1、 水电站调压室设计规范 Specifications for design of surge chamber of hydropowerstations DL/T 5058 1996 主编单位电力工业部华东勘测设计研究院 批准部门中华人民共和国电力工业部 施行日期1997年5月1日 中华人民共和国电力工业部 关于发布水电站调压室设计规范 电力行业标准的通知 电技1996 733号 各电管局各省自治区直辖市电力局水电水利规划设计总院各有关单位 水电站调压室设计规范电力行业标准经审查通过批准为推荐性标准现予发布 其编号为DL/T5058 1996 该标准自1997年5月1日起实施 请将执行中的问题
2、和意见告水电水利规划设计总院并抄送部标准化领导小组办公室 一九九六年十月三十一日 1 总 则 1.0.1 水电站调压室是压力水道系统中一项重要建筑物为体现国家现行的技术经济政策积极慎重地采用国内外先进技术和经验统一调压室设计的标准要求特制定本规范 1.0.2 本规范适用于大中型水利水电枢纽工程中常规水电站和抽水蓄能电站调压室设计小型水电站的调压室设计可参照执行 1.0.3 水电站调压室设计应根据地形地质情况压力水道的布置机电特性和运行条件等资料经综合论证做到因地制宜经济合理安全可靠 1.0.4 水电站调压室设计除必须遵守本规范的规定外还应符合SDJ12 78水利水电枢纽工程等级划分及设计标准(
3、山区丘陵区部分) (试行)及补充规定SD134 84水工隧洞设计规范SDJ173 85水力发电厂机电设计技术规范(试行) DL/T5057 1996水工混凝土结构设计规范SDJ10 78水工建筑物抗震设计规范(试行)等现行的国家行业有关标准与规定以上标准将来如有修改则执行其新版本 2 术语符号 2.0.1 名词术语 调压室 设置在压力水道上具有下列功能的建筑物由调压室自由水面(或气垫层)反射水击波限制水击波进入压力引(尾)水道以满足机组调节保证的技术要求改善机组在负荷变化时的运行条件及供电质量 上游调压室 设置在水电站厂房上游压力水道上的调压室 下游调压室 设置在水电站厂房下游压力水道上的调压
4、室 压力水道 压力引水道压力管道压力尾水道的统称 压力引水道 自进水口至上游调压室之间的压力水道 压力管道 自上游调压室至水轮机蜗壳进口之间的压力水道 压力尾水道 自下游调压室至出口之间的压力水道 起始水位 机组负荷变化以前的调压室水位 静水位 机组引用流量为零时的调压室水位(即水库或下游河床水位) 最高涌波 机组负荷突然变化时调压室中相对于静水位的最高振幅 最低涌波 机组负荷突然变化时调压室中相对于静水位的最低振幅 第二振幅 在最高(或最低)涌波发生后紧接产生的方向相反的最低(或最高)振幅 设计水头 达到机组额定出力所需的最小水头 净水头 扣去有关压力水道损失(不含蜗壳及尾水管损失)以后作用
5、在水轮机上的有效水头 静水头 电站上下游水位差 吸出高度 水轮机安装高程与下游最低水位的高差 2.0.2 基本符号 L压力引水道长度 Lw压力尾水道长度 A1压力水道断面面积 A调压室断面面积 Ath托马临界稳定断面面积 Ac调压室上室断面面积 Ap调压室大室断面面积 As调压室竖井断面面积 Ar升管断面面积 S阻抗孔断面面积 V调压室大室计算容积 VB上室计算容积 Vv下室计算容积 Z以静水位为基准的调压室涌波 Zmax调压室最高涌波 Zmin调压室最低涌波 Zc静水位距上室底面的高度 Zs静水位距溢流堰顶的高度 Z*不计压力水道系统的摩阻丢弃(或增加)全负荷时的调压室自由振幅 Q流量 v流
6、速 Hp设计水头 H0发电最小静水头 Hs吸出高度 hf沿程摩擦水头损失 hm局部水头损失 hw0压力引(或尾)水道总水头损失 hwm压力管道总水头损失 hc阻抗孔水头损失 水头损失系数 孔口流量系数 m堰顶流量系数 Tw压力水道水流惯性时间常数 Ta机组加速时间常数 Ts水轮机导叶关闭时间 3 调压室的设置条件及位置选择 3.1 调压室的设置条件 3.1.1 设置调压室的必要性应在机组调节保证计算和运行条件分析的基础上考虑水电站在电力系统中的作用地形地质压力水道布置等因素进行技术经济比较后确定 3.1.2 设置上游调压室的条件可按式(3.1.2-1)作初步判别 TwTwTLvgHiiwP=(
