0)2F(ta x)
❖ 同理可写出时刻Δt=L/a后D点的压力和流速的关系：
H tD t H g c g (V tD t V 0 ) 2 F (t tx aL )
D0 —管 道 内 径m， E —管 道 的 材 料 弹 性 （材不料同， 取 值 不 同 ） t —管 壁 厚 度m，
四、研究水锤的目的
(一) 水锤的危害 (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→尾水管空蚀，水轮机运行
时产生振动；出现严重的抬机现象 (3) 压强波动→机组运行稳定性和供电质量下降。 (二) 调节保证计算的目的
水锤和机组转速变化的计算，一般称为调节保证 计算。
水击及调节保证.
传至D点，全管压力比水库水位低ΔH，水库水
体流向管中。在随后的dt1时段内，首先紧靠水
由H0-ΔH 升至H0，水体密度增大，管径增大。 同理，经过各时间段在各管段将发生同样的变 化，升压波向下游传播。直到t=4L/a时刻，整
库的管段发生变化，流速由0变为v0，压强升高，
个管道流速、压强、密度、管径恢复到初始状
水击波在水库处发生反射，入射波与反射波数 值相同，符号相反，升压波反射为降压波，水 流从阀门流向水库。
水电站
HYDROPOWER ENGINEERING
第三过程（
2L/a～3L/a）：t=2L/a时刻水击
波传至阀门处，阀门关闭，流速由-v0变为0，
压强下降，由H0 降至H0-ΔH，水体密度减小，
水击波速，增加的压强为水击压强。该过程发生的
为升压波，动能转化为弹性
HYDROPOWER ENGINEERING
第二过程（L/a～2L/a）：t=L/a时刻水击波传至D点，
其左边为水库，压强保持不变，其右边管道内水压强比 水库高ΔH，管中水体流向水库。在随后的dt1时段内， 首先紧靠水库的管段发生变化，流速由0变为-v0，压强 下降，由H0+ΔH 降至H0，水体密度减小，管径减小， 补给了流向水库的水体，一直延续到该时段末。同理， 经过各时间段在各管段将发生同样的变化，压强降低如 同“波”一样向下游传播，该过程发生的为降压波，弹 性能转化为动能。直到t=2L/a时刻，整个管道流速、压 强、密度、管径恢复到初始数值，但流速方向反向。
水击过程（图9-1与表9-1）
第一过程（0～L/a）：t=0时刻阀门突然关闭的dt1时
段内，紧靠阀门处管段dX1首先发生变化，流速由v0 变为0，压强上升，由H0增至H0+ΔH，水体压缩，密 度增加，管子膨胀，腾出空间容纳该管段以上管段仍 以V0流速流来的水体，一直延续到dt1时段末。同理， 经过各时间段在各管段将发生同样的变化，压强增加 如同“波”一样向上游传播，为水击波，传播速度为
调节保证计算
第二章 调节保证计算第一节 调节保证计算的任务和标准一、调节保证计算的目的和意义在电站的运行中，常会遇到各种事故，机组突然与系统解列，把负荷甩掉。
在甩负荷时，导叶迅速关闭，水轮机的流量急剧变化，因此在水轮机的引水系统中产生水击，特别是甩（增）全负荷时产生的最大压力上升（最大压力下降），对压力管道系统的强度影响最大。
工程实践中曾发生过因甩负荷致使压力上升太高，从而导致压力钢管爆破的灾难事故；同时因为机组负荷全部丢失，如果不及时地采取措施，可导致转速上升过高，也会影响机组的强度、寿命，并引起机组的振动。
为了避免以上事故的发生，在设计阶段应该计算出上述过渡过程中最大转速上升和最大压力上升值，以保证电站的安全可靠运行。
在电站初步选定压力引水系统的布置、尺寸和机组型号后，通过调节保证计算，正确合理地选择导叶关闭的时间，使最大压力上升和最大转速上升都在允许的范围内。
二、调节保证计算的标准机组在甩负荷过程中转速上升率为max 0n n n β-=。
一般情况下，最大转速上升率max 55%β≤。
对于大型电站max 45%β≤，对于冲击式机组max 35%β≤。
当机组甩全负荷时，有压过水系系统允许的最大压力上升率见下表。
尾水管的真空值不大于O mH 29~8。
机组甩负荷时有压过水系统允许的最大压力上升率见表6-1：表6-1 机组甩负荷时有压过水系统允许的最大压力上升率该电站设计水头为76m ，且在系统中承担调峰调频任务，故ξ30%<。
三、本水电站基本参数电站形式：坝后式水头：m H m H r 76,95max == 水轮机型号：HLD74—LJ —450 水轮机额定出力：151300KW 机组额定转速：166.7r/min 机组转动惯量：19383.58t ·㎡ 吸出高度：H S =-3.15m发电机型号：SF151.3-36/948.42 发电机容量：172914KVA 压力波速:ａ=1000m ／s 引水钢管长:186m 机组台数：4台第二节 调节保证主要参数计算一、计算压力引水管的Ti Ti L V ∑机组段长度的确定：确定机组段长度，是确定两台机组间的安装距离。
