引水式水電站水力學(xué)計算設(shè)計大綱范本概要

FJDFJDFJD34260水利水電工程技術(shù)設(shè)計階段引水式水電站水道水利學(xué)計算大綱范本水利水電勘測設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化信息網(wǎng)1998年1月 水電站技術(shù)設(shè)計階段引水式水電站水道水力學(xué)計算大綱主 編單位:主編單位總工程師：參 編單位:主要編寫人員：軟件開發(fā)單位：軟件編寫人員： 勘測設(shè)計研究院年月目次TOC\o"1-5"\h\z引言. 4設(shè)計依據(jù)文件和規(guī)范. 4基本資料 4計算原則與假定 6計算內(nèi)容與方法 6觀測設(shè)計 15專題研究 16應(yīng)提供的設(shè)計成果 161引言工程位于，是以為主，等綜合利用的水利水電樞紐工程。水庫最高洪水位m,正常蓄水位m,死水位m，最大壩高m。電站總裝機容量MW,單機容量MW,共臺,保證出力MW。3電站設(shè)計水頭 m,最大水頭m,最小水頭m。電站最大引用流量 m/s。本工程初步設(shè)計于 年 月審查通過。2設(shè)計依據(jù)文件和規(guī)范有關(guān)本工程的文件(1)工程可行性研究報告；⑵工程可行性研究報告審批文件⑶工程初步設(shè)計報告；⑷工程初步設(shè)計報告審批文件有關(guān)的專題報告。2.2 主要設(shè)計規(guī)范SDJ12 — 78(SDSDJ12 — 78(SD134 — 84SD303 — 88SD144 — 85⑸DL/T5058-1996⑹DL/T5079-1997SL74 —95SDL173 —85（山區(qū)、丘陵區(qū)部分）水工隧洞設(shè)計規(guī)范；水電站進(jìn)水口設(shè)計規(guī)范（試行）;水電站壓力鋼管設(shè)計規(guī)范（試行）;水電站調(diào)壓室設(shè)計規(guī)范；水電站引水渠道及前池設(shè)計規(guī)范水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范；水力發(fā)電廠機電設(shè)計技術(shù)規(guī)范。3基本資料3.1工程等級及建筑物級別(1)根據(jù)SDJ12—78規(guī)范表1確定本工程為等工程。(2)根據(jù)引水系統(tǒng)工程在水電站樞紐中所處的位置及其重要性,按SDJ12—78確定建筑物級別為 級。3.2技術(shù)設(shè)計階段工程樞紐布置圖提示：本設(shè)計階段，各建筑物的布置圖，應(yīng)包括建筑物的體型尺寸、位置、高程、樁號水文資料（1） 各種頻率下的洪水流量，和經(jīng)水庫調(diào)節(jié)后相應(yīng)的下泄流量（2） 多年平均流量；（3） 廠房尾水出口處的水位流量關(guān)系曲線。水位資料設(shè)計計算中常用的各種水位流量資料如表 1。表1 水位流量表設(shè)計工況水庫水位,m下泄流量m/s電站尾水位m備注萬年一遇洪水備注千年一遇洪水百年一遇洪水正常蓄水位死水位建筑物主要控制樁號、高程、尺寸最大壩高、壩型；進(jìn)水口主要高程及尺寸：進(jìn)口底板高程及喇叭口尺寸、進(jìn)口曲線型式 ；進(jìn)口檢修閘門中心線樁號、底板高程及孔口尺寸；進(jìn)口工作閘門中心線樁號、及其底版高程及孔口尺寸 ；漸變段長度及尺寸；引水隧洞直徑、長度，漸變段末端樁號 ，隧洞起點底板或中心線高程 ，調(diào)壓室與隧洞中心線交點處樁號及高程；調(diào)壓室的體型、尺寸，頂部、底板的高程；壓力管道主管直徑、長度、坡度、彎段轉(zhuǎn)彎半徑，支管直徑、長度、分岔型式 ，水輪機進(jìn)口處管道中心線高程及直徑。機電設(shè)備及其主要參數(shù)機組額定轉(zhuǎn)速 r/min;機組飛逸轉(zhuǎn)速 r/min;機組軸向總推力t；機組旋轉(zhuǎn)方向；機組飛輪力矩gDt/m2；水輪機水輪機型號為，轉(zhuǎn)輪直徑D=m；水輪機的特性曲線；水輪機調(diào)速時間 s，及其行程曲線圖；渦殼進(jìn)口尺寸，渦殼設(shè)計最大水頭 H=m,渦殼長度為 m,平均流速為m/s;TOC\o"1-5"\h\z尾水管型式，中心線長度 m,平均流速 m/s;水輪機安裝高程 m,水輪機吸出高度氣=m。