7、3.1.2-1) 式中 Tw压力水道中水流惯性时间常数s Li压力水道及蜗壳和尾水管(无下游调压室时应包括压力尾水道)各分段的长度m vi各分段内相应的流速m/s g重力加速度m/s2Hp设计水头m TwTw的允许值一般取2 4s Tw的取值随电站在电力系统中的作用而异当水电站作孤立运行或机组容量在电力系统中所占的比重超过50%时宜用小值当比重小于10% 20%时可取大值 在有机电资料时可按图3.1.2由TwTa与调速性能关系进行判断机组加速时间常数Ta按下式计算 TGD NPa=22365(3.1.2-2) 式中 GD2机组的飞轮力矩kg m2N机组的额定转速r/min P机组的额定出力W
8、图3.1.2 TwTa与调速性能关系图 调速性能好的区域适用于占电力系统比重较大或孤立运行的电站 调速性能较好的区域适用于占电力系统比重较小的电站 调速性能很差的区域不适用于大中型电站 3.1.3 设置下游调压室的条件以尾水管内不产生液柱分离为前提其必要性可按式(3.1.3-1)作初步判断 LTvvgHsww0wjs58900 22()(3.1.3-1) 式中 Lw压力尾水道的长度m Ts水轮机导叶关闭时间s vw0稳定运行时压力尾水道中的流速m/s vwj水轮机转轮后尾水管入口处的流速m/s Hs吸出高度m 机组安装高程m 最终通过调节保证计算当机组丢弃全负荷时尾水管内的最大真空度不宜大于8
9、m水柱高海拔地区应作高程修正 HHHvgvswj= 228900()(3.1.3-2) 式中 Hv尾水管内的绝对压力水头m H尾水管入口处的水击值m 考虑最大水击真空与流速水头真空最大值之间相位差的系数对于末相水击0.5对于第一相水击=1.0 3.2 调压室的位置选择 3.2.1 调压室的位置宜靠近厂房并结合地形地质压力水道布置等因素进行技术经济分析比较后确定 3.2.2 调压室位置宜设在地下 3.2.3 进行调压室位置选择时宜避开不利的地质条件以减轻电站运行后渗水对围岩及边坡稳定的不利影响 3.2.4 由于扩建电站或电站运行条件改变等原因必须增设副调压室时其位置宜靠近主调压室 4 调压室的基
10、本布置方式 基本类型及选择 4.0.1 水电站调压室的基本布置方式有 (1)上游调压室图4.0.1(a) (2)下游调压室图4.0.1(b) (3)上下游双调压室系统图4.0.1(c) (4)上游双调压室系统图4.0.1(d) 若有特殊需要亦可采用其他布置方式 图4.0.1 调压室的基本布置方式 (a)上游调压室(b)下游调压室(c)上下游双调压室(d)上游双调压室 1压力引水道2上游调压室3压力管道4下游调压室 5压力尾水道6主调压室7副调压室 4.0.2 调压室的基本类型可分为以下几种 (1)简单式包括无连接管与有连接管二种型式连接管的断面面积S应不小于调压室处压力水道断面面积A1图4.0
11、.2(a) (b) (2)阻抗式阻抗孔口断面面积应小于调压室处压力水道断面面积图4.0.2(c) (d) (3)水室式由竖井和上室下室共同或分别组成图4.0.2(e) (f) (4)溢流式设溢流堰泄水图4.0.2(g) (5)差动式由带溢流堰的升管大室与阻抗孔组成图4.0.2(h) (i) (6)气垫式水面气压大于大气压力图4.0.2(j) 图4.0.2 调压室的基本类型 (a) (b)简单式(c) (d)阻抗式(e) (f)水室式(g)溢流式(h) (i)差动式(j)气垫式 1连接管2阻抗孔3上室4竖井5下室6储水室 7溢流堰8升管9大室10压缩空气 4.0.3 根据工程实际情况亦可取两种或
12、两种以上基本类型调压室的特点组合成混合型调压室 4.0.4 调压室的选型应根据水电站的工作特点结合地形地质条件全面地分析各类调压室的优缺点及适用条件进行技术经济比较后确定调压室选型的基本原则为 (1)能有效地反射由压力管道传来的水击波 (2)在无限小负荷变化时能保持稳定 (3)大负荷变化时水面振幅小波动衰减快 (4)在正常运转时经过调压室与压力水道连接处的水头损失较小 (5)结构简单经济合理施工方便 5 调压室的水力计算 及基本尺寸的确定 5.1 调压室的稳定断面面积 5.1.1 上游调压室的稳定断面面积按托马(Thoma)准则计算并乘以系数K决定 A=KAth)3)(21(2wmw001hh