第九章水击
三、水击特性
(1)水锤压力实际上是由于水流速度变化而产生的惯性力。 (1)水锤压力实际上是由于水流速度变化而产生的惯性力。 水锤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， 当突然启闭阀门时，由于启闭时间短、流量变化快，因而水锤压力往往 较大，而且整个变化过程是较快的。 较大，而且整个变化过程是较快的。
（9-6） （9-7）
（9-4） （9-5）
Eh ) Kf = ( 2 1 − µ c r1
100 K 0 Kr = r2
钢衬抗力系数， 式中 KS ——钢衬抗力系数，按式（9-2）计算， 钢衬抗力系数 按式（ ）计算， r=r1，为回填混凝土内半径，m； ，为回填混凝土内半径， ； Kh为回填混凝土抗力系数；Kf为环向钢筋抗力 为回填混凝土抗力系数； 系数； 为围岩单位抗力系数； 系数；Kr为围岩单位抗力系数；K0为岩石单位抗力 系数。 为隧洞开挖直径， 为混凝土泊松比； 系数。r2为隧洞开挖直径，m; µc为混凝土泊松比； 其他符号意义同前。 其他符号意义同前。
（9-1） ） 2 E w 1 + kr ——水的体积弹性模量。在一般压力和温度下， =2.06×106KPa 水的体积弹性模量。 水的体积弹性模量 在一般压力和温度下， w × E
a =
式中
Ew
水体密度， 水体密度 大小与温度有关，温度越高，密度越小， ρ W ——水体密度，大小与温度有关，温度越高，密度越小，一般 ρ W=1000Kg/m3 为声波在水中的传播速度， 为声波在水中的传播速度 一般为1435m/s; Ewρw ——为声波在水中的传播速度，一般为 压力管道半径， 压力管道半径 r ——压力管道半径，m; K——压力管壁抗力系数，不同材料管道，各取不同数值。 压力管壁抗力系数，不同材料管道，各取不同数值。 压力管壁抗力系数
水电站调节保证计算
第九章水电站的水锤与调节保证计算第一节概述一、水电站的不稳定工况机组在稳定运行时，水轮机的出力与负荷相互平衡，这时机组转速不变，水电站有压引水系统(压力隧洞、压力管道、蜗壳及尾水管)中水流处于恒定流状态。
在实际运行过程中，电力系统的负荷有时会发生突然变化(如因事故突然丢弃负荷，或在较短的时间内启动机组或增加负荷)，破坏了水轮机与发电机负荷之间的平衡，机组转速就会发生变化。
此时水电站的自动调速器迅速调节导叶开度，改变水轮机的引用流量，使水轮机的出力与发电机负荷达到新的平衡，机组转速恢复到原来的额定转速。
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由于发电机负荷的变化是瞬时发生的，而导叶的启闭需要一定时间，水轮机出力不能及时地发生相应变化，因而破坏了水轮机出力和发电机负荷之间的平衡，导致了机组转速的变化。
丢弃负荷时，水轮机在导叶关闭过程中产生的剩余能量将转化为机组转动部分的动能，从而使机组转速升高。
反之增加负荷时机组转速降低。
(2) 在有压引水管道中发生“水锤”现象当水轮机流量发生变化时，管道中的流量和流速也要发生急剧变化，由于水流惯性的影响，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，即产生水锤。
导叶关闭时，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。
反之导叶开启时，在压力管道和蜗壳内引起压力下降，而在尾水管中引起压力上升。
(3) 在无压引水系统(渠道、压力前池)中产生水位波动现象。
无压引水系统中产生的水位波动计算在第八章已介绍。
二、调节保证计算的任务水锤压力和机组转速变化的计算，一般称为调节保证计算。
调节保证计算的任务及目的是：(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之一；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。
第九章 水电站的水锤与调节保证计算
水电站事故引起的负荷变化。水电站可能会各种各 样的事故，可能要求水电站丢弃全部或部分负荷。 这是水电站水锤计算的控制条件。
(二)水电站的不稳定工况表现形式
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“水锤”现象
F 1 r f 1
根据水锤常数和任意时刻的开度，可利用上式确定 阀门在任意时刻的反射系数。 当阀门完全关闭时,τ=0，r=1，阀门处发生同号等值 反射。
上式对反击式水轮机是近似的。
3、水锤波在管径变化处的反射
根据水锤波的基本方 程，推导出管径变化 处的反射系数为：
到阀门之前开度变化已经结束，阀门处只受开
度变化直接引起的水锤波的影响——称为直接
水锤
