復(fù)雜管道水錘計算

1、第五節(jié)第五節(jié) 復(fù)雜管道水錘計算復(fù)雜管道水錘計算 在實(shí)際工程中，常見的是復(fù)雜管路系統(tǒng)，共有三種類型在實(shí)際工程中，常見的是復(fù)雜管路系統(tǒng)，共有三種類型(1)(1)串聯(lián)管串聯(lián)管: :管壁厚度、直徑和材料隨水頭增加自上而下逐管壁厚度、直徑和材料隨水頭增加自上而下逐段改變。段改變。(2)(2)分岔管分岔管: : 這在分組供水和聯(lián)合供水中經(jīng)常遇到。這在分組供水和聯(lián)合供水中經(jīng)常遇到。(3)(3)蝸殼和尾水管蝸殼和尾水管: : 裝有反擊式水輪機(jī)的管道系統(tǒng)，應(yīng)考慮裝有反擊式水輪機(jī)的管道系統(tǒng)，應(yīng)考慮蝸殼和尾水管蝸殼和尾水管的影響，而且其過流特性與孔口出流不一的影響，而且其過流特性與孔口出流不一樣，流量不僅與作用水頭

2、有關(guān)，而且與水輪機(jī)的機(jī)型和樣，流量不僅與作用水頭有關(guān)，而且與水輪機(jī)的機(jī)型和轉(zhuǎn)速有關(guān)。轉(zhuǎn)速有關(guān)。一、串聯(lián)管水錘的簡化計算一、串聯(lián)管水錘的簡化計算等價水管法等價水管法: : 把串聯(lián)管轉(zhuǎn)化為等價的簡單管來計算把串聯(lián)管轉(zhuǎn)化為等價的簡單管來計算等價原則：等價原則： 管長、相長、管中水體動能管長、相長、管中水體動能與原管相同與原管相同設(shè)一根串聯(lián)管的管道特性為：設(shè)一根串聯(lián)管的管道特性為：L1，V1，c1； L2，V2，c2； ；Ln，Vn，cn(1) 等價管的總長為：等價管的總長為： (2) 根據(jù)管中水體動能不變的要求根據(jù)管中水體動能不變的要求: LVm=L1V1+L2V2+LnVn=LiVi ，由此可得加

3、權(quán)平均流速：由此可得加權(quán)平均流速： (3) 根據(jù)相長不變的要求，水錘波按平均波速由斷面根據(jù)相長不變的要求，水錘波按平均波速由斷面A傳到斷面?zhèn)鞯綌嗝鍮所需的時所需的時間等于水錘波在各段傳播時間的總和，間等于水錘波在各段傳播時間的總和，即即niiLL1LVLVniiim1niiinnmcLcLcLcLcL12211niiimcLLc1 對于間接水錘，管道的平均特性常數(shù)為對于間接水錘，管道的平均特性常數(shù)為 求出管道平均特性常數(shù)后，可按簡單管的間接水錘計求出管道平均特性常數(shù)后，可按簡單管的間接水錘計算公式求出復(fù)雜管道的間接水錘值。算公式求出復(fù)雜管道的間接水錘值。02gHVammmsmmTgHLV0mr

4、aLt2二、分岔管的水錘壓力計算二、分岔管的水錘壓力計算 分岔管的水錘計算方法之一是分岔管的水錘計算方法之一是截肢法截肢法。 特點(diǎn)：當(dāng)機(jī)組同時關(guān)閉時，選取總長為最大的一根支管，將特點(diǎn)：當(dāng)機(jī)組同時關(guān)閉時，選取總長為最大的一根支管，將其余的支管截掉，變成串聯(lián)管道，然后用各管段中實(shí)際流量其余的支管截掉，變成串聯(lián)管道，然后用各管段中實(shí)際流量求出各管段的流速，再用加權(quán)平均的方法求出串聯(lián)管中的平求出各管段的流速，再用加權(quán)平均的方法求出串聯(lián)管中的平均流速和平均波速，最后采用串聯(lián)管的簡化公式相應(yīng)地求出均流速和平均波速，最后采用串聯(lián)管的簡化公式相應(yīng)地求出水擊值。水擊值。三、蝸殼、尾水管水錘壓力計算三、蝸殼、尾水