13、HggLAK+=(5.1.1) 式中 Ath托马临界稳定断面面积m2L压力引水道长度m A1压力引水道断面面积m2H0发电最小静水头m 自水库至调压室水头损失系数=hw0/v2(包括局部水头损失与沿程摩擦水头损失见附录A) s2/m在无连接管时用代替+g21v压力引水道流速m/s hw0压力引水道水头损失m hwm压力管道水头损失m K系数一般可采用1.0 1.1选用K 1.0时应有可靠的论证 5.1.2 稳定断面面积的计算公式和原则亦适用于压力尾水道上单独设置的调压室但需将压力引水道改为压力尾水道压力管道改为尾水管后的延伸段的长度断面面积水头损失系数等数值用代替+g215.1.3 对于上下游
14、双调压室上游双调压室气垫式调压室及其他特殊布置方式的调压室稳定断面面积计算应通过专门论证确定 5.2 调压室的涌波计算 5.2.1 调压室的涌波水位可不计压力管道水击的影响当采用气垫式调压室时则应与压力管道水击联合计算 5.2.2 调压室最高涌波水位计算工况 (1)上游调压室按上库正常蓄水位时共用同一调压室的(以下简称共一调压室)全部机组满载运行瞬时丢弃全部负荷作为设计工况按上库校核洪水位时相应工况作校核 (2)下游调压室按厂房下游设计洪水位时共一调压室的全部n台机组由(n-1)台增至n台或全部机组由2/3负荷突增至满载作为设计工况按厂房下游校核洪水位时相应工况作校核并复核设计洪水位时共一调压
15、室的全部机组瞬时丢弃全负荷的第二振幅 5.2.3 调压室最低涌波水位的计算工况 (1)上游调压室上库死水位时共一调压室的全部n台机组由(n-1)台增至n台或全部机组由2/3负荷突增至满载并复核上库死水位时共一调压室的全部机组瞬时丢弃全负荷时的第二振幅 (2)下游调压室共一调压室的全部机组在满载及相应下游水位瞬时丢弃全部负荷 (3)有分期蓄水分期发电情况对水位和运行工况作专门分析 5.2.4 经论证后明确不存在同时丢弃全部负荷的运行情况则可按丢弃部分负荷进行涌波计算 5.2.5 除按5.2.2和5.2.3的规定进行调压室涌波水位计算外尚应对可能出现的涌波叠加不利工况进行复核必要时可合理调整运行方
16、式或修改调压室尺寸 5.2.6 计算调压室涌波水位丢弃负荷时引水道和尾水道的糙率取小值增加负荷时引水道和尾水道的糙率取大值 5.2.7 对大型电站的调压室或型式复杂的调压室的水力特性必要时可通过水力模型试验验证 5.3 调压室基本尺寸的确定 5.3.1 调压室断面面积应满足稳定要求高度应满足涌波要求涌波计算见附录B 5.3.2 阻抗式调压室阻抗孔尺寸的选择应使增设阻抗后压力管道末端的水击压力变化不大而调压室处压力水道的水压力任何时间均不大于调压室出现最高涌波水位时的水压力也均不低于最低涌波水位的水压力并尽可能地抑制调压室的波动幅度以及加速波动的衰减 5.3.3 差动式调压室尺寸的选择宜使大室与
17、升管具有相同的最高及最低涌波水位并使升管在最初时段即到达极值 升管面积宜与调压室处压力水道的面积接近 5.3.4 水室式调压室上室容积按丢弃负荷时的涌水量确定有较长的上室时应考虑水面波降的影响上室底板宜设在最高静水位以上 设溢流堰的上室底部应布置适当的孔口使上室水体流回竖井 上室应具有不小于1%的倾向竖井的排水底坡 下室的顶部宜设在最低运行水位以下做成背向竖井的不小于1.5%的斜坡下室的底部应比最低涌波水位稍低并做成倾向竖井并不小于1%的斜坡 下室不宜过长在多泥沙的河流上应考虑下室底部淤积的影响 5.3.5 溢流式调压室应按最大溢流量进行泄水道设计 5.3.6 调压室最高涌波水位以上的安全超高
18、不宜小于1m上游调压室最低涌波水位与调压室处压力引水道顶部之间的安全高度应不小于2 3m调压室底板应留有不小于1.0m的安全水深下游调压室最低涌波水位与尾水管出口顶部之间的安全高度应不小于1m 5.3.7 有顶盖的(不含气垫式)调压室应设置不小于10%压力水道面积的通气孔 6 抽水蓄能电站调压室的设计 6.0.1 抽水蓄能电站调压室的设置条件与常规水电站调压室的设置条件相同 6.0.2 抽水蓄能电站调压室的型式不论上游调压室或下游调压室一般不选用简单式而宜选用阻抗式差动式水室式或其他混合型调压室 6.0.3 抽水蓄能电站调压室的稳定断面面积的确定与常规水电站调压室的相同 6.0.4 抽水蓄能电