计算直接水锤压力的公式： c
H H H 0 Biblioteka g(V V0 )
c H H H 0 (V V0 ) g
(1) 当阀门关闭时，管内流速减小，V-V0<0为负值，
△H为正，产生正水锤；反之当开启阀门时，即
A t
同理可写出时刻Δt=L/c后B点的压力和流速的关系：
H
B t t
c B xL H 0 (Vt t V0 ) 2 F (t t ) g c
由于F[(t+Δt)-(x+L)/c]=F[t-x/c]，由上述二式得
H
同理：
B t t
c B H Vt t Vt A g
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。
3.在无压引水系统中产生水位波动现象。
水电站的水击及调节保证计算
第四章水电站的水击及调节保证计算本章重点内容：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、单管水击简化计算、复杂管路的水击解析计算及适用条件、机组转速变化的计算方法和改善调节保证的措施。
第一节概述一、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。
(3) 在无压引水系统(渠道、压力前池)中产生水位波动现象。
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) 调节保证计算水击和机组转速变化的计算，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。
(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。
第二节水击现象及其传播速度1、一、水击现象1．定义在水电站运行过程中，为了适应负荷变化或由于事故原因，而突然启闭水轮机导叶时，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。
第九章-水电站的水锤及调节保证计算
第九章水电站的水锤及调节保证计算本章重点内容：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、单管水锤简化计算、复杂管路的水锤解析计算及适用条件、机组转速变化的计算方法和改善调节保证的措施。
第一节概述一、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“水锤”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→“水锤”。
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。
(3) 在无压引水系统(渠道、压力前池)中产生水位波动现象。
二、调节保证计算的任务(一) 水锤的危害(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) 调节保证计算水锤和机组转速变化的计算，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。
(4) 研究减小水锤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、水锤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，使水锤压力和转速上升值均在经济合理的允许范围内。
第二节 水锤现象及其传播速度一、 水锤现象1．定义在水电站运行过程中，为了适应负荷变化或由于事故原因，而突然启闭水轮机导叶时，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，这种现象称为水锤。
调保计算
1摘要通过水轮机调节课程的学习，明确调保计算的任务，就是电站在运行过程中，常会由于各种事故，机组突然与系统解列，从而造成甩负荷。
在甩负荷时，由于导叶迅速关闭，水轮机的流量会急剧变化，因此在水轮机过水系统内会产生水击，调节保证计算就是在初步选定设计阶段计算出上述过程中最大的转速上升max及最大的压力上升值ζmaxc。
调节保证计算一般应对两个工况进行，即计算额定水头和最大水头下甩全负荷的压力上升和转速上升，并取其大者。
最终选定一个T，作为该电站的导叶关闭时间。
