水电站水力过渡过程

第九章 水电站水力过渡过程

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9－1 水锤压力传播过程 中水流的初始状态是水压力为0H ，流速为0v 。当阀门突然关闭时，首先在阀门附近长度为l ∆的管段发生水锤现象——水体被挤压，水压力上升为H H ∆+0，流速变为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l ∆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a 从阀门传向进口（水库）。当水锤到达引水管进

口时,这时进口外的水压力为0H ,管内水压力为H H ∆+0,在水管进口处造成压力差

H ∆。在H ∆的作用下，水体流向水库，使得水管中的水体压能转变为动能，管中

水体的压力从H H ∆+0降为0H ，流速变为0v -，这相当于产生一个反射波,反射波

以a 的速度从水管进口向阀门处传播。当反射波到达阀门处时，水流离开阀门,在阀

门处造成真空，产生负压，使水体压力从0H 变为H H ∆-0，流速从0v -变为0,

水管中水体的动能转变为压能,即在阀门处产生负压波,负压波以a 的速度从阀门传

向进口。当负压波到达水管进口时，进口外的水压力仍为0H ，管内水压力为

H H ∆-0，在水管进口处形成压力差H ∆-。在H ∆-的作用下,水体流向水管，使

水管的压力从H H ∆-0升为0H ，流速变为0v ，水体压能转变为动能,又产生反射

波,反射波以a 的速度从进口向阀门处传播。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0v 。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

L ，则一相的时间为相T ＝a L 2,一周的时间为周T ＝a

L 4. (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：

Kr E g E a w

w 21/+=γ

Kr E w

211435+≈ （9—1）

式中 w E 为水体弹性模量，一般取2.066

10⨯KPa ；

γ为水容重； K 为管道的抗力系数。对于薄壁钢管2r

E K s δ=

，其中s E 为钢管弹性模量（钢管s E ＝206610⨯Kpa;铸铁管s E ＝98610⨯Kpa ），δ为管壁厚度；r 为管道半径。 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

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9－2 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z ，水轮机引用流量为0Q ，引水道

水头损失为0w h ，引水道流速为0v ，则调压室水位为g v h z w 220

0β--。如果电站突然

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