19、站调压室最高涌波水位由下列工况计算确定 (1)上游调压室上库校核洪水位共一调压室的所有发电机组在满负荷运行时突然丢弃全部负荷导叶紧急关闭上库正常蓄水位共一调压室的发电机组启动增至满负荷后在进入调压室流量最大时丢弃全部负荷导叶紧急关闭 (2)下游调压室下库校核洪水位共一调压室的抽水机组在扬程最小抽水流量最大时突然断电导叶全部拒动下库正常蓄水位共一调压室的抽水机组启动达到最大流量后在进入调压室流量最大时突然断电导叶全部拒动 6.0.5 抽水蓄能电站调压室最低涌波水位由下列工况计算确定 (1)上游调压室上库最低水位共一调压室的抽水机组在最大抽水流量时突然断电导叶全部拒动上库最低水位共一调压室的抽水机
20、组最小扬程机组启动达到最大流量后在流出调压室流量最大时突然断电导叶全部拒动 (2)下游调压室下库最低水位共一调压室的发电机组满负荷运行时突然丢弃全部负荷导叶紧急关闭下库最低水位共一调压室的发电机组启动增至满负荷后在流出下游调压室流量最大时丢弃全部负荷导叶紧急关闭 6.0.6 对抽水蓄能电站运行工况分析研究后认为不存在共一调压室的所有机组同时启动或全部丢弃负荷时亦可按机组逐台开启或部分机组丢弃负荷考虑 6.0.7 计算抽水蓄能电站调压室的最高最低涌波水位时发电工况压力水道的糙率取值同常规电站的调压室抽水工况压力水道的糙率值经分析取用 6.0.8 抽水蓄能电站调压室的涌波计算发电工况可按照常规水电
21、站调压室的涌波公式进行计算抽水工况突然断电导叶全部拒动时的涌波计算在厂家已提供机组全特性曲线的情况下可采用计算输水系统过渡过程的特征线法亦可采用图解演算求得抽水工况机组突然断电导叶拒动场合的水泵流量随时间变化的过程(见附录C)并按此作为边界条件进行涌波计算在厂家未提供机组全特性曲线的阶段可采用简算法(见附录C) 6.0.9 抽水蓄能电站调压室尺寸的确定与常规水电站调压室基本相同但下游调压室最低涌波水位与调压室处压力尾水道顶部之间的安全高度应不小于2 3m 6.0.10 抽水蓄能电站调压室的结构设计构造观测及运行要求可按照常规水电站调压室考虑 7 调压室的结构设计构造 观测及运行要求 7.0.1
22、 调压室宜采用锚杆钢筋网混凝土或钢筋混凝土衬砌 7.0.2 设在完整坚硬渗透性小的围岩中的调压室当室壁至厂房或边坡的最小距离满足稳定及渗透坡降要求时可采用锚杆喷混凝土支护在顶部及交岔口处应进行衬砌或采取其他有效的加固措施 7.0.3 调压室结构所承受的荷载分为基本荷载和特殊荷载两类 (1)基本荷载包括围岩压力设计情况下的内水压力稳定渗流情况下的外水压力及衬砌自重设备重量风荷载(地面塔式结构)等 (2)特殊荷载包括校核水位时的内水压力外水压力温度作用灌浆压力及地震荷载等 差动式调压室升管的水压力应按运行中可能出现的不利工况下大室与升管最大水位差计算 7.0.4 计算荷载应根据运行施工检修不同工况
23、分别组合为基本组合和特殊组合两类在结构计算中应采用各自最不利的组合其具体配筋计算按水工混凝土结构设计规范水工隧洞设计规范规定采用 7.0.5 考虑地震设防时调压室结构及其附属设备应加强其整体性和刚度等抗震措施对差动式调压室大室内的升管及地面上的塔式结构须进行抗震计算 7.0.6 调压室有明显的不对称荷载时宜按偏压荷载进行结构计算和稳定分析并采取相应的结构措施 7.0.7 作用在衬砌上的外水压力应考虑电站运行后的地下水位的变化外水压力可采用调压室计算断面在地下水位线以下的水柱高度乘以相应的折减系数的方法估算折减系数可按水工隧洞设计规范选用外水压力亦可由渗流场分析来确定 7.0.8 调压室结构内力
24、可用结构力学法计算对于大尺寸围岩地质或结构复杂的调压室宜用有限元法复核 7.0.9 在调压室中如有升管闸门槽通气孔等结构应注意合理布置在结构计算中应考虑其不利影响防止应力集中并采取必要的结构措施 7.0.10 对于调压室上部及外侧边坡应进行稳定分析及加固处理 调压室顶部应做好运行安全保护设施 7.0.11 调压室的围岩应进行固结灌浆加固防止内水外渗 调压室附近宜设排水设施降低地下水位以利边坡稳定 7.0.12 在寒冷地区的调压室应有防冻设施 7.0.13 如调压室内设置快降事故闸门应考虑涌波与闸门的相互不利影响并采取适当措施 7.0.14 应做好调压室观测设计以监测调压室工作状态为电站的安全运