合理的fThrough turbine regulating course of study, clear the computing task, is the power station in the process of running, often due to accidents, suddenly and system solution, resulting in load rejection. During load rejection, because the guide vane quickly closed, turbine flow will change sharply, so the turbine will generate water hammer for water system, adjusting guarantee calculation is in preliminary design phase to calculate the above selected maximum speed rises and the maximum stress in the process of appreciation. Regulation guarantee calculation generally deal with the two conditions, namely the full load shedding is calculated under rated head and the maximum water head of pressure riseT, as the and speed up, and take its head. Finally selected a reasonablefguide vane closing time of the hydropower station.关键词:水轮机调节调节保证计算甩负荷转速上升压力上升2引言由于很多水电站的导叶关闭时间和关闭方式存在一些不合理，导致压力钢管爆破的灾难性事故。
水电站水锤与调节保证计算要求与方法
二、水锤的连锁方程
D
Lat
❖ 若已知断面A在时刻 t 的压力为HtA，流速为VtA ，两个通 解消去 f 后，得：
H tAH gc g(V tAV 0)2F(ta x)
❖ 同理可写出时刻Δt=L/a后D点的压力和流速的关系：
H tD t H g c g (V tD t V 0 ) 2 F (t tx aL )
H CIH CI,Q I CIQ CII
5．分岔点B
H B 1 H B 2 H B ,Q IB I Q B 1 Q B 2
水电站的水锤与调节保证计算要求和方法
三、 基本假设
1、水轮机导叶（或喷嘴）的出流符合下述条件
qtA vtA t
1A,反 击 式 水 轮 机 为 近 似 t
2、在Ts时段内，导叶（或喷嘴）的开度变化与开
1EwD0 900~120m0/s(钢筋混凝土管） Et
Ew —水 体 的 弹 性 模 量2，.06为103 MPa
w —水 体 的 密 度 ，10为00kg/ m3
D0 —管 道 内 径m， E —管 道 的 材 料 弹 性 （材不料同， 取 值 不 同 ）
t —管 壁 厚 度m，
水电站的水锤与调节保证计算要求和方法
aபைடு நூலகம்
逆行波
a
顺行波
a
逆行波
a
顺行波
Hg
Hg
水电站的水锤与调节保证计算要求和方法
水锤特性
① 水锤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Ts短、 流量变化快，因而水锤压力往往较大，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，水锤压力 将以弹性波的形式沿管道多次来回传播。摩擦 阻力的存在造成能量损耗，水锤波将逐渐衰减。
调节保证计算名词解释
调节保证计算名词解释
嘿，你知道什么是调节保证计算吗？这可太重要啦！就好比你要去一个陌生的地方，你得先搞清楚路线吧，不然可就容易迷路啦！调节保证计算啊，简单来说，就是在水力发电系统中，为了让水轮机等设备能稳定、安全地运行，而进行的一系列复杂又关键的计算。
比如说吧，当水电站突然甩负荷的时候，就像你正跑着呢，突然有人拉了你一下，那水流的变化可大了去了！这时候就需要通过调节保证计算来确定怎么控制水流，怎么保证设备不被损坏。
再想想，这就好像一场精彩的赛车比赛，车手要根据赛道情况随时调整速度和方向，而调节保证计算就是那个帮助车手做出最佳决策的“导航仪”！如果没有它，那可就乱套啦，设备可能会出故障，甚至引发大问题呢！
在实际操作中，工程师们会运用各种公式和方法来进行调节保证计算。
他们就像一群聪明的侦探，通过仔细分析各种数据和情况，找到最合适的解决方案。
“哎呀，这里的数据好像有点问题啊，得重新算一遍！”他们会这样嘀咕着，然后认真地重新计算。
而且啊，这可不是一次就能搞定的事儿，要反复地验证和调整。
“嗯，这次好像差不多了，但再检查检查吧，可不能马虎！”就像你精心准备一场重要的考试，得反复复习，确保万无一失。
总之，调节保证计算是水力发电领域中至关重要的一环，没有它，整个系统都可能没法正常运转。