5、管水錘壓力計算(1) (1) 首先將蝸殼視作壓力水管的延續(xù)部分，并假想把導(dǎo)葉移至首先將蝸殼視作壓力水管的延續(xù)部分，并假想把導(dǎo)葉移至蝸殼的末端，尾水管也作為壓力管道的一部分蝸殼的末端，尾水管也作為壓力管道的一部分, ,把壓力管道把壓力管道、蝸殼和尾水管組合視為一串聯(lián)管，、蝸殼和尾水管組合視為一串聯(lián)管，再將該串聯(lián)管簡化為再將該串聯(lián)管簡化為等價簡單管進(jìn)行計算。等價簡單管進(jìn)行計算。 設(shè)壓力水管、蝸殼及尾水管長度、平均流速和水錘波速分別設(shè)壓力水管、蝸殼及尾水管長度、平均流速和水錘波速分別為為L LT T、V VT T、c cT T；L Lc c、V Vc c、c cc c；L Lb b 、V Vb b、

6、c cb b，則則 L=LT+Lc+ Lb Vm=( LT VT +Lc Vc + Lb Vb)/L)/(bbccTTmaLaLaLLa(2) (2) 以管道、蝸殼、尾水管三部分水體動能為權(quán)，將水擊錘力以管道、蝸殼、尾水管三部分水體動能為權(quán)，將水擊錘力值值 進(jìn)行分配，求出壓力管道、蝸殼末端和尾水管進(jìn)口的進(jìn)行分配，求出壓力管道、蝸殼末端和尾水管進(jìn)口的水錘壓力。水錘壓力。壓力水管末端最大壓力上升相對值為：壓力水管末端最大壓力上升相對值為： 蝸殼末端最大水錘壓力上升相對值：蝸殼末端最大水錘壓力上升相對值： 尾水管進(jìn)口處壓力下降相對值為：尾水管進(jìn)口處壓力下降相對值為： 注：尾水管在導(dǎo)葉或閥門之后，水擊

7、現(xiàn)象與壓力管道相反。注：尾水管在導(dǎo)葉或閥門之后，水擊現(xiàn)象與壓力管道相反。mbcTTTTVLLLVL)(mbcTccTTcVLLLVLVL)(mbcTbbbVLLLVLy)(3) 求出尾水管的負(fù)水錘后，應(yīng)校核尾水管進(jìn)口處的真空求出尾水管的負(fù)水錘后，應(yīng)校核尾水管進(jìn)口處的真空度度Hr，以防水流中斷。，以防水流中斷。 式中式中 Hs 水輪機(jī)的吸出高度；水輪機(jī)的吸出高度； Vb 尾水管進(jìn)口斷面在出現(xiàn)尾水管進(jìn)口斷面在出現(xiàn)yb時的流速。時的流速。 注：對于中高水頭水電站：注：對于中高水頭水電站：壓力管道較長，蝸殼和尾水壓力管道較長，蝸殼和尾水 管的影響較小，通?？陕匀ゲ挥嫛９艿挠绊戄^小，通?？陕匀ゲ挥?。 對

8、于低水頭水電站：對于低水頭水電站：必須考慮蝸殼和尾水管的影必須考慮蝸殼和尾水管的影響響 ，而尾水管的影響往往較蝸殼更為顯著。，而尾水管的影響往往較蝸殼更為顯著。 mgVHyHHbbsr98220第六節(jié)第六節(jié) 機(jī)組轉(zhuǎn)速變化計算機(jī)組轉(zhuǎn)速變化計算 水輪機(jī)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)開始關(guān)閉導(dǎo)葉，水輪機(jī)的引用流量逐漸減小，機(jī)水輪機(jī)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)開始關(guān)閉導(dǎo)葉，水輪機(jī)的引用流量逐漸減小，機(jī)組出力逐漸下降，同時在引水系統(tǒng)產(chǎn)生水錘壓力。當(dāng)關(guān)閉到空轉(zhuǎn)組出力逐漸下降，同時在引水系統(tǒng)產(chǎn)生水錘壓力。當(dāng)關(guān)閉到空轉(zhuǎn)開度時，出力變?yōu)榱?，?dǎo)葉關(guān)閉過程中所產(chǎn)生的能量，完全被機(jī)開度時，出力變?yōu)榱悖瑢?dǎo)葉關(guān)閉過程中所產(chǎn)生的能量，完全被機(jī)組轉(zhuǎn)動部分所消耗，造成