25、行提供必要的观测资料和积累设计经验 7.0.15 应根据上下游水位电站运行特性压力水道和调压室设计状况等因素提出调压室的运行要求和限制条件 附录A 压力水道水头损失计算公式 A1.0.1 水头损失由沿程摩擦损失与局部损失两部分组成沿程损失采用谢才曼宁公式计算RCLvh22f=611RnC =R为水力半径糙率n值可参考表A1局部水头损失计算通式为gvh22m=局部水头损失系数值参见表A2 表 A1 压力水道糙率n值表 糙 率 n序 号水道表面情况平 均最 大最 小岩面无衬砌280395360(1)采用光面爆破0.0300.0330.025(2)普通钻爆法0.0380.0450.0301(3)全断
26、面掘进机开挖0.017钢模现浇混凝土衬砌(1)技术一般0.0140.0160.0122(2)技术良好0.0130.0140.012岩面喷混凝土(1)采用光面爆破0.0280.0300.022(2)采用普通钻爆法0.0330.0370.0283(3)全断面掘进机开挖0.0194钢 管0.0120.0130.011表 A2 局部水头损失系数值表 序 号部 位形 状水头损失系数备 0.50.21进水口0.1v为管道均匀段之流2拦污栅 sin)(34ds栅条形状系数s栅条宽度 b栅条间距 栅面倾角 v过栅平均流速3门槽0.05 0.20 (一般用0.10)v取槽前后平4矩形变圆 (渐缩)0.05v取渐
27、变段平均流5圆变矩形 (渐缩)0.101v流速取6圆断面渐 扩大i 查图A1 流速取7圆断面渐 缩小d 查图A2 流速取8圆弧弯道)90()(1632.0131.027o+RDD洞径R弯道半弯道9出水口;)1(221AA (下游渠道较深时取1)A1A2为出口前后v取出口前0.1010直角分岔1.500.75无圆锥管11对 称 Y形分岔0.50有圆锥管段12T(卜)形 分岔分流见公式 (A1)公式(A4)合流见公式 (A5)公式(A8)13蝶阀见表A4表 A3 栅条形状系数数值表 栅 条 形 状2.421.831.671.0350.920.761.79表A4 蝶阀完全开启时与t/D比值的关系表
28、t/D0.100.150.200.250.05 0.100.10 0.160.17 0.240.25 0.35图 A1 逐渐扩大的损失系数i值 ( 60 ) 图 A2 逐渐缩小的损失系数d值 在完全开启时若缺乏有关资料可近似取=0.2 T(卜)形岔管的分流与合流的局部损失计算(见图A3) (1)分流时(Q1=Q2+Q3) HHvgHHvgHHvg2121231312323212222=(A1) 2222220951 13 0304 01= +.( ) (. .)qqctg2. .( ) ( )109 0411122+ ctg2qq(A2) 3222058 0 26 0 03= + .qq(A3
29、) 32 2 210920411072= + + (). .() .qq ctg2+q22213 0304 01109 035(. .). .ctg2(A4) 式中 H1H2H3断面1 1 2 2 3 3处的总水头 v1断面1 1的平均流速 主管与支管的交角 支管与主管的断面面积比 =r/D D为主管直径r为支管与主管连接处的修圆半径 q2q2=Q2/Q1Q2为支管流量Q1为分流前的主管流量在分流时规定q20 图 A3 T(卜)形岔管分流与合流局部损失计算形状示意图 (2)合流时(Q1+Q2=Q3) HHvgHHvgHHvg2123231332323232222=(A5) () = + + 2
30、2222209511042 1 08111038.( ).cos.cos.qq(A6) () ()03.094.162.01cos62.159.22223+= qq(A7) () () =+ + 32 2 21092 92qq()()+q22212 1 08 111.cos.cos (A8) 式中 q2支管流量Q2与合流后的流量Q3之比合流时规定取q20 其余符号的意义同前 附录B 调压室的涌波计算公式*调压室的涌波计算以室中静水位为准向下为正 B1 简单式调压室 B1.1 丢弃全负荷时的最高涌波Zmax由下式计算 X0= ln(1+Xmax)+Xmax(B1) Xh0=w0XZmaxmax=
