水击和调节保证计算
管道的水击分析与计算
管道的水击分析与计算
学生姓名：某某
专业：过程装备与控制工程
班级：过控0704
指导教师：某某
2010年10月10日
目录
摘要 (3)
关键词 (3)
Ⅰ水击的产生 (3)
Ⅱ水击保护方法 (3)
一.增强保护 (3)
二.超前保护 (3)
三.泄放保护 (3)
Ⅲ管道的水击分析 (4)
一.水击对输油管道造成的主要危害 (4)
二.管道分析的目的 (4)
三.管道分析所需要的基本数 (4)
四.管道分析取得的成 (4)
Ⅳ水击控制及保护设施 (5)
一.泄压阀 (5)
二.调节阀 (6)
Ⅴ水击计算 (7)
一.水击波的压力增加 (7)
二.水击波的传输速度和水击压强 (7)
Ⅵ防止水击的措施 (9)
一.增加防止水击设备 (9)
二.建立安全操作体系 (10)
Ⅶ结语 (10)
参考文献 (11)
管道的水击分析与计算
摘要：输油管道的密闭流程使管道全线成为一个水力系统，管道沿线的某一点流动参数变化会在管内产生瞬变压力脉动。该压力脉动从扰动点沿管道上下游传播，引起管道的瞬变流动进而引起的压力波动称为水击。它引起管内压强上升，轻则噪音与振动，重则超过管内原有正常压强的几十倍甚至上百倍，以致超过了管壁材料的允许应力，造成管道和管件的变形甚至破裂。因此，了解水击现象的发生、发展过程和计算，对削弱水击所产生的危害是十分必要的。现代大型计算机的广泛应用，对输油管道的水击分析利用专门编制的程序进行，使得在防护方面取得了理想的经济和社会效益。
关键词：水击；水击防护；瞬变流动；防护系统；水击计算
Ⅰ水击的产生
管道中液体的运动状态突然改变的情况下发生（如阀门的突然关闭或突然开启，水泵的突然启动或停止，水轮机或液压油缸突然变化负载等）。由于流速突然发生迅速变化，结果由于流体惯性，必然引起管内压强的剧烈波动，即压强的突然上升与突然下降，并在整个管长范围内传播。压强突变使管壁产生振动，并伴有似锤之声，故将这种现象称为管内水击现象。
第八章 水锤
r f 1 F
2、封闭端（即阀门全关闭状态）:等值同号反射； 反射系数：
r F 1 f
3、阀门端：减值异号或减值同号反射。
反射系数：
r 1 0 1 0
cv0 , 水锤常数
2gH0
1、一相水锤
所谓一相水锤是指最大压力出现在第一相末的水锤，
第一相水锤发生在管道较长的高水头电站中。其判别
条件 0 1 r为正，阀门对水锤波的反射是不变号的
对于直线关闭情况的水锤，根 据最大水锤压力出现的时间归 纳为两类：即一相水锤和极限 水锤，产生不同水锤现象的原 因是由于阀门的反射特性不同 造成的，即可能为正反射也可 能为负反射。因此使得最大水 锤压力出现的时间不一样。其 判别条件是 0 是否大于1。
水锤波在水管特性变化处的反射
1、水库端：等值异号反射，反射系数：
（二）水锤的连锁方程
连锁方程的推导过程
H F(t x ) f (t x )
a
a
V g [F(t x) f (t x)]
c
c
c
vB t t
vtA
g a
(H
B t
t
H
A t
)
v 1
（1） （2） （3） （4）
第一相末的水锤压力：
由推导得：
1
1 1
0
gH0 cv0
1
5水击
有压引水式水电站不稳定工况示意图
无压引水式水电站不稳定工况示意图
减压阀装置示意图作业
5-10 一压力钢管内径D=3m，管壁厚
δ=20mm，水体弹模K=2.03GPa，钢材弹模5-11 电站阀门关闭时间为T
s
=12s，管长
L=200m，H
=150m，v
=5m/s，波速
τ
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 0
n 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
水电站的水锤与调节保证计算
