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HH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HH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HH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HH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HH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HH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＝aL2，一周的时间为周T＝aL4.

（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：

KrEgEaww21/KrEw211435 （9—1）

式中 wE为水体弹性模量，一般取2。06610KPa；

为水容重；

K为管道的抗力系数。对于薄壁钢管2rEKs,其中sE为钢管弹性模量（钢管sE＝206610Kpa；铸铁管sE＝98610Kpa），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0wh,引水道流速为0v，则调压室水位为gvhzw2200。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，直到低于水库水位，水库与调压室之间的水位差迫使引水道减速，直至停止流向水库,这时调压室处在最低水位.在水库与调压室之间的水位差的作用下,引水道水流开始流向调压室，这样调压室的水位回到开始时的状态,也是周期性的波动.

理论上引水道—调压室系统水位波动是周期性的波动过程，但是由于引水道摩阻力的存在，引水道-调压室系统水位波动过程会慢慢停止下来。

调压室水位波动过程与压力管道的水锤现象、机组调速系统的工作是相互联系的。压力管道的水锤过程变化快，持续时间短，一般仅为几秒。而调压室水位波动过程相对来说是变化慢、周期长、幅度小，整个过程要经历几十秒到几百秒的时间.因此，调压室水位波动过程与压力管道的水锤现象相互干扰少，一般可分别研究。

三、机组转速变化

在恒定工作状态下，水轮发电机组匀速运行，这时水轮机出力与发电机负荷之间相互平衡。当负荷变化时,水轮机的出力与发电机负荷出现不平衡状态,导致机组转速的变化。尽管机组通过调速系统的调节，逐渐使水轮机的出力与发电机负荷重新回到平衡状态，但是机组短时间内出现的转速变化，将影响供电质量和机组正常运行。特别是在机组丢弃全部负荷时，机组转速升值最大，这时应防止机组的强度破坏、振动和由此引起的过电压对电气设备的损坏.

此外，机组调速系统在调节工作过程中，也存在稳定问题.机组调速系统的稳定问题与压力管道的水锤、调压室的水位波动都有关，也是水电站动力系统中的过渡问题之一。这个问题可参考有关的教材和专著，本教材将不涉及此问题.

四、研究有压引水系统水力过渡过程的目的

水电站动力系统包括水、机、电各方面，系统的过渡过程在前面已作简单的介绍。在水利工程中主要涉及到的是引水系统部分的水力过渡过程：水锤、调压室的水位波动和机组转速变化等问题，其中水锤和机组转速变化的问题是相互关联的。它们都与调速器动作的快慢有关,换一句话来说,与导水机构总关闭时间sT有关。一方面要求选用较大的sT，以便控制水锤压强，减小引水管道的基建投资;另一方面要求选用较小的sT,防止机组过速,影响供电质量和机组正常运行。实际工程中是通过调节保证计算来协调sT的取值。因此，研究有压引水系统水力过渡过程的目的有两个：一是通过调节保证计算，其中包含水锤计算和机组转速变化计算,选择合理的sT，并提供压力水管设计所需的水锤动水压强值；二是通过计算调压室水位波动的幅度，为调压室结构设计提供依据。同时，通过稳定分析，掌握调压室水位波动稳定性机理，提出波动稳定的判据,据此来制定相应的工程措施.

五、调节保证计算的标准和条件

调节保证计算就是通过水锤计算和机组转速变化计算来确定调速器总关闭时间sT，使得引水建筑物和机组设备在技术经济上最为合理。工程上，衡量引水建筑物和机组设备在技术经济上的合理性,是通过规范规定压力管道水锤相对值和机组转速变化相对值的允许范围——允许值来判断。这是在一定的时期,一定的技术条件和经济条件下制定的，随着技术经济的发展将不断加以修订。

1、水锤压力的计算标准

(1）压力升高 规范采用相对压力升高值作为限制值指标，即00HHH，其中0HH、分别为水锤作用水头和静水头。根据规范规定，最大相对压力升高值max，应不超过下列数值：

当0H〉100m时，max＝0.15～0。3

当0H＝40～100m时,max＝0。3～0。5

当0H〈40m时,max＝0。5～0。7

（2）压力降低

压力降低的限制主要要求在压力引水系统的任何位置均不允许出现负压,且应有2～3m水柱高的余压，保证管道特别是钢管的稳定和防止水柱分离.同时，尾水管进口的允许最大真空度为8m水柱高。

2、机组转速变化的计算标准

机组转速变化会影响水电站机组正常运行和供电质量。特别是由于水电站丢弃全部负荷时，引起的机组转速过大,会造成机组振动和破坏，也会由于过速引起过电压造成发电机电气绝缘的破坏.所以，工程上主要限制机组相对转速变化的最大值.

相对转速变化的最大值00maxmaxnnn，其中0maxnn、分别为机组暂态过程的最大转速和正常转速。目前对max的限制尚无统一规定,可按以下情况来考虑：

当机组容量占电力系统总容量的比重较大，且担任调频任务时，宜小于0。45；