31、 =LA vgAh1022w0式中 L压力引水道长度 hw0流量为Q0时(在丢弃负荷前)上游库水位与调压室水位之差 v0对应于Q0时压力引水道的流速 Zmax亦可由图B1中曲线A根据X0查出Xmax算出Zmax图B1 简单式调压室丢弃负荷最高涌波计算图 B1.2 丢弃全负荷时第二振幅Z2可由下式计算 Xmaxln(1 Xmax) ln(1 X2) X2(B2) Z2X2X2值也可从图B1中曲线A B求得根据已知Xmax或X0求Z2值可沿横坐标轴线找出相应的Xmax值并引垂线与曲线B相交再由该交点引水平线与曲线A相交其交点的横坐标值即X2的数值X2即Z2值 B1.3 增加负荷时最低涌波Zmin按
32、下式计算 ZhXmminmin.w01 0 27500509=+ +() 11062mm.(B3) =LA vgAh102202w =mQQ0式中 无因次系数表示压力水道调压室系统的特性 Q增加负荷前的流量 Q0增加负荷后的流量 图B2为式(B3)的计算图 B1.4 当调压室的涌波水位受到限制时可按允许的Zmax来决定调压室的面积A(包含在值内)也可用下列福格特近似公式计算Xmax值 ZhXmaxmaxw021223123=+(B4) 图B2 简单式调压室增加负荷最低涌波计算图 B2 阻抗式调压室 B2.1 阻抗孔水头损失计算 通过阻抗孔口的水头损失hc值可通过公式2c21=SQgh近似计算得
33、出式中为阻抗孔流量系数可由试验得出初步计算时可在0.60 0.80之间选用S为阻抗孔断面面积 B2.2 丢弃全负荷时的最高涌波计算 当hc01时按下式计算 ()()()()()()()()()+=+=+=+2010c0w0w0cmaxmax0c0c0wmaxmax211ln 1ln1 11ln1 1ln1 vLAhhgAhhZZhhhZZ时按下式计算当(B5) 式中 hc0全部流量通过阻抗孔时的水头损失 图B3为Calame-Gaden计算阻抗调压室瞬时丢弃全负荷时最高涌波计算图图中计算用值分别为 图B3 阻抗式调压室丢弃负荷时最高涌波计算图 Z*压力水道系统的摩阻为零丢弃全负荷时的自由振幅1
34、0*gALAAQZ =Zmax丢弃全负荷时的最高涌波 Ym阻抗孔下部的瞬时压力上升值 图B3中R区为阻抗孔下部的瞬时上升压力超过最高涌波水位压力的区域表示阻抗孔尺寸过小M区为阻抗孔下部瞬时上升压力低于最高涌波水位压力的区域表示阻抗孔尺寸偏大SS线为两者的分界线阻抗孔尺寸最合适用此图亦可估算阻抗孔尺寸 B2.3 增加负荷时的最低涌波计算 当阻抗孔尺寸满足公式()22min0w0c1 mmXhh=(即最合适的尺寸)时可按下式近似地计算最低涌波值 Zhmmin.w01 05 0 2750109=+ +() 11065062mm.(B6) 式中符号意义同前 图B4为阻抗调压室突然增加负荷时(负荷由零突
35、增至100%)的最低涌波计算图当负荷由50%增至100%时的最低涌波亦可用差动式调压室增荷计算图(图B9) 图B4 阻抗式调压室最低涌波计算图 B3 水室式和溢流式调压室 B3.1 丢弃负荷时上室容积与涌波的初步计算 (1)无溢流堰时上室容积及最高涌波按下式计算 () ()ee2csc2cccsXX XXmaxmax/= +12111(B7) XZhccw=0ssw=LA vgA h10202ccwssc=LA vgA hAA10202式中 Zc自静水位至上室底面距离 As竖井的断面面积 Ac上室断面面积 图B5为公式(B7)的计算图根据已知上室断面面积Ac求出最高涌波水位Zmax或者定出Zm