發(fā)電機額定容量 MVA;額定電壓 V;額定電流 A;額定功率 ；額定頻率 s -1 ；相數(shù)。運行方式根據(jù)水電站的運行方式，決定引水道的水力計算條件，按照有關(guān)規(guī)范規(guī)定：丟棄負(fù)荷時，考慮瞬時全部關(guān)機，負(fù)荷從100%T0;相應(yīng)的流量由Qmax0;加負(fù)荷時，考慮其他機組正常運行時，瞬時開最后一臺機組 ,管道內(nèi)流量由Qpt(Qp+q)。襯砌糙率提示：根據(jù)管道采用襯砌材料的不同，分段選用糙率系數(shù)。為了在設(shè)計中留有余地，糙率系數(shù)又不能準(zhǔn)確的選定，在設(shè)計中假定一個上限與下限值,水力計算時組合一種不利條件進(jìn)行計算。4計算原則與假定設(shè)計原則引水系統(tǒng)的水力計算，除執(zhí)行本《大綱》外，還應(yīng)符合有關(guān)規(guī)程、規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定和要求。設(shè)計前應(yīng)認(rèn)真收集和分析有關(guān)水力計算的原始資料 ，落實電站的運行方式，并了解有無特殊的任務(wù)和要求。有關(guān)抽水蓄能電站水道水力設(shè)計，參見“抽水蓄能電站水道水力過渡過程計算大綱范本”。設(shè)計假定根據(jù)建筑物的等級，確定洪水位的高程、下泄流量和相應(yīng)的下游尾水位 ，作為設(shè)計的校核情況、設(shè)計情況分別進(jìn)行計算。按照電站在電網(wǎng)系統(tǒng)中的位置和運行的條件 ，確定水力計算的組合情況。在計算調(diào)壓室的最高和最低涌波以及進(jìn)行壓力管道內(nèi)的水錘計算時 ，要計算電站的開機與關(guān)機的條件：1) 關(guān)機情況提示：一般計算調(diào)壓室內(nèi)的最高涌波和壓力管道內(nèi)的最大水錘壓力。按有關(guān)規(guī)范規(guī)定 T負(fù)荷由100%T0,引水道內(nèi)流量由Qmax-0,相應(yīng)的上游應(yīng)為最高水位。2) 開機情況提示：計算調(diào)壓室內(nèi)的最低涌波和壓力管道內(nèi)的負(fù)水錘。其他機組均滿負(fù)荷 ，瞬時開啟最后一臺機組，流量由QpTQmax，即Qp+q=Qmax。相應(yīng)的上游為最低水位。⑷引水系統(tǒng)水力計算選用糙率系數(shù)時―,計算調(diào)壓室內(nèi)最高涌波時取小值— 涌波取大值。5計算內(nèi)容與方法對樞紐建筑物布置合理性復(fù)核提示：根據(jù)初步設(shè)計階段已確定的樞紐布置 ，建筑物的體型尺寸、位置，用技術(shù)設(shè)計階段落實的各項參數(shù)，重新進(jìn)行各項水力計算，如發(fā)現(xiàn)有不合理處，可以局部調(diào)整建筑物的尺寸、位置和高程。過流能力的核算提示：根據(jù)已有的樞紐布置，核算電站在各種運行工況下的過流能力?？蓞⒄沼嘘P(guān)管流公式進(jìn)行計算。孔口尺寸必須滿足宣泄各種流量的要求。

水頭損失計算提示：水頭損失分為二種，即沿程摩擦損失和局部損失。為了水力計算中應(yīng)用的方便 ，并適用于各種不同的流量，將沿程損失和局部損失換算成流量 Q的函數(shù)。在設(shè)計水頭時損失應(yīng)分段計算~~:TOC\o"1-5"\h\z自進(jìn)水口至調(diào)壓室與隧洞交叉處 ；自調(diào)壓室與隧洞交叉處到水輪機進(jìn)口 (即蝸殼進(jìn)口)；蝸殼尾水管至尾水出口 (如有尾水洞及尾水調(diào)壓室的電站也應(yīng)計算在內(nèi) )。計算情況又分為：關(guān)機情況一采用小的糙率系數(shù)計算沿程損失 ；開機情況一采用大的糙率系數(shù)計算沿程損失。