所以啊，可千万别小看了它！它就像一个默默守护的卫士，保障着水电站的安全和稳定运行！这就是调节保证计算，你明白了吗？。
调节保证计算案例
调节保证计算案例一、调节保证计算的任务和计算标准1、调保计算的任务电站在运行过程中，常会由于各种事故，机组突然与系统解列，从而造成甩负荷。
在甩负荷时，由于导叶迅速关闭，水轮机的流量会急剧变化，因此在水轮机过水系统内会产生水击，调节保证计算就是在初步设计阶段计算出上述过程中最大的转速上升及最大的压力上升值。
调节保证计算一般应对两个工况进行，即计算设计水头和最大水头甩全负荷的压力上升和速率上升，并取其大者。
2、调节计算的标准：1)压力变化计算标准：机组甩全负荷时蜗壳允许的最大压力升高 E max，一般发生在最大水头下当H r =40 -100时，max E50-30%,设置调压阀时E max< 0.2H max=16.13%尾水管的真空度应小于8~9m输水管道内不允许出现任何负压2、转速变化计算标准当机组容量占电力系统运行总容量的比重大且担任调峰调频时，B max<45%B max为机组甩全部负荷时的转速升高的允许值，一般发生在设计水头下。
3、已知计算参数装机容量：2x 20000KW电站型式：坝后式，压力钢管为一根总管为2台机组引水水头参数：H max=80.66m, Hr=69.2m, H mi n=60.65m,Hp=72.11m水轮机参数：HL260/D74-LJ-180, n r=375r/mi n, Qr=33.58m3/sNr=20833.3KW, n =0.913尾水管参数：进口直径D3=1.88m，出口直径D4=2.43mGD2 = K2D i3.5l t =5.2 2.8833.5 1.608 = 340.21(t m3)上式中:D i----定子铁芯内径(m)l t----定子铁芯长度(m)K 2—经验系数，查［7］164 页表 3-10, 100W n W 375取 K 2=5.2、调节保证计算7.2.1设计水头下甩全负荷的计算、水锤压力传播速度压力输水系统发生水锤时，水锤压力波以速度a 沿管道传播.由于该电站引水系统、各部分刀LV 的计算1、引水管段 分叉管前2Qr 33.60 2= 3.422(m/s)L T1V T1 =226.41 3.422 =774.81( m 2/s)渐变段V J 坐§ J (吟.輕2 .二R 二r 2 - 2.52二 1.4'、L T2V T 2 =37.94 4.44 = 168.424(m 2/s)渐变段出口至蝶阀L T3V T3 =25.235 5.456 = 137.69(m 2/s)蝶阀后渐变段V J 经 Q J(^0_2 ■ R - r 2 二1.422 ~ 2二r 二 2.5分叉管前为混凝土, 分叉管后为金属里衬 查参［水力机械］173页 薄壁钢管取a=980m/s 混凝土取a =1000m/s。
第八章水电站的水击与调节保证计算.
A v ，流速为 t1
，该水击波在t2时刻传到B 。将此情况代入式（8-
点时该处压强水头 H tB 2 10），整理后得：
A t1 B t2
，流速 vB
t2
a A H H (Vt1 Vt2B ) g
(8-12)
同理，对于顺行波可得：
A B A a （8-13） HtB H ( V V t4 t3 t4 ) g 3
水击的类型。值得注意
的是：应用简化公式计 算出的ξ值必须小于0.5，
否则不能采用简化公式
计算。
四、复杂管道水击计算简化方法 实际工程中经常遇到的是复杂管路系统。复杂管路可分 为串联管、分岔管和考虑蜗壳和尾水管影响的管道系统三
种类型。
串联管
分岔管
（一）串联管水击计算的简化方法 在实际工程中常用“等价水管法”简化计算串联管。 是设想用一根等价的简单管来代替串联管，该等价简单管 在管长、管中水体动能及水击波传播时间等方面与被代替 的原串联管相同。 （1）等价管的总长与原串联管相同
二、水击波的传播速度 水击波的传播是水击现象的主要特征，水 击波速是水击研究的重要参数，其大小主要与 压力水管的直径D，管壁厚度，管壁（或衬砌） 材料的弹性模量和水的体积弹性模量等因素有 关。根据水流连续性原理和动量定律，并计及 水体的压缩性与管壁的弹性，可得水击波传播 速度为：
计算水击波速度时，对于不同的管材K值是不同的 明钢管：
水击计算的两个假定：
（1）水轮机导叶（或喷嘴）的出流条件符合孔口出 流。这一假定对冲击式水轮机是适合的，对反击式水 轮机是近似的。 （2）在TS时段内导叶（或喷嘴）的开度变化与启闭
时间成直线关系。
关闭时：
t t 0 TS
第九章 水锤及调节保证计算的解析方法
τn
ynA A A 1 − y n = τ 0 + ∑ yi + ρ 1 2ρ 1
n −1