9、機(jī)組轉(zhuǎn)速的升高。組轉(zhuǎn)動部分所消耗，造成機(jī)組轉(zhuǎn)速的升高。 在機(jī)組調(diào)節(jié)過程中，轉(zhuǎn)速變化通常以相對值表示，稱為轉(zhuǎn)速變化在機(jī)組調(diào)節(jié)過程中，轉(zhuǎn)速變化通常以相對值表示，稱為轉(zhuǎn)速變化率率。 丟棄負(fù)荷：丟棄負(fù)荷： 增加負(fù)荷：增加負(fù)荷：00maxnnn0min0nnn一、機(jī)組轉(zhuǎn)速變化率計算近似公式一、機(jī)組轉(zhuǎn)速變化率計算近似公式 ( (一一) ) 列寧格勒金屬工廠公式列寧格勒金屬工廠公式1365122010GDnfTNs增加負(fù)荷時增加負(fù)荷時 丟棄負(fù)荷時丟棄負(fù)荷時：2201036511GDnfTNs( (二二) )長江流域規(guī)劃辦公室長江流域規(guī)劃辦公室公式公式 列寧格勒工廠公式未考慮遲滯時間，我國列寧格勒工廠公式未考

10、慮遲滯時間，我國“長辦長辦”提出提出修正公式。當(dāng)水電站突丟負(fù)荷后，由于調(diào)速系統(tǒng)慣性的修正公式。當(dāng)水電站突丟負(fù)荷后，由于調(diào)速系統(tǒng)慣性的影響，導(dǎo)葉經(jīng)過一小段遲滯時間影響，導(dǎo)葉經(jīng)過一小段遲滯時間Tc以后才開始關(guān)閉動作以后才開始關(guān)閉動作，機(jī)組轉(zhuǎn)速經(jīng)歷，機(jī)組轉(zhuǎn)速經(jīng)歷Tc和升速時間和升速時間Tn。(Tn定義為水輪機(jī)出力定義為水輪機(jī)出力自自N0降到零時的歷時降到零時的歷時)后達(dá)到最大值后達(dá)到最大值nmax。 1)2(.36512200fTTGDnNnc第七節(jié)第七節(jié) 調(diào)節(jié)保證計算標(biāo)準(zhǔn)和改善調(diào)調(diào)節(jié)保證計算標(biāo)準(zhǔn)和改善調(diào)節(jié)保證的措施節(jié)保證的措施 一、調(diào)節(jié)保證計算標(biāo)準(zhǔn)和計算條件一、調(diào)節(jié)保證計算標(biāo)準(zhǔn)和計算條件 所謂調(diào)節(jié)

11、保證計算標(biāo)準(zhǔn)，是指水錘壓力和轉(zhuǎn)速變化在所謂調(diào)節(jié)保證計算標(biāo)準(zhǔn)，是指水錘壓力和轉(zhuǎn)速變化在技術(shù)經(jīng)濟(jì)上合理的允許值。技術(shù)經(jīng)濟(jì)上合理的允許值。 這種標(biāo)準(zhǔn)在技術(shù)規(guī)范中有所規(guī)定，但這是在一定時期這種標(biāo)準(zhǔn)在技術(shù)規(guī)范中有所規(guī)定，但這是在一定時期和一定技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)條件下制定的，應(yīng)用時應(yīng)結(jié)合和一定技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)條件下制定的，應(yīng)用時應(yīng)結(jié)合具體情況加以確定。具體情況加以確定。(一一) 水錘壓力的計算標(biāo)準(zhǔn)水錘壓力的計算標(biāo)準(zhǔn)1壓力升高壓力升高 水錘壓力的最大升高值相對值：水錘壓力的最大升高值相對值：max(Hmax-H0)/H0 當(dāng)當(dāng)H0100m時，時， max0.150.30 當(dāng)當(dāng)H0=40100m時，時，max0.3

