FJD34270 FJD水利水电工程技术设计阶段水道水力过渡过程计算大纲范本水利水电勘测设计标准化信息网1998年3月1水电站技术设计阶段水道水力过渡过程计算大纲主编单位:主编单位总工程师:参编单位:主要编写人员: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.计算基本资料 (4)4.大波动水力过渡过程计算 (7)5.小波动水力过渡过程计算 (15)6.专题研究（必要时） (16)7.应提供的设计成果 (17)3１引言＿＿抽水蓄能电站位于＿＿，在电力系统中的功能是＿＿。
电站总装机容量＿＿MW，单机容量＿＿MW。
机组型号＿＿。
电站开发方式(首部开发、中部开发、尾部开发) ＿＿。
引水系统由＿＿组成。
本工程为＿＿等工程。
可行性研究报告于＿＿年＿＿月审查通过。
2 设计依据文件和规范2.1 有关本工程文件(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) 技术设计任务书。
2.2 主要设计规范(1) SD 303—88 水电站进水口设计规范(2) SD 144—85 水电站压力钢管设计规范(试行)(3) DL/T 5058-1996 水电站调压室设计规范(4) SDJ 173—85 水力发电厂机电设计技术规范(5) SD 134—84 水工隧洞设计规范(试行)(6) GB 9652—88 水轮机调速器与油压装置技术条件2.3 参考资料和手册《水电站机电设计手册》(水力机械部分)。
3 计算基本资料3.1 水库(水池)特征水位(1)上库(上水池)水位：正常蓄水位＿ｍ；死水位＿ｍ。
(2) 下库(下水池)水位：正常蓄水位＿ｍ；死水位＿ｍ。
4提示：对于混合式抽水蓄能电站，尚应补充上、下库设计、校核洪水位。
3.2 引水系统布置(1)引水系统平面布置(2)引水系统纵剖面布置(3)引水系统特征参数，见表1表1 引水系统特征参数表管道编号部位直径m面积m2长度m管道末端高程m水头损失系数，×Q2备注局部水头损失沿程水头损失水轮机工况水泵工况最大值平均值最小值1…注：（1）引水系统编号示意图，可表示在上表备注栏中。
（2）Q为水轮机流量或水泵流量。
对于沿程水头损失，指管道本身流量，对于局部水头损失，指主管道流量。
（3）水头损失系数按有关水力学手册和规范进行计算，必要时进行水工模拟试验，参照使用试验成果。
3.3 机组参数及特性3.3.1 机组主要参数(1)机型＿＿；(2)额定转速ｎ0 ：＿＿r／min；(3)飞逸转速ｎｐ：＿＿r／min；(4)额定出力：＿＿MW；(5)输入功率：＿＿MW；(6)转轮直径：＿＿ｍ；(7)飞轮力矩GD2：＿＿t.ｍ2；(8)安装高程：＿＿ｍ；(9)额定水头的发电流量：＿＿ｍ３／ｓ；(10)最高扬程的流量：＿＿ｍ3／ｓ；(11)最低扬程的流量：＿＿ｍ３／ｓ。
3.3.2 机组特性(1)机组全特性曲线(Q′１-ｎ′１）；(2)机组转矩全特性曲线(M′1-ｍ′１）；5(3)水泵工况的 H-P,H-Q,H-Y特性曲线；(4)水轮机工况的 P-Q,P-Y特性曲线。
符号说明：Q′1 ——单元流量；ｎ′１ ——单元转速；M′１ ——单元力矩；H ——对应工况的水头；P ——对应工况的出力；Q ——对应工况的流量；Y ——对应工况的效率。
3.3.3 机组运行的可能特性和要求及电力系统资料(1)水轮机丢弃全负荷的最多可能台数：＿＿；(2)水泵断电的最多可能台数：＿＿；(3)ＡＦＣ调相运行方式负荷变动要求：＿＿；(4)电力系统资料：主要包括电气主结线，电站在系统中的地位，以及电网特性等。