沿程損失計算水流通過的管道自進(jìn)水口到尾水出口均應(yīng)包括在內(nèi) ，計算公式可采用:(1)謝才公式(Chezy)(1775)(1)謝才公式(Chezy)(1775)v沿程損失：=C(RJ)1/2hfI；式中:v為斷面平均流速；C謝才系數(shù)；R斷面的水力半徑,即R=A/P;J為水力坡度；△hf沿程水頭損失；L隧洞或管道長度；A斷面積；P潤周。⑵曼寧公式(Manning)(1890年)1/6C=(1/n)R沿程損失:hf22nQ2 43LAR式中n為糙率系數(shù)；AQ過水面積；過流量；R水力半徑，園形斷面R=D/4;L隧洞或管道長度；D隧洞或管道直徑。5.3.2局部水頭損失計算局部水頭損失，可參照有關(guān)規(guī)范進(jìn)行計算四……；等)。其計算公式如下：(1)(如進(jìn)水口部分可參照 SD303—88附錄v2h 52g式中： v2/2g 流速水頭；Z 水頭損失系數(shù)。局部損失種類如下：進(jìn)口損失；攔污柵損失；漸變段損失；閘門槽損失；彎管段損失；分岔管損失；水電站引用流量計算,如表,如表1列出校核情況和設(shè)計情況，并計算各種(1)引用流量計算公式N9.81H式中：N電站出力，MVyho 電站凈水頭，mn效率系數(shù)。(2)各種計算工況表2各種計算工況表運行工況庫水位m下泄流量m3/s尾水位m毛水頭m引用流量m3/s水頭損失m凈水頭Hom效率系數(shù)n電站出力N,MW校核情況設(shè)計情況最低水位5.5 調(diào)壓室水力計算調(diào)壓室的水力計算應(yīng)滿足 DL/T5058-1996中的規(guī)定。調(diào)壓室的水力計算包括以下內(nèi)容 ：驗算水力發(fā)電廠工作的穩(wěn)定性 ，即確定調(diào)壓室的穩(wěn)定面積 ，以確保不穩(wěn)定流逐步衰減；決定調(diào)壓室的最高涌波；(2)決定調(diào)壓室的最低涌波。判別設(shè)置調(diào)壓室的標(biāo)準(zhǔn)為了降低水輪機壓力水道中的水錘壓力 ，防止水錘波向隧洞內(nèi)傳播 ，應(yīng)按DL/TTOC\o"1-5"\h\z5058-1996中的不等式判定是否設(shè)置調(diào)壓室 ：TvW＞〔TW〕 (7)式中：LV/(gH) 壓力引水道中水流的慣性時間常數(shù) ,s

L 壓力引水道(包括渦殼和尾水管)各分段的長度，m;V 各分段內(nèi)相應(yīng)的流速， m/s;2g 重力加速度,g=9.81m/s ;H 相應(yīng)水頭(最小水頭)，m;〔Tw] Tw的允許值，一般取2s?4s。5.5.2調(diào)壓室穩(wěn)定斷面計算計算最小穩(wěn)定斷面時，應(yīng)按電站運行中可能出現(xiàn)的最小水頭計算。計算水頭損失時壓力引水道應(yīng)選用可能的最小糙率 ，壓力管道選用可能的最大糙率。調(diào)壓室的穩(wěn)定斷面按托馬(Thoma)公式計算并乘以系數(shù) K：KLf2gaHj式中：L 壓力引水道長度，m;f 引水隧洞斷面積，m;Hj 電站最小凈水頭，m;自水庫至調(diào)壓室水頭損失系數(shù)(自水庫至調(diào)壓室水頭損失系數(shù)(包括局部損失與沿程摩擦損失)，在有連接管時應(yīng)計入速頭hw 1K 系數(shù)，一般選用1.0?1.1o調(diào)壓室的涌波計算調(diào)壓室涌波計算按DL/T5058-1996的規(guī)定進(jìn)行。調(diào)壓室最高涌波計算按上游水庫正常蓄水位和電站機組滿載運行瞬時丟棄全部負(fù)荷， 或按上游水庫設(shè)計洪水位，電站滿載運行瞬時丟棄全部負(fù)荷， 作為設(shè)計情況進(jìn)行計算； 并按上游水庫校核洪水位，瞬時丟棄全部負(fù)荷的情況作為校核情況。調(diào)壓室最低涌波計算調(diào)壓室的最低涌波水位，按上游水庫最低設(shè)計水位，電站由(m-1)臺機組的過流量增至 m臺的情況作計算。計算壓力引水道的水頭損失時糙率取可能的最大值。尾水調(diào)壓室的涌波計算參照有關(guān)調(diào)壓室設(shè)計規(guī)范中的尾水調(diào)壓室的規(guī)定進(jìn)行計算。