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 )
❖ 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。
❖ 研究减小水锤压强及机组转速变化的措施。
第三节 水锤基本方程和边界条件
一、基本方程
《水力学》中已经介绍。忽略小项，不计摩阻项，得到：
V g H
H a2 V
t
x t g x
式中
Lat
V—管道中的水流速度，向下游为正；
三、水锤波的传播速度
水锤波传播速度的大小与管壁材料、厚度、管 径、管道的支撑方式以及水体的弹性模量有关。
100m0/s(露天钢管）
a Eww 120m0/s(埋藏式钢管）
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
❖ 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：
管道的水击分析与计算
管道的水击分析与计算
学生姓名：某某
专业：过程装备与控制工程
班级：过控0704
指导教师：某某
2010年10月10日
目录
摘要 (3)
关键词 (3)
Ⅰ水击的产生 (3)
Ⅱ水击保护方法 (3)
一.增强保护 (3)
二.超前保护 (3)
三.泄放保护 (3)
Ⅲ管道的水击分析 (4)
一.水击对输油管道造成的主要危害 (4)
二.管道分析的目的 (4)
三.管道分析所需要的基本数 (4)
四.管道分析取得的成 (4)
Ⅳ水击控制及保护设施 (5)
一.泄压阀 (5)
二.调节阀 (6)
Ⅴ水击计算 (7)
一.水击波的压力增加 (7)
二.水击波的传输速度和水击压强 (7)
Ⅵ防止水击的措施 (9)
一.增加防止水击设备 (9)
二.建立安全操作体系 (10)
Ⅶ结语 (10)
参考文献 (11)
管道的水击分析与计算
摘要：输油管道的密闭流程使管道全线成为一个水力系统，管道沿线的某一点流动参数变化会在管内产生瞬变压力脉动。该压力脉动从扰动点沿管道上下游传播，引起管道的瞬变流动进而引起的压力波动称为水击。它引起管内压强上升，轻则噪音与振动，重则超过管内原有正常压强的几十倍甚至上百倍，以致超过了管壁材料的允许应力，造成管道和管件的变形甚至破裂。因此，了解水击现象的发生、发展过程和计算，对削弱水击所产生的危害是十分必要的。现代大型计算机的广泛应用，对输油管道的水击分析利用专门编制的程序进行，使得在防护方面取得了理想的经济和社会效益。
关键词：水击；水击防护；瞬变流动；防护系统；水击计算
Ⅰ水击的产生
管道中液体的运动状态突然改变的情况下发生（如阀门的突然关闭或突然开启，水泵的突然启动或停止，水轮机或液压油缸突然变化负载等）。由于流速突然发生迅速变化，结果由于流体惯性，必然引起管内压强的剧烈波动，即压强的突然上升与突然下降，并在整个管长范围内传播。压强突变使管壁产生振动，并伴有似锤之声，故将这种现象称为管内水击现象。
水电站调节保证计算
⽔电站调节保证计算
第五章⽔电站调节保证计算
5.1调节保证计算的⽬的、任务
（1）调保计算⽬的、任务
在⽔电站运⾏中，负荷与机组出⼒达到平衡使机组转速稳定。但由于各种突发事故，造成机组突然与系统解列，机组甩掉部分，或者全部负荷。在甩负荷时，由于导叶迅速的关闭，⽔轮机的流量急剧变化，因此在⽔轮机过⽔系统内产⽣⽔击。调保计算就是在电站初步设计阶段计算出上述过程中的最⼤转速上升及最⼤压⼒上升值。另外，调保计算
的⽬的是使压⼒升⾼和转速升⾼不超过允许值，确保电站⽔机系统安全稳定运⾏。
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，并取其较⼤者。⼀般在前者发⽣最⼤速率升⾼，在后者发⽣最⼤压⼒升⾼。
（2）灯泡贯流式机组过渡过程的特点