12、00.50 當(dāng)當(dāng)H040m時，時， max0.500.702壓力降低壓力降低 在壓力引水系統(tǒng)的任何位置均不允許產(chǎn)生負(fù)壓，且應(yīng)在壓力引水系統(tǒng)的任何位置均不允許產(chǎn)生負(fù)壓，且應(yīng)有有23m水柱高的余壓，以保證管道尤其是鋼管的穩(wěn)水柱高的余壓，以保證管道尤其是鋼管的穩(wěn)定和防止水柱分離。尾水管進(jìn)口的允許最大真空度為定和防止水柱分離。尾水管進(jìn)口的允許最大真空度為8m水柱高。水柱高。 (二二) 轉(zhuǎn)速變化的計算標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速變化的計算標(biāo)準(zhǔn) 限制機(jī)組轉(zhuǎn)速過大的變化主要是為了保證機(jī)組正常運(yùn)行和限制機(jī)組轉(zhuǎn)速過大的變化主要是為了保證機(jī)組正常運(yùn)行和供電的質(zhì)量。在丟棄全負(fù)荷的情況下，主要是防止機(jī)組強(qiáng)度供電的質(zhì)量。在丟棄全負(fù)荷的情況

13、下，主要是防止機(jī)組強(qiáng)度破壞、振動和由于過速引起過電壓而造成發(fā)電機(jī)電氣絕緣的破壞、振動和由于過速引起過電壓而造成發(fā)電機(jī)電氣絕緣的損壞。損壞。 最大轉(zhuǎn)速變化值相對值最大轉(zhuǎn)速變化值相對值max(nmax-n0)/n0表示?？紤]到表示?？紤]到目前國內(nèi)機(jī)組的設(shè)計、制造、運(yùn)行等情況，其允許值目前國內(nèi)機(jī)組的設(shè)計、制造、運(yùn)行等情況，其允許值max可可按以下情況考慮：按以下情況考慮： 1當(dāng)機(jī)組容量占電力系統(tǒng)總?cè)萘康谋戎剌^大，且擔(dān)負(fù)調(diào)頻當(dāng)機(jī)組容量占電力系統(tǒng)總?cè)萘康谋戎剌^大，且擔(dān)負(fù)調(diào)頻 任任 務(wù)時，務(wù)時， max宜小于宜小于45； 2當(dāng)機(jī)組容量占電力系統(tǒng)總?cè)萘康谋戎夭淮蠡驌?dān)負(fù)基荷時當(dāng)機(jī)組容量占電力系統(tǒng)總?cè)萘康谋戎夭?/p>

14、大或擔(dān)負(fù)基荷時， max宜小于宜小于55；對斗葉式水輪機(jī)，；對斗葉式水輪機(jī)， max宜小于宜小于30。 注：當(dāng)大于上述值時，應(yīng)有所論證。注：當(dāng)大于上述值時，應(yīng)有所論證。 ( (三三) ) 調(diào)節(jié)保證的計算條件調(diào)節(jié)保證的計算條件1 1水錘壓強(qiáng)計算條件水錘壓強(qiáng)計算條件 管道中的最大內(nèi)水壓強(qiáng)一般控制在以下兩種工況：管道中的最大內(nèi)水壓強(qiáng)一般控制在以下兩種工況：(1)(1) 上游最高水位時電站丟棄負(fù)荷。上游最高水位時電站丟棄負(fù)荷。 此時電站流量和水錘壓強(qiáng)都不是最大值，但由于管道此時電站流量和水錘壓強(qiáng)都不是最大值，但由于管道中的靜水壓較高，疊加的結(jié)果可能成為控制工況。中的靜水壓較高，疊加的結(jié)果可能成為控制工

15、況。(2) (2) 設(shè)計水頭下電站丟棄負(fù)荷。設(shè)計水頭下電站丟棄負(fù)荷。 管道中的靜水壓較低，但電站的流量和水錘壓力較大管道中的靜水壓較低，但電站的流量和水錘壓力較大，疊加的結(jié)果也可能成為控制工況。，疊加的結(jié)果也可能成為控制工況。管道中的最小內(nèi)水壓強(qiáng)一般控制在以下兩種工況管道中的最小內(nèi)水壓強(qiáng)一般控制在以下兩種工況 (1)(1) 上游最低水位時電站丟棄負(fù)荷。上游最低水位時電站丟棄負(fù)荷。 導(dǎo)葉關(guān)閉后的正水錘經(jīng)水庫和導(dǎo)葉反射而成的負(fù)水錘；導(dǎo)葉關(guān)閉后的正水錘經(jīng)水庫和導(dǎo)葉反射而成的負(fù)水錘； (2)(2)上游最低水位時，電站最后一臺機(jī)組投入運(yùn)行。上游最低水位時，電站最后一臺機(jī)組投入運(yùn)行。 2 2轉(zhuǎn)速上升率的控