二、开度依直线规律变化的水锤 (一)水锤类型 间接水锤 一 水锤类型 间接水锤) 水锤类型(间接水锤 求解水锤压力的最大值的方法： 求解水锤压力的最大值的方法：在开度依直线 规律变化情况下， 简化方法直接求出 求出。 规律变化情况下，用简化方法直接求出。 开度依直线规律变化：阀门 导叶 导叶)开度大小的 开度依直线规律变化：阀门(导叶 开度大小的 变化与调节时间之间的关线为线性关系，即匀速的。 变化与调节时间之间的关线为线性关系，即匀速的。 τ 1
由式9-10可以看出，第n相末水锤压力不仅与 可以看出， 由式 可以看出 相 有关， 该相末阀门的相对开度τn有关，而且与以前各相末 的水锤压力的总和有关。 的水锤压力的总和有关。
a
0
D0
a
0max
导叶的开度
3、计算公式推导的条件 、 (1) 没有考虑管道摩阻的影响，因此只适用于 没有考虑管道摩阻的影响， 不计摩阻的情况； 不计摩阻的情况； (2) 采用了孔口出流的过流特性，只适用于冲 采用了孔口出流的过流特性， 击式水轮机， 击式水轮机，对反击式水轮机一般应乘以
ξ >ξ
A m
A 1
①常发生在管道较短 的低水头水电站。 的低水头水电站。
②末相水锤压力的计 算式为式 算式为式9-12。 。
ξ =
A m
σ
(σ ± 2
σ +4
2
)
LVmax σ =± 管道特性系数， close+, open−) ( gH 0Ts
从式9-12可见，末相水锤只是σ的函数，而与阀 可见，末相水锤只是 的函数 的函数， 从式 可见 门的τ 和波速a(即管壁的弹性和水的压缩性 无关。 即管壁的弹性和水的压缩性)无关 门的 0和波速 即管壁的弹性和水的压缩性 无关。
调节保证计算
第二章 调节保证计算第一节 调节保证计算的任务和标准一、调节保证计算的目的和意义在电站的运行中，常会遇到各种事故，机组突然与系统解列，把负荷甩掉。
在甩负荷时，导叶迅速关闭，水轮机的流量急剧变化，因此在水轮机的引水系统中产生水击，特别是甩（增）全负荷时产生的最大压力上升（最大压力下降），对压力管道系统的强度影响最大。
工程实践中曾发生过因甩负荷致使压力上升太高，从而导致压力钢管爆破的灾难事故；同时因为机组负荷全部丢失，如果不及时地采取措施，可导致转速上升过高，也会影响机组的强度、寿命，并引起机组的振动。
为了避免以上事故的发生，在设计阶段应该计算出上述过渡过程中最大转速上升和最大压力上升值，以保证电站的安全可靠运行。
在电站初步选定压力引水系统的布置、尺寸和机组型号后，通过调节保证计算，正确合理地选择导叶关闭的时间，使最大压力上升和最大转速上升都在允许的范围内。
二、调节保证计算的标准机组在甩负荷过程中转速上升率为max 0n n n β-=。
一般情况下，最大转速上升率max 55%β≤。
对于大型电站max 45%β≤，对于冲击式机组max 35%β≤。
当机组甩全负荷时，有压过水系系统允许的最大压力上升率见下表。
尾水管的真空值不大于O mH 29~8。
机组甩负荷时有压过水系统允许的最大压力上升率见表6-1：表6-1 机组甩负荷时有压过水系统允许的最大压力上升率该电站设计水头为76m ，且在系统中承担调峰调频任务，故ξ30%<。
三、本水电站基本参数电站形式：坝后式水头：m H m H r 76,95max == 水轮机型号：HLD74—LJ —450 水轮机额定出力：151300KW 机组额定转速：166.7r/min 机组转动惯量：19383.58t ·㎡ 吸出高度：H S =-3.15m发电机型号：SF151.3-36/948.42 发电机容量：172914KVA 压力波速:ａ=1000m ／s 引水钢管长:186m 机组台数：4台第二节 调节保证主要参数计算一、计算压力引水管的Ti Ti L V ∑机组段长度的确定：确定机组段长度，是确定两台机组间的安装距离。
水击及调保计算
水电站
HYDROPOWER ENGINEERING
水击特性
为揭示水击物理本质和说明水击过程，不妨以
简单管（管壁材料、管壁厚度及管径沿管长不 变）中的水击现象为例。该简单管上游端连接 水库（可认为水位基本不变），下游端连接阀 门。不计摩阻损失，并设简单管为弹性体，管 中水体可压缩。
水电站
HYDROPOWER ENGINEERING
管径减小。这样的过程经过各时间段在各管 段将发生同样的变化，降压波向上游传播， 直到t=3L/a时刻，整个管道流速为0、压强为 H0-ΔH ，密度及管径缩小。水击波在全关阀
门处的反射特点是：同号等值反射，降压波
反射为降压波，水流从阀门流向水库。
水电站
HYDROPOWER ENGINEERING
第四过程（3L/a～4L/a）：t=3L/a时刻水击波
水击波在水库处发生反射，入射波与反射波数 值相同，符号相反，升压波反射为降压波，水 流从阀门流向水库。
水电站
HYDROPOWER ENGINEERING
第三过程（
2L/a～3L/a）：t=2L/a时刻水击
波传至阀门处，阀门关闭，流速由-v0变为0，
压强下降，由H0 降至H0-ΔH，水体密度减小，
