1、FJD34260 FJD水利水電工程 技術設計階段引水式水電站水道水利學計算大綱范本水利水電勘測設計標準化信息網1998年1月 水電站技術設計階段引水式水電站水道水力學計算大綱 主 編 單 位: 主編單位總工程師: 參 編 單 位: 主 要 編 寫 人 員: 軟 件 開 發 單 位: 軟 件 編 寫 人 員: 勘測設計研究院 年 月目 次1. 引 言 42. 設計依據文件和規范 43. 基本資料 44. 計算原則與假定65. 計算內容與方法66. 觀測設計157. 專題研究168. 應提供的設計成果161 引言 工程位于 ,是以 為主, 等綜合利用的水利水電樞紐工程。水庫最高洪水位 m,正常蓄

2、水位 m,死水位 m，最大壩高 m。電站總裝機容量 MW,單機容量 MW,共 臺,保證出力 MW。 電站設計水頭 m,最大水頭 m,最小水頭 m。電站最大引用流量 m3/s。本工程初步設計于 年 月審查通過。2 設計依據文件和規范2.1 有關本工程的文件 (1) 工程可行性研究報告; (2) 工程可行性研究報告審批文件; (3) 工程初步設計報告; (4) 工程初步設計報告審批文件; (5)有關的專題報告。2.2 主要設計規范 (1)SDJ 1278 水利水電樞紐工程等級劃分及設計標準(山區、丘陵區部分) (試行)及補充規定; (2)SD 13484 水工隧洞設計規范; (3)SD 30388

3、 水電站進水口設計規范(試行); (4)SD 14485 水電站壓力鋼管設計規范(試行); (5)DL/T 5058-1996 水電站調壓室設計規范; (6)DL/T 5079-1997 水電站引水渠道及前池設計規范 (7)SL 7495 水利水電工程鋼閘門設計規范； (8)SDL 17385 水力發電廠機電設計技術規范。3 基本資料3.1 工程等級及建筑物級別 (1)根據SDJ 1278規范表1確定本工程為 等工程。 (2)根據引水系統工程在水電站樞紐中所處的位置及其重要性,按SDJ 1278確定建筑物級別為 級。 3.2 技術設計階段工程樞紐布置圖提示：本設計階段,各建筑物的布置圖,應包括

4、建筑物的體型尺寸、位置、高程、樁號.等。3.3 水文資料 (1)各種頻率下的洪水流量,和經水庫調節后相應的下泄流量; (2)多年平均流量; (3)廠房尾水出口處的水位流量關系曲線。3.4 水位資料 設計計算中常用的各種水位流量資料如表1。表1 水位流量表設計工況水庫水位, m下泄流量m3/s電站尾水位 m備注萬年一遇洪水千年一遇洪水百年一遇洪水正常蓄水位死水位3.5 建筑物主要控制樁號、高程、尺寸 (1)最大壩高、壩型; (2)進水口主要高程及尺寸: 進口底板高程及喇叭口尺寸、進口曲線型式; 進口檢修閘門中心線樁號、底板高程及孔口尺寸； 進口工作閘門中心線樁號、及其底版高程及孔口尺寸; 漸變段

5、長度及尺寸; (3)引水隧洞直徑、長度，漸變段末端樁號,隧洞起點底板或中心線高程,調壓室與隧洞中心線交點處樁號及高程; (4)調壓室的體型、尺寸,頂部、底板的高程； (5)壓力管道主管直徑、長度、坡度、彎段轉彎半徑，支管直徑、長度、分岔型式,水輪機進口處管道中心線高程及直徑。 3.6 機電設備及其主要參數 (1)機組額定轉速 r/min; (2)機組飛逸轉速 r/min; (3)機組軸向總推力 t; (4)機組旋轉方向 ; (5)機組飛輪力矩GD2 t/m2;3.6.1 水輪機 (1)水輪機型號為 ,轉輪直徑D1= m; (2)水輪機的特性曲線; (3)水輪機調速時間 s,及其行程曲線圖; (

6、4)渦殼進口尺寸,渦殼設計最大水頭H= m, 渦殼長度為 m,平均流速為 m/s; (5)尾水管型式 ,中心線長度 m,平均流速 m/s; (6)水輪機安裝高程 m,水輪機吸出高度Hs = m。3.6.2 發電機 (1)額定容量 MVA; (2)額定電壓 V; (3)額定電流 A; (4)額定功率 ; (5)額定頻率 s-1; (6)相 數 。 3.7 運行方式 根據水電站的運行方式,決定引水道的水力計算條件,按照有關規范規定： (1)丟棄負荷時,考慮瞬時全部關機，負荷從100 0;相應的流量由Q max 0; (2)加負荷時，考慮其他機組正常運行時，瞬時開最后一臺機組,管道內流量由Q p (