16、制工況轉(zhuǎn)速上升率的控制工況 設(shè)計水頭設(shè)計水頭+ +水電站丟棄全負(fù)荷。水電站丟棄全負(fù)荷。二、減小水錘壓強(qiáng)的措施二、減小水錘壓強(qiáng)的措施 ( (一一) ) 縮短壓力管道的長度縮短壓力管道的長度 縮短壓力管道長度，使從進(jìn)水口反射回來的水縮短壓力管道長度，使從進(jìn)水口反射回來的水錘波能夠較早地回到壓力管道末端，從而減小錘波能夠較早地回到壓力管道末端，從而減小水錘值。水錘值。 從管道特性系數(shù)從管道特性系數(shù)L LV Vmaxmax/g/gH H0 0T Ts s中可看出，減中可看出，減小小L L可以減小可以減小 ，在較長的引水系統(tǒng)中，設(shè)置，在較長的引水系統(tǒng)中，設(shè)置調(diào)壓室，是縮短壓力管道的常用措施。調(diào)壓室，是縮

17、短壓力管道的常用措施。 二、減小水錘壓強(qiáng)的措施二、減小水錘壓強(qiáng)的措施 ( (二二) ) 減小壓力管道中的流速減小壓力管道中的流速 減小流速可減小壓力管道中單位水體的動量，從而減減小流速可減小壓力管道中單位水體的動量，從而減小水擊壓力。但是水電站在運(yùn)行中要求流量是一定的小水擊壓力。但是水電站在運(yùn)行中要求流量是一定的，要減低流速勢必要加大管徑，增加管道造價。因此，要減低流速勢必要加大管徑，增加管道造價。因此用加大管徑辦法降低水擊壓強(qiáng)，往往是不經(jīng)濟(jì)的，但用加大管徑辦法降低水擊壓強(qiáng)，往往是不經(jīng)濟(jì)的，但在一定條件下，如果適當(dāng)加大管徑后便可不設(shè)調(diào)壓室在一定條件下，如果適當(dāng)加大管徑后便可不設(shè)調(diào)壓室，還是比較

18、合理的。，還是比較合理的。二、減小水錘壓強(qiáng)的措施二、減小水錘壓強(qiáng)的措施 ( (三三) ) 延長有效的關(guān)閉時間延長有效的關(guān)閉時間 延長有效的關(guān)閉時間延長有效的關(guān)閉時間T Ts s，可降低水錘壓力，但，可降低水錘壓力，但使機(jī)組轉(zhuǎn)速變化率使機(jī)組轉(zhuǎn)速變化率值增加，甚至超過允許值值增加，甚至超過允許值，要解決這個矛盾，可采取以下措施：，要解決這個矛盾，可采取以下措施：1 1反擊式水輪機(jī)設(shè)置減壓閥反擊式水輪機(jī)設(shè)置減壓閥( (空放閥空放閥) )： 在蝸殼的進(jìn)口附近裝設(shè)減壓閥。在蝸殼的進(jìn)口附近裝設(shè)減壓閥。 注：減壓閥在機(jī)組增加負(fù)荷時不起作用注：減壓閥在機(jī)組增加負(fù)荷時不起作用減壓閥裝置示意圖減壓閥裝置示意圖 二、減小水錘壓強(qiáng)的措施二、減小水錘壓強(qiáng)的措施 2 2沖擊式水輪機(jī)的機(jī)組裝置偏流器沖擊式水輪機(jī)的機(jī)組裝置偏流器( (折流器折流器) ) 偏流器構(gòu)造簡單，造價便宜，且無需增加廠房的尺寸，偏流器構(gòu)造簡單，造價便宜，且無需增加廠房的尺寸，在水斗式水輪機(jī)的機(jī)組經(jīng)常采用。在水斗式水輪機(jī)的機(jī)組經(jīng)常采用。 注：偏流器在增荷時不起作用。注：偏流器在增荷時不起作用。 3 3設(shè)置水阻器設(shè)置水阻器 注：水阻器對于增加負(fù)荷時不起作用。注：水阻器對于增加負(fù)荷時不起作用。二、減小水錘壓強(qiáng)的措施二、減小水錘壓強(qiáng)的措施 ( (四四) ) 選擇合理的調(diào)節(jié)規(guī)律選擇合理的調(diào)節(jié)規(guī)律 采用合理的關(guān)閉規(guī)律能有效地降低水錘壓力值。采用合理的