第二章 水击及调节保证
一、概述 水电站水力—机械过渡过程特点
机组稳定运行时，水轮机出力与负荷平衡，机组转速
不变，水电站有压输水系统（压力隧洞、压力管道、 蜗壳及尾水管）中水流处于恒定流状态。
机组实际运行时，电力系统负荷常发生较大范围的变
化，水轮机出力与负荷失去平衡，转速发生变化，而 电网频率要求基本保持恒定，则可通过调速器改变水 轮机流量，使水轮机出力适应负荷变化，来满足电网 频率恒定要求。
水电站的水击及调节保证计算
第四章水电站的水击及调节保证计算本章重点内容：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、单管水击简化计算、复杂管路的水击解析计算及适用条件、机组转速变化的计算方法和改善调节保证的措施。
第一节第一节概述一、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。
(3) 在无压引水系统(渠道、压力前池)中产生水位波动现象。
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) 调节保证计算水击和机组转速变化的计算，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。
(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。
第二节 第二节 水击现象及其传播速度一、 一、 水击现象1．定义在水电站运行过程中，为了适应负荷变化或由于事故原因，而突然启闭水轮机导叶时，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。
水电站的水击3
3．设置水阻器（水电阻）：丢荷使用水电
阻代替原有负荷，只适用于中小型电站，
增荷及母线短路情况不适用。
（四）采取合理的调节规律
Ts A dt • 合理的调节程序使最大水击压强接近平均值 0 Ts
• 中低水头电站: 最大水击压强通常出现在调节过程终了，导叶先 快后慢；
• 丢弃负荷 β
• 式中 n0 ,n m a x ,n m i n分别为机组的额定转速，最高转速和最低转速
• β的允许值可根据有关规程选择:
• 在丢100%负荷时允许βmax达到60%
• 丢弃负荷时转速的变化率一般控制在计算水头时丢弃满负荷情况， 此时机组的功率最大，丢弃负荷引起的转速上升一般也最大。
• 高水头电站: 最大水击压强通常出现在调节开始阶段，导叶先慢
后快。
• 1）转速的最大升高值
• 2）压力水管和蜗壳内的最大压力升高值 • 3）压力水管和尾水管内的最大压力降低值 2．增加全部负荷或部分负荷时 • 1）转速的最大降低值 • 2）压力水管的最大压力降低值
• 转速变化β的表达式：
n m a x n0 n0 n nmin β 0 • 增加负荷 n0
Tc
Tn
• •
n np / n0
182 N 0Ts fc 2 GD 2 n0
,f
(1 m )
1.5
,c
1 1 /( n 1)
,
182 N 0Ts 2 n0 GD 2
——飞逸转速与正常转速之比
第八节
水击计算条件的选择，减小水击压强的措施
一、水击计算条件的选择 • • 水击计算的目的：推求管道中的最高和最低内水压强。 管内压强 = 静水压强（由电站上下游水位）+ 动水压强（水击 压强，取决于初始水头，△Q等） • 管道中最高压强一般控制在以下两种情况：
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g H V x t
H a2 V t g x
上述基本方程的通解：
ΔH=H-H0=F(t-x/c)+f(t+x/c) ΔV=V-V0=-g/c[F(t-x/c)-f(t+x/c)] 注：F和f为两个波函数，量纲与水头H相同，故可 视为压力波。波函数由管道上下游边界条件求的。 F(t-x/c)为逆水流方向移动的压力波，称为逆流波； f(t+x/c)为顺水流方向移动的压力波，称为顺流波。 任何断面任何时刻的水锤压力值等于两个方向相反 的压力波之和；而流速值为两个压力波之差再乘以 －g/c。
L/a~2L/a: 降压波，由水 库向阀门传播，阀门为同 号等值反射。
2L/a~3L/a: 降压波，阀门 →水库
3L/a~4L/a: 升压波，水库 →阀门
水击过程运动特征（TS=0)
时段
速度变化 运动方向 压强变化 波传播方 液体状态
t
v
△H
向
【0，L/a)
v0→0
D→A
△H
A →D
压缩
【L/a,2L/a) 0→- v0
5.1.2 调节保证计算的任务
水轮机调节
