第九章水击及调节保证 ●一、概述 ●水电站水力一机橄过渡过程特点 机组稳定运行时,水轮机出力与负荷平衡,机组转速 不变,水电站有压输水系统(压力隧洞、压力管道、 蜗壳及尾水管)中水流处于恒定流状态 机组实际运行时,电力系统负荷常发生较大范围的变 化,水轮机出力与负荷失去平衡,转速发生变化,而 电网频率要求基本保持恒定,则可通过调速器改变水 轮机流量,使水轮机出力适应负荷变化,来满足电网 频率恒定要求
第九章 水击及调节保证 ⚫ 一、概述 ⚫水电站水力—机械过渡过程特点 ⚫机组稳定运行时，水轮机出力与负荷平衡，机组转速 不变，水电站有压输水系统（压力隧洞、压力管道、 蜗壳及尾水管）中水流处于恒定流状态。 ⚫机组实际运行时，电力系统负荷常发生较大范围的变 化，水轮机出力与负荷失去平衡，转速发生变化，而 电网频率要求基本保持恒定，则可通过调速器改变水 轮机流量，使水轮机出力适应负荷变化，来满足电网 频率恒定要求
水电站 HYDROPOWER ENGINEERING ●在历时很短的调节过程 中,机组转速与有压输 水系统中的内水压强会 引起急剧变化。减小或 增加负荷时,转速增大 或减小;调节使得流量 减小或增大,引起有压 输水系统中的内水压强 上升或下降,产生水击。 第九章
⚫在历时很短的调节过程 中，机组转速与有压输 水系统中的内水压强会 引起急剧变化。减小或 增加负荷时，转速增大 或减小；调节使得流量 减小或增大，引起有压 输水系统中的内水压强 上升或下降，产生水击。 水 电 站 HYDROPOWER ENGINEERING
水电站 HYDROPOWER ENGINEERING 而供电质量、机组与 有压输水系统的强度 以及机组稳定性对整 个调节过程中的机组 转速变化及有压输水 系统中的压强变化提 出了要求,不允许超 过规定值。与之对应 进行的水击和机组转 速变化的计算,称为 调节保证计算 第九章
⚫而供电质量、机组与 有压输水系统的强度 以及机组稳定性对整 个调节过程中的机组 转速变化及有压输水 系统中的压强变化提 出了要求，不允许超 过规定值。与之对应 进行的水击和机组转 速变化的计算，称为 调节保证计算。 水 电 站 HYDROPOWER ENGINEERING
水电站 HYDROPOWER ENGINEERING 调节保证计算的任务 ●计算有压输水系统中最大和最小内水压强。最大 内水压强作为设计或校核管道、蜗壳和机组强度 的依据;最小内水压强作为布置压力水管、防止 管道内产生真空和检验尾水管内真空度的依据。 计算丢弃和增加负荷时的转速变化值,并检验其 是否在允许范围内。 ●选择调速器合理的调节时间和调节规律,保证内 水压强和机组转速变化在规定范围内 ●研究减小水击及机组转速变化的措施 第九章
⚫调节保证计算的任务 ⚫计算有压输水系统中最大和最小内水压强。最大 内水压强作为设计或校核管道、蜗壳和机组强度 的依据；最小内水压强作为布置压力水管、防止 管道内产生真空和检验尾水管内真空度的依据。 ⚫计算丢弃和增加负荷时的转速变化值，并检验其 是否在允许范围内。 ⚫选择调速器合理的调节时间和调节规律，保证内 水压强和机组转速变化在规定范围内。 ⚫研究减小水击及机组转速变化的措施。 水 电 站 HYDROPOWER ENGINEERING
水电站 HYDROPOWER ENGINEERING ●二、水击现象及水击传播速度 ●水击现象 ●流速(流量)的突然变化,导致水流动量发生变 化,根据冲量定理将产生对水流的冲量,导致内 水压强急剧升高或降低。把该非恒定流现象称为 水击(水锤) ●水击所产生的压强升高(正水击)或降低(负水 击),都会对水电站运行带来不利影响。若发生 正水击,可能导致压力水管的爆裂;尾水管中压 降过大,会造成水轮机和尾水管的严重汽蚀,使 水轮机运转时产生巨大振动。压强的上下波动, 会影响机组的稳定运行。 第九章
⚫二、水击现象及水击传播速度 ⚫水击现象 ⚫流速（流量）的突然变化，导致水流动量发生变 化，根据冲量定理将产生对水流的冲量，导致内 水压强急剧升高或降低。把该非恒定流现象称为 水击（水锤）。 ⚫水击所产生的压强升高（正水击）或降低（负水 击），都会对水电站运行带来不利影响。若发生 正水击，可能导致压力水管的爆裂；尾水管中压 降过大，会造成水轮机和尾水管的严重汽蚀，使 水轮机运转时产生巨大振动。压强的上下波动， 会影响机组的稳定运行。 水 电 站 HYDROPOWER ENGINEERING
水电站 HYDROPOWER ENGINEERING ●水击特性 ●为揭示水击物理本质和说明水击过程,不 妨以简单箮(管壁材料、管壁厚度及管径 沿管长不变)中的水击现象为例。该简单 管上游端连接水库(可认为水位基本不 变),下游端连接阀门。不计摩阻损失, 并设简单管为弹性体,管中水体可压缩。 第九章
⚫水击特性 ⚫为揭示水击物理本质和说明水击过程，不 妨以简单管（管壁材料、管壁厚度及管径 沿管长不变）中的水击现象为例。该简单 管上游端连接水库（可认为水位基本不 变），下游端连接阀门。不计摩阻损失， 并设简单管为弹性体，管中水体可压缩。 水 电 站 HYDROPOWER ENGINEERING