3.4 调压室型式、几何尺寸及参数3.4.1 调压室形式＿＿调压室形式＿＿。
3.4.2 调压室几何尺寸(1)调压室剖面布置图。
(2)控制高程：调压室下部隧洞中心高程＿＿ｍ；调压室下部隧洞洞顶高程＿＿ｍ；调压室下部隧洞底部高程＿＿ｍ；调压室底部高程＿＿ｍ；调压室顶部高程＿＿ｍ；调压室井周地面最高高程＿＿ｍ；调压室井周地面最低高程＿＿ｍ。
6(3)调压室不同高程与断面积对应尺寸，见表2。
表2 调压室不同高程与断面积对应尺寸表断面编号高程m直径 m面积 m2备注1说明：断面编号示意图，可在备注栏中表示。
3.4.3 调压室参数根据调压室的型式及细部构造，确定参数。
提示：（1）阻抗式调压室：阻抗孔口尺寸＿＿ｍ2；阻抗系数＿＿；（2）差动式调压室：升管内径＿＿ｍ；升管外径＿＿ｍ；升管溢流口高程＿＿ｍ；升管溢流系数＿＿；孔口流入大井流量系数＿＿；孔口流出大井流量系数＿＿。
4 大波动水力过渡过程计算4.1 计算原理和方法4.1.1 计算原理提示：对于大中型抽水蓄能电站的水力过渡过程计算分析，建议采用特征线法。
本方法计算精度较高，能方便地处理各种复杂的边界条件，合理地计算管道摩阻以及适应导叶各种启闭规律。
4.1.1.1 计算原则和假定(1)水击压力、调压室涌浪以及机组转速升高应联合进行计算；(2)对于复杂管路系统不应进行简化，即是不宜用当量管、合肢(截肢)法进行分析；(3)水流按一维流动考虑；(4)管壁和水流均视作弹性体；(5)管道内充满水(有压流)，不考虑含气的影响。
4.1.1.2 基本方程78⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=∂∂∙+∂∂∙+∂∂=+∂∂+∂∂∙+∂∂∙0022X HV X V g a t H V V Df t V X V V X Hg ⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧+==∙++∙+a t X D VV f t V t H a g C d d 02d d d d ⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧-==∙++∙--a t X D VV f t V t H a g C d d 02d d d d 由水流一维流动的运动方程及连续方程，可得如下一组拟线性双曲型偏微分方程：(1)式中: V ——流速，ｍ／ｓ； H ——压力水头，ｍ； X ——网格座标，ｍ； ｔ——时间，ｓ；ｇ——重力加速度，g=9.81ｍ／ｓ2； ａ——波速， ｍ／ｓ； D ——管径， ｍ； ｆ——摩阻系数。
4.1.2 计算方法 4.1.2.1 特征线法当假定管道中的有压水流为一维流动时，利用特征线法，可将描述水体非恒定流的运动方程及连续方程转化为两个特征线上的全微分方程：(2)(3)式中符号说明同式(1)。
为了求解上列方程，一般采用一阶有限差分法，已保证有足够的精度。
通常采用矩形网格进行计算。
4.1.2.2 边界条件922α+V h 22αβ+V απVX 1tan-+= 对于抽水蓄能电站来说，其实际边界状况往往比较复杂，故在处理各种边界条件时要进行适当简化，但应以基本上不影响原有的物理状态为原则。
抽水蓄能电站通常应处理如下边界条件： (1)上、下水库(上、下水池)对于水库端具有较大面积的自由水面，可假定在过渡过程计算中，水库水位保持不变。
(2)分岔管及串联管分岔点和串联点处的局部水头损失和流速水头，按压力和流量连续条件考虑。
(3)调压室可将调压室中水体视作刚性，并忽略连接管惯性水头(即动力)的影响。
调压室水位与流量关系的边界方程表示为一阶常微分方程。