5.6水輪機調(diào)節(jié)保證計算(包括水錘計算)--勺正常胡水Ct——rhy*r匸JI圖1調(diào)壓室水位變化及壓坡線提示：(1)調(diào)節(jié)保證計算是水電站設(shè)計中重要課題之一，它不僅影響壓力管道、機組、渦殼等過流部件的強度，而且影響電站的安全運行和機組的穩(wěn)定性 ，有時甚至影響電站的總體布置方案。(2)當(dāng)機組甩負(fù)荷時，水輪機導(dǎo)葉關(guān)閉，在壓力管道和渦殼中引起壓力上升 ，尾水管中引起壓力下降。與此同時機組轉(zhuǎn)速也發(fā)生劇變 ，水輪機導(dǎo)葉關(guān)閉較慢時，則水輪機剩余能量較大，機組速率上升值就較大，流速變化較慢，水擊壓力較??；如導(dǎo)葉關(guān)閉快(即調(diào)速時間短)，則速率上升值小，水擊壓力大。調(diào)節(jié)保證計算的主要任務(wù)提示：正確合理地解決導(dǎo)葉關(guān)閉時間、水擊壓力上升值和機組速率上升值三者之間的關(guān)系,最后選擇適當(dāng)?shù)膶?dǎo)葉關(guān)閉時間，使水壓上升值和速率上升值都在規(guī)范允許范圍內(nèi)，以保證壓力過水系統(tǒng)及機組結(jié)構(gòu)的安全和供電質(zhì)量。562 水擊計算的任務(wù)決定壓力管道內(nèi)最大內(nèi)水壓力 ，作為設(shè)計或校核壓力管道、 渦殼和水輪機強度的依據(jù)。決定管路內(nèi)最小內(nèi)水壓力，作為布置管線及防止壓力管道中產(chǎn)生真空和校核尾水管內(nèi)真空度的依據(jù)。563 調(diào)節(jié)保證計算標(biāo)準(zhǔn)和計算條件壓力變化的計算標(biāo)準(zhǔn)壓力升高壓力過水系統(tǒng)末端(渦殼末端)的允許相對壓力升高值Z max,目前一般采用下列數(shù)值圖2壓力管道內(nèi)水擊壓力分布示意圖當(dāng)H當(dāng)H0>100m時,Zmax=0.15?0.30;當(dāng)H=40m當(dāng)H=40m?100m時,Zmax=0.30?0.50;當(dāng)I4v40m當(dāng)I4v40m時,Zmax=0.5?0.7。,且應(yīng)有,且應(yīng)有2m?3m的余壓；在壓力過水系統(tǒng)內(nèi)任何位置不允許產(chǎn)生負(fù)壓尾水管進(jìn)口的允許最大真空度為8m水柱壓力。轉(zhuǎn)速變化的計算標(biāo)準(zhǔn)甩滿負(fù)荷時機組速率上升值B的允許值必須滿足 SDJ173—85第條中的規(guī)定當(dāng)機組容量占電力系統(tǒng)工作總?cè)萘康谋戎剌^大 ，且擔(dān)負(fù)調(diào)頻任務(wù)時，宜小于45%;當(dāng)機組容量占電力系統(tǒng)工作總?cè)萘康谋戎夭淮蠡蜇?fù)擔(dān)基荷時 ,宜小于_55%。_提示：經(jīng)過專門論證后B值也可略超過 55%。 水錘計算和調(diào)節(jié)保證計算方法提示：詳細(xì)的計算方法可參考《水電站機電設(shè)計手冊》水力機械部分。 水錘計算提示：(1)水輪機的關(guān)閉引起管路中產(chǎn)生正水錘 ；水輪機的開啟則引起負(fù)水錘。水錘之大小和關(guān)閉及開啟的時間長短有關(guān)。水錘計算的方法有圖解法和解析法圖解法可將水錘變化與關(guān)開機的時間變化過程均能在繪圖中表示。在復(fù)雜管道布置如有岔管的壓力管道采用圖解法較為精確如果是單機單管則采用解析法也已達(dá)到設(shè)計所要求的精度。此處只介紹解析法的計算方法圖解法可參考有關(guān)水錘計算的專著。水錘又分為直接水錘和間接水錘。水錘波傳播速度a計算a14251—E—D— 9式中：a 水錘波傳播速度，m/s；1425 為聲音在水中的傳播速度， m/s;E0 水的彈性模量，Eo=2.1x103MPa;E 管壁材料的彈性模量：鋼E=2.1x10MPa;生鐵E=1.0x105MPa;鋼筋E=2.1x104MPa;橡皮E=2MPa-6MPa;D 管道直徑,cm;S 管壁厚度，cm。