36、ax值反求出上室的断面面积Ac图B5 无溢流堰的上室最高涌波计算图 如果上室底部与上游计算静水位在同一高程(或不计Zc段竖井高度时)可按下式近似计算上室的容积VBVLA vghhZBww=1020021lnmax(B8) 图B6 有溢流堰时上室示意图 图B7 下室位置示意图 (2)有溢流堰时上室的容积和涌波计算 设溢流堰顶在上游静水位以上的距离为Zs溢流堰顶通过最大流量Qy时的水层厚度为h如图B6所示则丢弃负荷时的最高涌波为 ZmaxZsh hQmB=y23QyyQ0yv0A1()yXX=+ssess2121(B9) 式中 m溢流堰的流量系数与堰顶的形式有关 B堰顶长度 y竖井水位升到溢流堰顶
37、时压力水道内的流速减小率 丢弃全负荷时在Zmax已知的情况下假定竖井与上室之间的连接孔为单向排水孔在水位升高时不起作用经堰顶流至上室的水量必须的容积按下式计算 VLA vghyXXXXXBwsss=+ 10202121015ln.max maxmax(B10) XZhssw=0式中符号意义同前 如所采用的上室容积比所计算的VB值小则上室应设外部泄水道使多余的水量沿斜坡向下游排泄开始泄流流量按逐步积分法求得如果不设上部储水室令溢出堰顶的水量全部泄走则泄水道的断面过水流量应按Qy值进行设计QyyQ0B3.2 增加负荷时下室容积的初步计算 计算下室容积时一般先定出最低涌波Zmin值则在增荷前运行水位
38、至最低下降水位之间的容积由下式计算 令 v= + + 1211121lnminminminminminminminXXmXXXmXmX(B11) v0w201vghvLAV =则上室容积式中符号意义同前图B8为v计算曲线 为保证增荷时压力管道内不进入空气下室容积须较计算值为大即下室底部应在最低涌波水位之下留有余地如图B7所示 图B8 确定调压室下室容积计算曲线 B4 差动式调压室 B4.1 阻抗孔面积与增加负荷时的最低涌波计算 阻抗孔的面积一般按增加负荷的要求决定即假定升管水位下降到最低水位Zmin时大室水位和压力水道的流量均未发生变化大室流入升管的流量为Q0m Q0计算阻抗孔面积S SQgh
39、=02022wHH(B12) 式中 H水自大室流入升管(或压力水道)时的孔口流量系数(初步计算时可按H0.8计算) H水自大室流入升管(或压力水道)时的孔口阻抗损失相对值按下式采用 ()HXmm= min221在阻抗孔尺寸满足上述条件时最低涌波计算公式如下 ()Xmmmmin.=+ + 1 05 0 22750109 1 106511 1062 (B13) XZHminminw=0()()()11020211=+ LA vgA A hAAAmrpwrrp21-23/图B9 差动式调压室最低涌波计算图 (负荷自50%增至100%时) 式中 Ar升管断面面积 Ap大室断面面积 图B9为负荷自50%
40、急增至100%时的最低涌波计算图R区为负荷增加后升管最低下降水位低于大室最终水位表示阻抗孔面积过小M区表示阻抗孔面积过大升管最初下降水位高于大室最低水位SS线为两者分界线阻抗孔面积最理想图中10*gALAAQZ =hc0为对应于Q0时的阻抗损失值 B4.2 丢弃负荷时的最高涌波计算 突然丢弃全负荷后升管水位迅速上升假定在升管到达最高水位开始溢流时大室水位和压力水道流量尚未改变则引水道流量Q0的一部分Qy经升管顶部溢入大室另一部分Qc在水头(hw0Zmax)的作用下经阻抗孔流入大室QcQy由下列公式计算 ()QSghZ QhZhcc wwcw=+=+20000maxmax(B14) = +QQQ
41、QhZhycwcw00001max(B15) 升管顶部溢流层的厚度 hQmB=y23升管顶部在静水位以上的距离 ZBZmaxh 式中 c水自升管(或压力水道)流入大室时的孔口流量系数(初步计算时可按c 0.6计算) c水自升管(或压力水道)流入大室时的孔口阻抗损失相对值 cHCH=22按大室水位升到Zmax时压力水道流速为零决定大室从hw0至Zmax之间的容积按下式计算 ()VLA vgh X X X=+ 1020211015wBln./max max()10303 21231+./maxmaxmaxXXAAAXrrpc(B16) XZhBBw=0XZhmaxmaxw=0式中符号意义同前应注意