当计算时段 △ｔ 较小，或调压室水位波动较缓慢时，常用一阶差分近似求解，如利用预测——校正法求解，已足够精度。
(4)水泵水轮机将压力钢管末端至可逆式水泵水轮机组尾水管出口之间范围视作该边界。
由于水泵水轮机的特性通常均以图表形式提供，而且等开度线在水轮机飞逸及制动区变化剧烈，因此，特性曲线的处理成为正确表达该处边界条件的关键。
对特性曲线的处理，通常有以下两种方法，可根据实际情况进行选用。
方法一：为了充分利用特性曲线所提供数值，在数值计算时建议直接利用特性曲线插值，显然采用普通水轮机常用的矩形网格进行插值是有困难的，可以按照全特性的不同区域采用不同的方法进行处理。
利用折线网格进行插值，尽量使折线与等开度线正交。
此外，在过渡过程达到飞逸区后，改为由Q ′1值插值求ｎ′１值，以避免由于等开度线几乎与Q ′１轴平行，使一个ｎ′１值对应有多个Q ′１值的矛盾。
文中符号说明同3.3.2。
方法二：可逆式水泵水轮机组的特性曲线，也可转化为以开度τ为参数，以(4)及(5)为纵坐标，而以(6)为横坐标的ｓｖｔｓｒ特性曲线。
对于这时对某一开度而言，其全特性可由两条单值ｓｖｔｅｒ曲线表示，故可将边界方程处理为仅含两个未知量α及V的非线性方程，利用牛顿——拉甫生法求解。
式中符号说明: ｈ＝H/H R——无量纲参数； β＝M/M R——无量纲参数；Ｖ＝Q/Q R——无量纲参数；α＝n/n R——无量纲参数；Ｈ——机组净水头；ＨＲ——额定水头；Ｍ——作用在机组上的力矩；MＲ——额定力矩；Ｑ——机组过流量；ｎ——机组转速；ｎR——额定转速；π——圆周率。
4.2 调节保证计算要求及计算条件4.2.1 调节保证计算要求4.2.1.1 水击压力(1)压力升高其限制值主要根据经济要求确定，应满足厂家对机组参数限制指标的要求。
蜗壳进口压力最大值＿＿ｍ。
(2)压力降低在引水系统任何位置不允许产生负压，且应有2 m～3ｍ余压，尾水管进口的允许最大真空度为8 ｍ水柱。
说明：蜗壳进口和尾水管进口均针对发电工况而言，以下同。
4.2.1.2 转速变化根据电站规模、容量及在电力系统中的性质和位置，机组转速上升最大值定为＿＿r／min。
4.2.1.3 调压室涌浪最高涌浪应满足调压室布置及安全超高的要求；最低涌浪应高于调压室底高程，并要求10有足够水深，以保证隧洞不进气。
(1)调压室最高涌浪允许值＿＿ｍ；(2)调压室最低涌浪允许值＿＿ｍ。
4.2.2 计算条件及工况进行抽水蓄能电站水力过渡过程计算时，必须正确选择上、下库水位、流量和管道上实际可能出现的糙率及机组调节规律、负荷变化等参数和条件。
计算工况即反映了这些参数的选择情况，主要可分为如下两大类：(1)控制工况为了确定诸如压力管道的最高、最低压力、机组的最高速率上升值以及调压室最高、最低涌浪参数，所确立的对应计算条件。
(2)正常运行工况由于抽水蓄能电站运行工况繁多，分析不同的运行工况，对电站的经济安全运行有着重大的意义。
4.2.2.1 各类调保参数的控制工况(1)确定引水系统上游侧最大压力一般出现在上库最高水位，水轮机工况丢弃全负荷。
(2)确定引水系统上游侧最低压力一般出现在上库最低水位，水泵断电工况，导叶拒动。
(3)确定引水系统下游侧最高压力一般出现在下库最高水位，水泵断电工况，导叶拒动。
(4)确定引水系统下游侧最低压力一般出现在下库最低水位，水轮机工况丢弃全负荷，有一台机组拒动。
(5)确定机组最大转速上升一般出现在水轮机工况，丢弃全负荷，有一台机组拒动。
(6)确定上游调压室最高涌浪一般出现在上库最高水位，水轮机工况丢弃全负荷，引水系统应采用最小可能的糙率系数；或者水泵起动工况，相应糙率系数取最大值。
