引水式水电站水力学计算设计大纲范本概要

FJD34260 FJD

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

1

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:

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软件开发单位:

软件编写人员:

勘测设计研究院

年月

2

目次

1. 引言 (4)

2. 设计依据文件和规范 (4)

3.基本资料 (4)

4.计算原则与假定 (6)

5.计算内容与方法 (6)

6.观测设计 (15)

7.专题研究 (16)

8.应提供的设计成果 (16)

3

4

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 m 3

/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

(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) 2.2 主要设计规范

(1)SDJ 12—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)SD 134—84 水工隧洞设计规范;

(3)SD 303—88 水电站进水口设计规范(试行); (4)SD 144—85 水电站压力钢管设计规范(试行); (5)DL/T 5058-1996 水电站调压室设计规范;

(6)DL/T 5079-1997 水电站引水渠道及前池设计规范 (7)SL 74—95 水利水电工程钢闸门设计规范； (8)SDL 173—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SDJ 12—78规范表1确定本工程为

(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SDJ 12—78确定建筑物级别为

3.2

(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) 3.4

设计计算中常用的各种水位流量资料如表1。

5

表1 水位流量表

3.5

(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

,

(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

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GD 2 t/m 2

; 3.6.1

(1)水轮机型号为 ,转轮直径D 1= 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H s = m 3.6.2

(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,

6

(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Q max →

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Q p →(Q

p ＋q)

4 计算原则与假定

4.1

(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

(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

(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

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

(2)按照电站在电网系统中的位置和运行的条件,

(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

1)

(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

7

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— 5.3.1

水流通过的管道自进水口到尾水出口均应包括在内, (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; Δh f 沿程水头损失; L 隧洞或管道长度; A 断面积； P

(2)曼宁公式(Manning)(1890年)

C=(1/n)R

1/6

(3)

沿程损失：

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 5.3.2

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SD 303—88附录四……等)。其计算公式如下：

()

22

2R

c L v h f =?()

43

4222L R A Q n h f ???

?????=?

8

v 2

／2g

ζ

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)

5.4

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

(1)引用流量计算公式

N 电站出力，MW ；

H 0 电站净水头，m ； η 效率系数。 (2)

表2 各种计算工况表

调压室的水力计算应满足DL/T 5058-1996 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) 5.5.1

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/T 5058-1996中的不等式判定是否设置调压室:

T W ＞〔T W 〕 (7)

T W ＝ΣLV/(gH) 压力引水道中水流的惯性时间常数,s ;

()

522

g

v h ζ

=?()

681.9ο

ηH N Q =

9

L 压力引水道(包括涡壳和尾水管)各分段的长度,m ; V 各分段内相应的流速，m/s;

g 重力加速度,g=9.81m/s 2

; H 相应水头(最小水头)，m ; 〔T W 〕 T W 的允许值，一般取2s ～4s

5.5.2

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，m ２

; 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

调压室涌波计算按

DL/T 5058-1996 (1)

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

,

(2)

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。

(3)

5.6 水轮机调节保证计算(包括水锤计算)

()

82j

gaH KLf F =

g

V h

a w

212

+

=

∑

10

图

1

则速率上升值小,

(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

5.6.3 (1) 1)

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:

11

图2

压力管道内水击压力分布示意图

H o ＞100m 时, ζmax=0.15～0.30; 当H o =40m ～100m 时, ζmax=0.30～0.50; 当H o ＜40m 时, ζmax=0.5～0.7 2)

在压力过水系统内任何位置不允许产生负压,且应有2 m ～3 m 的余压; 尾水管进口的允许最大真空度为

8 m (2)

甩满负荷时机组速率上升值β的允许值必须满足SDJ 173—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 ％

;

提示：经过专门论证后β值也可略超过55

5.6.4

12

(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 ;

E 0 水的弹性模量, E 0＝2.1×103

MPa ; E

钢 E ＝2.1×105

MPa ;

生铁 E ＝1.0×105

MPa ;

钢筋 E ＝2.1×104

MPa ; 橡皮 E ＝2MPa ～ 6 MPa ; D 管道直径,cm ; δ 管壁厚度，

cm (2)

1)

直接水锤:水轮机关闭或开启时间

Ts ≤t Φ=2L ／α (10)

间接水锤:水轮机关闭或开启时间

Ts ＞t Φ=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 ;

t Φ 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) σ和

μ 管道系数σ:

管路断面系数μ

:

式中: V 0 管道中的初始流速，m/s ; α 水锤波传播速度，m/s ;

H 0 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/s 2

;

ΣLV 为压力输水管L T V T ,涡壳L C V C 和尾水管L B V B 的总和， ΣLV ＝L T V T ＋L C V C ＋L B V B 。 根据管道特性系数σ和

μ

(3) 1)

()()

()

911425δοD E E a +=()

12's

T

gH LV

a ο∑=

()

132ο

ομgH aV =

13

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; ξ 1 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; τ 1 ξ1:

ξ1＝2μ{(τ0＋μτ21)－［(τ0＋μτ21)2－τ20＋τ21］1/2

} (16) 2)

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 ＝αV 0/g (17) V 0

(4)

图

3

1)压力管道的最大压力升高ξT 为:

ξT ＝〔ΣL T V T /(ΣLV)〕ξmax (18) ΔH T ＝ξT H 0 (19)

2)涡壳末端最大压力升高ξc 为:

ξc ＝［(ΣL T V T ＋ΣL C V C )/(ΣLV)］ξmax (20)

ΔHc ＝ξcH 0 (21)

3)尾水管中的最大压力降低ηB 为:

ηB ＝〔(ΣL B V B )/(ΣLV)〕ξmax (22) ΔH B ＝ηB H 0 (23)

14

图

4

4)尾水管最大真空度H B 为:

H B ＝H S ＋V 2

3/(2g)＋ΔH B (24)

式中：H S 吸出高度，m ;

V 3 尾水管进口流速，m/s 5.6.4.2

甩全负荷时转速变化计算公式:

β

β＝［(n max －n 0)/n 0］100 ％ (25)

式中:n 0 初始转数,即甩负荷前机组的稳定转数;

n max 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＋(365N 0T)/(GD 2n 20)］1/2＝［1＋(T/T a )］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GD 2

； T 水轮机出力自N 0降低至0时的历时(升速时间); N 0 机组起始出力，kW ;

Ta 机组惯性时间常数，Ta ＝(GD 2n 2

0)/(365N 0),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＝〔T S /(2T a )〕 f C (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; T S 导叶总关闭时间，s ;

()

281

211

-+

=

ο

n n T T C p a

s

15

n p 水轮机飞逸转速，r/min ; ξ

cp

其次在我国常用列宁格勒金属工厂(П.М.З.)公式:

β＝［1＋(T S1/T a )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)/(gH 0T S )值查图5即得;

T S1 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T S1＝(0.85～0.9) T S ;

对轴流式水轮机T S1＝(0.65～0.7) T S 。

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＋（365N 0T s1f ）/（GD 2n 2。）〕

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)

(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)

(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,

如果是差动式调压室,在升管内也要布置自计水位计,

(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。 (2) 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

(1)引水系统管道(含压力管道)

(2)

(3)观测设备布置图及观测设备汇总表。