7、Q p q)。 3.8 襯砌糙率提示：根據管道采用襯砌材料的不同,分段選用糙率系數。為了在設計中留有余地,糙率系數又不能準確的選定,在設計中假定一個上限與下限值,水力計算時組合一種不利條件進行計算。 4 計算原則與假定4.1 設計原則 (1)引水系統的水力計算,除執行本大綱外,還應符合有關規程、規范、標準的規定和要求。 (2)設計前應認真收集和分析有關水力計算的原始資料,落實電站的運行方式,并了解有無特殊的任務和要求。 (3)有關抽水蓄能電站水道水力設計，參見“抽水蓄能電站水道水力過渡過程計算大綱范本”。4.2 設計假定 (1)根據建筑物的等級,確定洪水位的高程、下泄流量和相應的下游尾水位,作

8、為設計的校核情況、設計情況分別進行計算。 (2)按照電站在電網系統中的位置和運行的條件,確定水力計算的組合情況。 (3)在計算調壓室的最高和最低涌波以及進行壓力管道內的水錘計算時,要計算電站的開機與關機的條件： 1)關機情況提示：一般計算調壓室內的最高涌波和壓力管道內的最大水錘壓力。按有關規范規定,負荷由100 0,引水道內流量由Q max0,相應的上游應為最高水位。 2)開機情況提示：計算調壓室內的最低涌波和壓力管道內的負水錘。其他機組均滿負荷,瞬時開啟最后一臺機組，流量由Q p Q max ，即Q p qQ max 。相應的上游為最低水位。 (4)引水系統水力計算選用糙率系數時,計算調壓室

9、內最高涌波時取小值,計算最低涌波取大值。5 計算內容與方法5.1 對樞紐建筑物布置合理性復核提示：根據初步設計階段已確定的樞紐布置,建筑物的體型尺寸、位置,用技術設計階段落實的各項參數,重新進行各項水力計算,如發現有不合理處,可以局部調整建筑物的尺寸、位置和高程。5.2 過流能力的核算 提示：根據已有的樞紐布置,核算電站在各種運行工況下的過流能力。可參照有關管流公式進行計算。孔口尺寸必須滿足宣泄各種流量的要求。5.3 水頭損失計算提示：水頭損失分為二種,即沿程摩擦損失和局部損失。為了水力計算中應用的方便,并適用于各種不同的流量，將沿程損失和局部損失換算成流量Q 的函數。 在設計水頭時損失應分段

10、計算: (1)自進水口至調壓室與隧洞交叉處; (2)自調壓室與隧洞交叉處到水輪機進口(即蝸殼進口);(3)蝸殼尾水管至尾水出口(如有尾水洞及尾水調壓室的電站也應計算在內)。計算情況又分為: (1)關機情況采用小的糙率系數計算沿程損失; (2)開機情況采用大的糙率系數計算沿程損失。 5.3.1 沿程損失計算 水流通過的管道自進水口到尾水出口均應包括在內,計算公式可采用： (1)謝才公式(Chezy)(1775) vC(RJ)1/2 (1) 沿程損失： 式中：v 為斷面平均流速; C 謝才系數; R 斷面的水力半徑,即RA/P； J 為水力坡度; hf 沿程水頭損失; L 隧洞或管道長度; A 斷

11、面積； P 潤周。(2)曼寧公式(Manning)(1890年)C=(1/n)R1/6 (3) 沿程損失：式中：n 為糙率系數; A 過水面積;Q 過流量;R 水力半徑,園形斷面 RD/4;L 隧洞或管道長度；D 隧洞或管道直徑。5.3.2 局部水頭損失計算 局部水頭損失,可參照有關規范進行計算(如進水口部分可參照SD 30388附錄四等)。其計算公式如下：式中：v22g流速水頭；水頭損失系數。局部損失種類如下：(1)進口損失;(2)攔污柵損失;(3)漸變段損失;(4)閘門槽損失;(5)彎管段損失;(6)分岔管損失；。5.4 水電站引用流量計算 根據樞紐和建筑物的特征及電站的等級,如表1列出校

12、核情況和設計情況，并計算各種工況下的引用流量。(1) 引用流量計算公式式中：N電站出力，MW； H0電站凈水頭，m； 效率系數。(2)各種計算工況表2 各種計算工況表運行工況庫水位 m下泄流量 m3/s尾水位 m毛水頭 m引用流量 m3/s水頭損失 m凈水頭 H0 m效率系數 電站出力 N ，MW校核情況設計情況最低水位5.5 調壓室水力計算 調壓室的水力計算應滿足DL/T 5058-1996中的規定。調壓室的水力計算包括以下內容:(1)驗算水力發電廠工作的穩定性,即確定調壓室的穩定面積,以確保不穩定流逐步衰減;(2)決定調壓室的最高涌波;(2) 決定調壓室的最低涌波。5.5.1 判別設置調壓

13、室的標準為了降低水輪機壓力水道中的水錘壓力,防止水錘波向隧洞內傳播,應按DL/T 5058-1996中的不等式判定是否設置調壓室:TWTW(7)式中：TWLV/(gH)壓力引水道中水流的慣性時間常數,s;L壓力引水道(包括渦殼和尾水管)各分段的長度,m;V各分段內相應的流速，m/s;g重力加速度,g=9.81m/s2;H相應水頭(最小水頭)，m; TWTW的允許值，一般取2s4s 。5.5.2 調壓室穩定斷面計算計算最小穩定斷面時,應按電站運行中可能出現的最小水頭計算。計算水頭損失時,壓力引水道應選用可能的最小糙率,壓力管道選用可能的最大糙率。調壓室的穩定斷面按托馬(Thoma)公式計算并乘以