水电站 HYDROPOWER ENGINEERING 水击过程(图9-1与表9-1) 第一过程(0~La):t=0时刻阀门突然关闭的dt1时 段内,紧靠阀门处管段CX1首先发生变化,流速由v 变为0,压强上升,由H增至H+△H,水体压缩,密 度增加,管子膨胀,腾出空间容纳该管段以上管段仍 以∨流速流来的水体,一直延续到at,时段末。同理, 经过各时间段在各管段将发生同样的变化,压强增加 如同“波”一样向上游传播,为水击波,传播速度为 水击波速,增加的压强为水击压强。该过程发生的 为升压波,动能转化为弹性能,水流流速方 向从水库至阀门 第九章
⚫水击过程（图9-1与表9-1） ⚫ 第一过程（0～L/a）：t=0时刻阀门突然关闭的dt1时 段内，紧靠阀门处管段dX1首先发生变化，流速由v0 变为0，压强上升，由H0增至H0+ΔH，水体压缩，密 度增加，管子膨胀，腾出空间容纳该管段以上管段仍 以V0流速流来的水体，一直延续到dt1时段末。同理， 经过各时间段在各管段将发生同样的变化，压强增加 如同“波”一样向上游传播，为水击波，传播速度为 水击波速，增加的压强为水击压强。该过程发生的 为升压波，动能转化为弹性能，水流流速方 向从水库至阀门。 水 电 站 HYDROPOWER ENGINEERING
水电站 HYDROPOWER ENGINEERING ●第二过程(La~2L/a):t=La时刻水击波传至D点, 其左边为水库,压强保持不变,其右边管道内水压强比 水库高ΔH,管中水体流向水库。在随后的dt时段内, 首先紧靠水库的管段发生变化,流速由0变为∽vo,压强 下降,由H+△H降至H,水体密度减小,管径减小 补给了流向水库的水体,一直延续到该时段末。同理 经过各时间段在各管段将发生同样的变化,压强降低如 同“波”一样向下游传播,该过程发生的为降压波,弹 性能转化为动能。直到t=2L/a时刻,整个管道流速、 压强、密度、管径恢复到初始数值,但流速方向反向。 水击波在水库处发生反射,亼射波与反射波数 值相同,符号相反,升压波反射为降压波,水 流从阀门流向水库。 第九章
⚫ 第二过程（L/a～2L/a）：t=L/a时刻水击波传至D点， 其左边为水库，压强保持不变，其右边管道内水压强比 水库高ΔH，管中水体流向水库。在随后的dt1时段内， 首先紧靠水库的管段发生变化，流速由0变为-v0，压强 下降，由H0+ΔH 降至H0，水体密度减小，管径减小， 补给了流向水库的水体，一直延续到该时段末。同理， 经过各时间段在各管段将发生同样的变化，压强降低如 同“波”一样向下游传播，该过程发生的为降压波，弹 性能转化为动能。直到t=2L/a时刻，整个管道流速、 压强、密度、管径恢复到初始数值，但流速方向反向。 水击波在水库处发生反射，入射波与反射波数 值相同，符号相反，升压波反射为降压波，水 流从阀门流向水库。 水 电 站 HYDROPOWER ENGINEERING
水电站 HYDROPOWER ENGINEERING ●第三过程(2L/a~3L/a):t=2L/a时刻水击 波传至阀门处,阀门关闭,流速由变为0 压强下降,由H降至H-△H,水体密度减小 管径减小。这样的过程经过各时间段在各管 段将发生同样的变化,降压波向上游传播, 直到t=3L/a时刻,整个管道流速为0、压强为 Ho-△H,密度及管径缩小。水击波在全关阀 门处的反射特点是:同号等值反射,降压波 反射为降压波,水流从阀门流向水库。 第九章
⚫第三过程（ 2L/a～3L/a）：t=2L/a时刻水击 波传至阀门处，阀门关闭，流速由-v0变为0， 压强下降，由H0 降至H0-ΔH，水体密度减小， 管径减小。这样的过程经过各时间段在各管 段将发生同样的变化，降压波向上游传播， 直到t=3L/a时刻，整个管道流速为0、压强为 H0-ΔH ，密度及管径缩小。水击波在全关阀 门处的反射特点是：同号等值反射，降压波 反射为降压波，水流从阀门流向水库。 水 电 站 HYDROPOWER ENGINEERING
水电站 HYDROPOWER ENGINEERING ●第四过程(3La~4La):t=3L/a时刻水击波 传至D点,全管压力比水库水位低△H,水库水 体流向管中。在随后的dt时段内,首先紧靠水 库的管段发生变化,流速由0变为vo,压强升高 由H-ΔH升至Ho,水体密度增大,管径增大 同理,经过各时间段在各管段将发生同样的变 化,升压波向下游传播。直到t=4L/a时刻,整 个管道流速、压强、密度、管径恢复到初始状 该过程在水库处将降压波反射为升压波, 变号等值反射,水流从水库流向阀门 第九章
⚫第四过程（3L/a～4L/a）：t=3L/a时刻水击波 传至D点，全管压力比水库水位低ΔH，水库水 体流向管中。在随后的dt1时段内，首先紧靠水 库的管段发生变化，流速由0变为v0，压强升高， 由H0-ΔH 升至H0，水体密度增大，管径增大。 同理，经过各时间段在各管段将发生同样的变 化，升压波向下游传播。直到t=4L/a时刻，整 个管道流速、压强、密度、管径恢复到初始状 态。该过程在水库处将降压波反射为升压波， 变号等值反射，水流从水库流向阀门。 水 电 站 HYDROPOWER ENGINEERING