为适应负荷变化，导叶应改变开度以调节流量。关闭和开启导叶会 引起：1.压力管道中流速的变化，压力的波动。周期性波动的压力作 用于管道称为水击。导叶关闭的时间越短，产生的水击压力越大。大 的水击压力不仅会增大管道的投资，严重时还可造成管道的破坏；2. 导叶关闭的时间短却有利于尽快消除机组的不稳定状态，以保证转速 及时回归到额定转速，从而保证发电质量。
2.在无压引水系统(渠道、压力前池）中产生水位波动现象。
3.在有压引水管道中发生“水锤”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→“水锤”。
导叶关闭时，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。
❖水电站事故引起的负荷变化。水电站可能会各种各 样的事故，可能要求水电站丢弃全部或部分负荷。 这是水电站水锤计算的控制条件。
几个概念
瞬变现象 由于电能通常不能以其本身的方式大量储存，
所以电能的生产、分配和消费必须在同一时间内 进行，即从发电到用电形成一个均衡的系统。一 旦系统的均衡性被破坏，从而引起物理量的急剧 变化（瞬变现象），通过系统调整，系统再达到 新的均衡状态。整个系统调整达到新均衡态的过 程叫过渡过程。
由于管壁具有弹性和水体的压缩性，水锤压力 将以弹性波的形式沿管道传播。摩擦阻力的存 在造成能量损耗，水锤波将逐渐衰减。
水锤特性
水锤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。
注：水锤波在管中传播一个来回的时间tr=2L/c， 称之为“相”，两个相为一个周期2tr=T。
阀门A处最先产生水击波，反射波又最后到达该 处，其保持最大压力时间最长，故该处受水击危 害也最大。
5.3 水锤基本方程和边界条件
一. 水击基本方程 1.水击计算的假定： 水流是无粘性流体，即不考虑水的摩擦力。 水流是一元流。 压力管道是简单管道。即管道的材料、壁厚和直径均
沿程不变。
2.水击基本方程 如图，当x轴改为取阀门端为原点，向上游为正
3. 水击波的传播速度
水击波的传播速度
a a0 1 K D
E
其中： a0是声波在水中的传播速度。a0＝1435m / s.
是管壁厚度(m);
D是管道直径(m); K是水的体积弹性系数。K=19.6108N / m2; E是管壁材料的弹性系数。 对铸铁管，E=9.81010 N / m2; 对钢管，E=19.61010 N / m2; 对钢筋混凝土管，E=19.6109N / m2。
综上，水击压力的变化和转速变化对水轮机调节的要求是矛盾的。
调节保证计算的概念
为检验调节过程中机组转速变化及水压力变化是否满足要求的计 算叫调节保证计算。
5.1 调节保证计算的任务
调节保证计算的任务
根据水电站压力引水系统和水轮发电机的特性，合理选 择调速器的调节时间和调节规律，进行水击压力和机组转速 变化值的计算，使二者均在允许范围内。
❖稳定工况：当负荷不变，流量不变，水电站的出力 也不变的工作状态。这时，转速为额定转速，发电 频率为50HZ。
❖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。
引起水轮机流量变化的两种情况
❖水电站正常运行情况下的负荷变化。担任峰荷或调 频任务的电站，水轮机的流量处于不断变化中；正 常的开机或停机。
第五章 水击和调节保证计算
5.1 调节保证计算的任务 5.2 水击现象 5.3 水击的基本方程与边界条件 5.4 简单管道水击计算 5.5 复杂管道水击计算 5.6 水击压力计算标准 5.7 机组转速变化计算 5.8 水击的危害及改善调节保证的措施
5.1 调节保证计算的任务
5.1.1问题的提出 水电站运行工况
A→D
0
D→A
恢复原状
【2L/a,3L/a) -v0→0
A→D
- △H
A →D
膨胀
【3L/a,4L/a) 0 → v0
D→A
0
D→A
恢复原状
5.2.2 水锤特性
水锤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，因而水锤压力往往较大，而且整 个变化过程是较快的。
具体任Байду номын сангаас:
❖ 计算过水系统最大和最小水压力； ❖ 计算丢弃和增加负荷时机组转速的变化值，检验其是否在允
许范围内； ❖ 研究减小水击压力和机组转速变化的措施； ❖ 合理选择调速器的调节时间和调节规律。
5.2 水击现象
5.2.1 水击现象
关闭阀门后,时间t 0~L/a: 升压波，由阀门向
水库传播，水库为异号等 值反射。
瞬变是水电站水力系统的非恒定流稳态。
瞬变响应过程
负荷变化
机组转速变化
导叶开度变化
机组效率变化
水头变化
引水道流量变化
机组出力变化
满足新负荷要求
水电站的不稳定工况表现形式
1.引起机组转速的较大变化
丢弃负荷：剩余能量→增加机组转动部分动能→机组转速升高
→影响供电质量
增加负荷：与丢弃负荷相反。
f(50HZ)=pn/60