42、ZmaxZB是在静水位以上应以负值代入 图B10为瞬时丢弃全负荷时最高涌波计算图S区表示在大室水位上升时间内升管大部分时间溢流的范围阻抗孔口尺寸较合适T区表示只在弃荷最初升管溢流的区域底孔尺寸略偏大N区表示在大室水位上升时间内升管完全不溢流阻抗孔尺寸过大 图B10 差动式调压室最高涌波计算图 计算差动式调压室的Z*时应注意A ArApZQALAgA*=01附录C 抽水蓄能电站水泵工况断电导叶 拒动时的调压室涌波计算方法 C1 有机组全特性曲线时调压室涌波计算 C1.1 上游调压室最低涌波计算 C1.1.1 涌波计算的基本方程式 涌波计算的基本方程式主要包括以无因次量表示的水击压力特征线法基本方
43、程式水泵工况机组的惯性方程式调压室水位波动的基本方程式及水泵全特性曲线分别叙述如下 (1)水击压力特征线法基本方程式 ( )11112txxttxxtqqHH = (C1) ( )22222txxttxxtqqHH = (C2) 式中 H扬程m q压力管道中的流量m3/s H q的下标xt表示x=x断面处t=t时刻的值 HR额定扬程m qR额定流量m3/s H无量纲量H =H/HRq无量纲量q =q/qR管路常数(无因次量)PRR2 AgHaq=Ap压力管道的断面面积m2a水击压力波的传播速度m/s agKDE=+/1g重力加速度m/s2水的容重N/m3D压力管道直径m 压力管道管壁厚度m E
44、压力管道管材的弹性模量Pa K水的体积弹性模量2.07 109Pa (2)水泵工况机组的惯性方程式 n-1-n=k1(n-1+n) t (C3) 式中 无量纲量=N/NR无量纲量=M/MRk1系数2RR22RR145NWRqHgk=N转速r/min M转矩N m NR额定转速r/min MR额定转矩N m 下标n-1和n分别表示tn-1和tn时刻的值 WR2飞轮效应kg m2R额定效率 (3)水泵水轮机的全特性曲线由制造厂家提供 (4)调压室涌波的基本方程式 Qn=-k2+k3Hz n-1+k4Qn-1(C4) z,n=k5qn-k5Qn+Hz,n-1(C5) 式中 k2系数tLQHgAQhH
45、k =RR120Ra2)(k3系数tLQHgAk =RR13k4系数tLQQhgAk =R0R1421k5系数RR5AHtQk=Hz,n无量纲量Hz,n=Hz,n/HRQn压力引水道中的流量Q与额定流量QR的比值(无因次量)Qn=Qn/QRHz以下库水位为基准面的涌波高度 下标n-1和n的意义同前 A1压力引水道断面面积m2L压力引水道长度m A调压室断面面积m2Ha上下库的水位差m Ha无量纲量Ha=Ha/HRQ0水泵断电前(t=0)压力引水道中的抽水流量m3/s QR压力引水道中的额定抽水流量m3/s Q0Q0/QR(无因次量) hR压力引水道中按额定流量抽水时的沿程损失水头m21R2R=
46、AQRCLhC谢才系数6/11RnC =hR无量纲量hR=hR/HRn糙率系数 R压力引水道断面的水力半径m t计算时间步长t= /m,s 水击压力波的往复时间=2l/a,s m分段数取整数 l压力管道长度m 当调压室为水室式时只要令k5中的A值相应于水位变化即可当调压室为差动式时则式(C5)应以下式代替 Hzn=k5qn-k5(Qn-1-Qn)+Hzn-1= QkHH kQnznn6171a式中 k6系数kSgHQ62=RRk7系数tAHQk =RR7S阻抗孔断面面积 阻抗孔流量系数 图 C1 符号说明 C1.1.2 涌波计算方法 根据水泵工况机组断电(t=0)前的抽水流量q0扬程H0转速N
47、0转矩M0求得相应于初始条件的无因次量q0=q0/qRH0=H0/HR 0=N0/NR 0=M0/MR在q H平面上给出坐标H =H0q =q0的点A0这个点A0给出了水泵工况机组断电前A点(水泵出口)的状态B0.25X=l/2压力管道中间点B在t=0.25时的状态为水击压力波的往复时间(以s计) =2l/a和C0.5(X=l调压室处点C在t=0.5时的状态)和这个A点相一致参见图C2 取计算的时间步长)2(2= mt自A0点引坡度为+2的特征线在这条线上选择适当的A0.5的位置然后根据水泵全特性曲线求得相应于该点的H q的0.5 0.5值再将0.5代入水泵工况机组的惯性方程式(C3) 0-0.5=k1(0+0.5) t 的右边求0.5值假如这个值与由水泵工况特性曲线求得的0.5不一致应将A0.5的位置在坡度为+2的