判別直接水錘和間接水錘及其水錘壓力形式1) 判別直接或間接水錘直接水錘：水輪機關(guān)閉或開啟時間TOC\o"1-5"\h\zTsWt◎=2L/a (10)間接水錘：水輪機關(guān)閉或開啟時間Ts>t◎=2L/a (11)式中：Ts 水輪機導(dǎo)葉關(guān)閉或開啟的時間， s；a水錘波傳播速度，n/s ;t O水錘波行駛兩倍管路長度所需時間稱為水錘的相 ；L 管道長度，m。2)判別水錘壓力形式為了判別水錘壓力形式，需計算管道特性系數(shù) b和卩。管道系數(shù)b:LVa - 12gHTs管路斷面系數(shù)卩 :aV132gH式中：Vo管道中的初始流速，m/s;a水錘波傳播速度，m/s;H0靜水頭，即上游水位與尾水位之差， m;T's 水輪機導(dǎo)水葉關(guān)閉或開啟時間， s;2g 重力加速度，g=9.81m/s;工LV為壓力輸水管LtVt,渦殼LcS和尾水管LbVb的總和，工LV=LtVt+LcVC+LbVb。根據(jù)管道特性系數(shù)b和□，即可在水錘形式判別圖中確定水錘的范圍。水錘計算的解析法1) 間接水錘當(dāng)UT0>1.5時，最大水錘壓力發(fā)生在末相

Em=(d/2)土(/+4)1/2:(1T0<1時，最大水錘發(fā)生在第一相末：1/2E1=2卩:T0T1(1±E1):式中：d、卩 管道特性系數(shù)；Em 末相水錘相對壓力升高或降低E1 第一相水錘相對壓力升高或降低T0 導(dǎo)水機構(gòu)的初始相對開度；T1 第一相末導(dǎo)水機構(gòu)的相對開度。亦可采用基謝列夫“水力計算手冊”中的公式計算E1=123a{(2)直接水錘當(dāng)Tsv2L/222T0+^T 1)—L(To+^T 1)—T式中：(4)壓力管道中水錘壓力分布a時為直接水錘，其壓力升高值為厶△H=aVo/gV) 為管道中起始流速。(14)(15)Ei：21/2i] }(16)H,在完全關(guān)閉(Tk(17)0)時:圖4間接水錘沿管線分布簡圖尾水管最大真空度HB為：TOC\o"1-5"\h\zHb=HS+V23/(2g)+△HH (24)式中：Hs 吸出高度，m;V3 尾水管進(jìn)口流速， m/s。564.2 轉(zhuǎn)速變化計算甩全負(fù)荷時轉(zhuǎn)速變化計算公式 ：甩負(fù)荷時機組速率上升值 3 :3=[(nmax—no)/no]100% (25)式中：no 初始轉(zhuǎn)數(shù)，即甩負(fù)荷前機組的穩(wěn)定轉(zhuǎn)數(shù)；n max 甩負(fù)荷過程中機組所達(dá)到的最大瞬時轉(zhuǎn)速。用列寧格勒金屬工廠(n?M?3)的公式計算3：221/21/23=—1+[1+(365NT)/(GDn] =[1+(T/Ta): —1 (26)式中：GD 分別為機組轉(zhuǎn)動部分的重量和慣性直徑。由于發(fā)電機轉(zhuǎn)子的慣性比機組其他轉(zhuǎn)動部分的慣性大得多，通常只考慮發(fā)電機轉(zhuǎn)子的 GD;T 水輪機出力自N0降低至0時的歷時(升速時間);N0機組起始出力，kW;Ta 機組慣性時間常數(shù)，Ta=(GC?n20)/(365N°),s。由于導(dǎo)水葉關(guān)閉過程中，水輪機出力受水擊壓力和水輪機特性等因素的影響 ；和導(dǎo)葉動作,常用的有摩根史密斯滯后以及采用不同導(dǎo)葉啟閉規(guī)律等因素的影響。必須采用修正系數(shù)公式,常用的有摩根史密斯3/2f =(1+Ecp) (27)Tsnp2Ta丄1n3=〔3=〔Ts/(2Ta)〕fC(29)式中:f 水擊影響修正系數(shù)；C 水輪機飛逸特性影響修正系數(shù)Ts導(dǎo)葉總關(guān)閉時間，s;np 水輪機飛逸轉(zhuǎn)速，r/min;Ecp 平均水擊壓力相對值。其次在我國常用列寧格勒金屬工廠 (n.M.3.)公式：1/23=：1+(Tsi/Ta)f: -1 (30)式中：f水擊影響修正系數(shù)。當(dāng)bV0.6及BV0.5時，可根據(jù)6=(工L