灯泡⽔轮发电机组的调节过渡过程与常规机组相⽐有⼀些不同，⼀般轴流机组惯性⼒矩主要取决于发电机的飞轮⼒矩，对于灯泡机组来说，由于受灯泡⽐的限制，发电机直径约为⽴式机组的3/5，其惯性⼒矩仅相当于⽴式机组的1/10左右，因⽽，⽔轮机惯性和⽔体附加惯性⼒矩所占的⽐重应⼤⼤增加，⽽⽔体附加惯性⼒矩则随叶⽚安放⾓的增加⽽增加，所以对灯泡机组的过渡过程分析必须考虑其影响。
（3）调保计算标准
根据/51862004DL T -《⽔⼒发电⼚机电设计规范》，⽔轮机在机组甩负荷时
的最⼤转速升⾼率max β宜⼩于60%；导⽔叶前最⼤压⼒上升率宜为70%100%～。根据有关已建电站试验证明，采⽤导叶分段关闭规律，
8m 尾⽔管的真空度不⼤于⽔柱。
（4）已知计算参数装机容量：418.5?MW
水电站水击作业
水击习题
5. 某电站装有冲击式水轮机，水头Ho=250m，压力管道长L=500m ，最大流速
Vmax=4m/s，水击波速C=1000m/s，阀门关闭时间Ts=4s。
(1) 若阀门开度关闭规律为τ0=1.0，τ1=0.8，τ2=0.6，τ3=0.3和τ4=0.0，用解析法求管末水击压力变化过程；
(2) 若阀门开度以直线规律关闭，求管末和管中内外的最大水击压力。
6. 某电站水头Ho=120m，压力管道由两段组成：上段l1=200m，C1=950m/s，V1max=4m/s；下段l2=200m，C2=1050m/s，V2max=5m/s，假定装有冲击式水轮机，开度依直线关闭，Ts=2.4s。求管末最大水击压力。
7. 某电站水头Ho=170m，l=300m，C=1000m/s，Vmax=3m/s，其水轮机出流规律如图2 所示，其中实线为HL533-LJ-200型水轮机，虚线代表冲击式水轮机，假定开度直线关闭，Ts=3s。用图解法求两种机型的水击压力变化过程，并对两种图样结果进行比较。
8. 某坝后式水电站，水头Ho=100m，单用单元供水，压力管道长l=200m，管径D=5.8m，水击波速C=1250m/s，忽略水头损失，满负荷时机组出力为105MW，引用流量120m3/s，转速nr=136.4r/min，转动惯量[GD2]=8500t-m2。丢弃负荷时，导叶直线关闭，允许最大转速上升β=0.5，允许最大水锤压力ζ=0.3。
(1) 若导叶关闭时间Ts=4.5s，调节保证能否满足? 计算中可令Ts1=0.85Ts，水击修正系数f=1.2。
输油管道系统水击分析与计算
输输油管道系统水击分析与计算
陈
鑫!
鲁传敬
李长俊
谢
军
（上海交通大学）
（西南石油学院）
（上海交通大学）
陈鑫鲁传敬等：输油管道系统水击分析与计算，油气储运，!""!，!#（#!）!$%!&。摘
要
水击是输油管道系统中经常出现的一种不稳定流现象。当管内压力由于水力瞬变而
发生急剧变化时，如果某高点未出现因压力低于油品的饱和蒸气压而产生的负压汽化现象，则流动为单相流动，但如果出现负压汽化现象，则处于该点的管段内液体的流动就演变成了气液体两相流动，增大了水击分析的难度。对管内单相流动和含气泡液体两相流动进行了水击分析，认为分析结果可以真实地反映油品在管内流动的规律，并且可以全面用于模拟和分析管道系统的各种工况，确保管道在安全的前提下优化运行。
主题词
输油管道
气液两相流
水击
数学模型
分析
计算
随着输油管道向大型化、连续化和管网化的方向发展，输送过程日益复杂。而且，在流体输送过程中，水击的发生会使管内某点压力过高或过低，使系统设备或性能遭到破坏。因此，为了保证管道在安全的前提下优化运行，必须从初期的规划设计到后期的运行管理的每个环节，深入全面地掌握管道工况的动态变化规律，对管道系统进行水击分析及其数值模拟是十分重要的。
一、管道系统数学模型
!、管元件模型
按’()**(*)和+,-.*的推导，对于薄壁管，波速方
程〔#〕
可以表达为：
!/
"#
!#（#0"#$%"#
0&’"#()
*!"
）（#）
式中!———波速，123；
"#———油品体积弹性系数，45；
!#—
——油品密度，6721$
；$———管道外径，1；%———管材弹性模量，45；"—
第八章_水锤
计算公式的条件： (1) 没有考虑管道摩阻的影响，因此只适用于不计 摩阻的情况； (2) 采用了孔口出流的过流特性，只适用于冲击式 水轮机，对反击式水轮机必须另作修改； (3) 这些公式在任意开关规律下都是正确的，可以 用来分析非直线开关规律对水锤压力的影响。
❖ 开度依直线变化的水锤
进行水锤计算关键是求出 最大值。 阀门开度随时间t的变化 规律可以是曲线变化，也 可以是直线变化，如果是 直线规律变化，则不用解 连锁方程，即可求得最大 水锤压力值。
❖ 直接水锤和间接水锤
1.直接水锤 若阀门启闭时间 Ts 2L / c，则在水库反射波到达管道 末端之前，开度变化已结束。管道末端的水锤压力 只受向上游传播的逆流波的影响，这种情况习惯上 称为直接水击。 因为波函数f=0，所以方程(5)和(6)联立消去F，可得 直接水击的计算公式。
H
H
H0
F (t
m
2
(
2 4)
为极限水锤计算式。
说明：
用 0 是否大于1作为判别水锤类型的条件是近似的。
水击类型可根据 和 0 的数值查图得到。
图中的曲线是根据
1
m
求得，4即0 (1 0 )
1 20
；
45度斜线区分直接水锤和间接水锤；曲线、斜线和
的横坐标将整个图域分成5区。
Ⅰ区，属极限正水锤范围；
m 1
论水电站引水系统中调节保证计算
论水电站中引水系统的调节保证计算对于水电站引水系统，利用美国垦务局等经验公式对引水管道经济直径进行分析使相应调保计算成果满足要求，为电站安全运行提供可靠的依据。
关键词：水电站引水系统设计调节保证计算
5.水锤及调节保证计算
5.1调节保证计算的任务和标准
水锤及调节保证计算，是水电站设计的重要内容之一。它不仅影响压力管道、机组、蜗壳等过流部件的强度，而且关系到电站运行的安全和机组运行的稳定性。
调节保证计算是机组负荷在较大范围内突然变化的情况下，考虑到调速器的影响以进行限制水锤压力和机组装机变化值的计算，解决水力惯性、机组惯性和调整性能三者之间的矛盾，以期达到电能质量最佳、机组运行经济合理、安全可靠的目的。
5.1.1水锤及调节保证计算的目的和任务
1、水锤计算的目的
决定管道内的最大内水压力，作为设计或校核压力管道、蜗壳和水轮机强度的依据；决定管道内最小内水压力，作为管线布置，防止压力管道中产生负压和校核尾水管内真空度的依据；研究水锤与机组运行的关系。
2、调节保证计算的目的
通过调节保证计算和分析，正确合理地解决导叶启闭时间、水锤压力和机组转速上伸值三者之间的关系，最后选择适当的导叶启闭时间和方式，水锤压力和转速上伸值均在经济合理的允许范围内。
3、水锤及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组的特性，合理选择调速器的调节时间调节规律，进行水锤压力和机组转速变化值的计算，使二者均在允许内，并尽
可能地降低水锤压力。 5.1.2 调节保证计算的标准
调节保证计算标准，是指水锤压力和转速变化在技术经济上合理的允许值。标准在规范中有所规定，但这是在一定时期和一定技术水平和经济条件下制定的，用时应结合具体情况加以确定。 1、水锤压力的计算标准
调保计算（附件5）
调保计算（附件5）
调保计算
⼀、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，⽔泵运⾏时产⽣振动；
(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
壳和⽔泵强度的依据；最⼩内永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、⽔击压⼒盒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。
⼆、⽔击现象
1．定义
在⽔站运⾏过程中，为了适应负荷变化或由于事故原因，⽽突然启闭⽔泵导叶时，由于⽔流具有较⼤的惯性，进⼊⽔泵的流量迅速改变，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。
2．⽔击特性
(1)⽔击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，因⽽⽔击压⼒往往较⼤，⽽且整个变化过程是较快的。
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
f
Through 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 rise
调保计算
第一章 调速设备选择及调节保证计算
2.1调节保证计算
由于压力管道较长，同时机组较多，选取联合供水方式。
r H 下：29336.73
37.66
9.819.8187.950.903r r P Q H η===⨯⨯ m 3/s max
H
下：
m a x 29336.7331.069.819.811020.944
r P Q H η===⨯⨯ m 3
/s 机组段长度确定：
由参[2]P645公式14-1以及表14-2，有以下计算： 蜗壳层： 113.0241.34.324
x L R δ+=+=+= m 213.9981.35.298
x L R δ
-=+=+= m 尾水管层：25.032
1.36.332
22
x B L δ+=+=+= m 25.032
1.36.332
22
x B L δ-=+=+= m 发电机层：336.9354
0.35.768
2222
x b L φ
δ
+=++=++= m 336.9354
0.35.768
2222
x b L φ
δ
-=++=++= m
蜗壳层 尾水管层 发电机层
x
L
9.622 12.664 11.536
选用最长的机组段长度：12.664x L = m
确定压力钢管的直径： 4e
Q
d v π=
式中，Q 为电站引用流量；经济流速3~5e v = m/s ，取5e v = m/s 。
4437.66
8.758
5e Q d v ππ
⨯=
== m 因为管道很长，为了满足调节保证要求，压力钢管直径靠大取，取
9.4d = m 。
r H 下：把9.4d =反代入上式：
122
437.66
4.239.4
水电站考试复习习题
水电站的布置形式及组成建筑物
一、填空题1．水电站的基本布置形式有_坝式水电站、引水式水电站、混合式水电站三种，其中坝式水电站分河床式、坝后式、坝内式、溢流式等形式。
2．有压引水式水电站由_________________、_________________、______________、______________、______________等组成；而无压引水式水电站由_____________、_____________、______________、______________、______________等组成。
3．抽水蓄能电站的作用是___________________________________，包括_________________和_________________两个过程。
4．按其调节性能水电站可分为____________和______________两类。
二、思考题
1．按照集中落差的方式不同，水电站的开发分为几种基本方式？各种水电站有何特点及适用条件？
2．水电站有哪些组成建筑物？其主要作用是什么？
3．抽水蓄能电站的作用和基本工作原理是什么？潮汐电站基本工作原理是什么
4．何为水电站的梯级开发？
水电站进水口及引水建筑物
一、判断题
1．无压引水进水口，一般应选在河流弯曲段的凸岸。( )
2．有压进水口的底坎高程应高于死水位。( )
3．通气孔一般应设在事故闸门的上游侧。( )
4．进水口的检修闸门是用来检修引水道或水轮机组的。( )
5．渠道的经济断面是指工程投资最小的断面。( )
改善水力机组调保参数的措施
（ ａ ） 是在相 同时间内给出 管道爆裂或压扁以及水轮机遭到破坏；过高的转速 化起着决定性的影响。图 １
在水电站压力引水系统和水轮发 电机组特性确 定时，对水击压强变化和转速上升大小起控制作用
关闭数率均匀 ， 其水击压力有一稳定值 ； 关闭规律 Ⅱ 的关闭速度先快后慢 ， 因此水击压力先升后降 ， 有一
改善水 力机组调保参数 的措 施
盛 国林 ， 黄 平 ， 廖 海春
（ １ ． 三峡电力职业学院 ， 湖北 宜 昌 ４ ４ ３ ０ ０ ０ ； ２ ． 葛洲坝机 电建设公司 ， 四川 成都 ６ １ ０ ０ ９ ２ ）
摘 要： 简要地论述 了水力机组调保计算 的任 务和作用 ， 论述 了实际生产 中改善调保 参数 的不 同措 施 ， 分 析 了不 同 措施对 改善调保 参数的具体影响方式 ，提 出了实际生产过程 中不 同类型水力机 组选择 改善调保 参数措施 的总体原
的是导叶调节时间和调节规律。 因此 ， 在水电站设计 极限值。 关闭规律 Ⅲ的关闭速度先慢后快 ， 因此水击 此种情况相 当于缩短了关闭时间 ， 所 时要计算调节过程中的最大水击压强变化值和最大 压力先小后大 ， 转速上升值 ， 并据此选择合理的导叶调节时间和调 节规律 ，使水击压强变化和转速上升都在允许范 围
来降低水击压力或限制转速上升。压力管道的长度 大管径可以降低水及压力 ， 但会增加投资。 通常采用 技术措施有以下几个方面。
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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
❖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
具体任务:
❖ 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。
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
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。
❖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。
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)
Байду номын сангаас
v0→0
D→A
△H
A →D
压缩
【L/a,2L/a) 0→- v0
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。
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。
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。
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。
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。
时，根据《水力学》推得的水击基本方程
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。