14、系數K：式中: L壓力引水道長度，m;f引水隧洞斷面積，m;Hj電站最小凈水頭，m;自水庫至調壓室水頭損失系數(包括局部損失與沿程摩擦損失)，在有連接管時應計入速頭: K系數，一般選用1.0 1.1。5.5.3 調壓室的涌波計算 調壓室涌波計算按DL/T 5058-1996的規定進行。(1)調壓室最高涌波計算按上游水庫正常蓄水位和電站機組滿載運行瞬時丟棄全部負荷，或按上游水庫設計洪水位，電站滿載運行瞬時丟棄全部負荷，作為設計情況進行計算；并按上游水庫校核洪水位,瞬時丟棄全部負荷的情況作為校核情況。(2)調壓室最低涌波計算調壓室的最低涌波水位,按上游水庫最低設計水位,電站由(m-1)臺機組的過流

15、量增至m臺的情況作計算。計算壓力引水道的水頭損失時糙率取可能的最大值。 (3)尾水調壓室的涌波計算 參照有關調壓室設計規范中的尾水調壓室的規定進行計算。 5.6 水輪機調節保證計算(包括水錘計算) 圖1調壓室水位變化及壓坡線提示：(1)調節保證計算是水電站設計中重要課題之一,它不僅影響壓力管道、機組、渦殼等過流部件的強度,而且影響電站的安全運行和機組的穩定性,有時甚至影響電站的總體布置方案。 (2)當機組甩負荷時,水輪機導葉關閉,在壓力管道和渦殼中引起壓力上升,尾水管中引起壓力下降。與此同時機組轉速也發生劇變,水輪機導葉關閉較慢時,則水輪機剩余能量較大,機組速率上升值就較大,流速變化較慢,水擊

16、壓力較小;如導葉關閉快(即調速時間短),則速率上升值小,水擊壓力大。5.6.1 調節保證計算的主要任務提示：正確合理地解決導葉關閉時間、水擊壓力上升值和機組速率上升值三者之間的關系,最后選擇適當的導葉關閉時間,使水壓上升值和速率上升值都在規范允許范圍內,以保證壓力過水系統及機組結構的安全和供電質量。5.6.2 水擊計算的任務 (1)決定壓力管道內最大內水壓力,作為設計或校核壓力管道、渦殼和水輪機強度的依據。 (2)決定管路內最小內水壓力,作為布置管線及防止壓力管道中產生真空和校核尾水管內真空度的依據。5.6.3 調節保證計算標準和計算條件 (1)壓力變化的計算標準 1)壓力升高壓力過水系統末端

17、(渦殼末端)的允許相對壓力升高值max,目前一般采用下列數值:圖2壓力管道內水擊壓力分布示意圖 當Ho100m時, max=0.150.30; 當Ho =40m100m時, max=0.300.50; 當Ho40m時, max=0.50.7。2)壓力降低在壓力過水系統內任何位置不允許產生負壓,且應有2 m3 m的余壓;尾水管進口的允許最大真空度為8 m水柱壓力。(2)轉速變化的計算標準甩滿負荷時機組速率上升值的允許值必須滿足SDJ 17385第2.2.3條中的規定:當機組容量占電力系統工作總容量的比重較大,且擔負調頻任務時,宜小于45 ;當機組容量占電力系統工作總容量的比重不大或負擔基荷時,宜

18、小于55 。提示：經過專門論證后值也可略超過55 。5.6.4 水錘計算和調節保證計算方法提示：詳細的計算方法可參考水電站機電設計手冊水力機械部分。5.6.4.1 水錘計算提示：(1)水輪機的關閉引起管路中產生正水錘;水輪機的開啟則引起負水錘。水錘之大小和關閉及開啟的時間長短有關。(2)水錘計算的方法有圖解法和解析法圖解法可將水錘變化與關開機的時間變化過程均能在繪圖中表示。在復雜管道布置如有岔管的壓力管道采用圖解法較為精確如果是單機單管則采用解析法也已達到設計所要求的精度。此處只介紹解析法的計算方法圖解法可參考有關水錘計算的專著。(3)水錘又分為直接水錘和間接水錘。(1) 水錘波傳播速度a計算

19、式中:水錘波傳播速度，m/s； 1425為聲音在水中的傳播速度，m/s; E0水的彈性模量, E02.1×103MPa; E管壁材料的彈性模量：鋼 E2.1×105MPa;生鐵 E1.0×105MPa;鋼筋 E2.1×104MPa;橡皮 E2MPa6 MPa;D管道直徑,cm; 管壁厚度，cm。 (2)判別直接水錘和間接水錘及其水錘壓力形式 1)判別直接或間接水錘 直接水錘:水輪機關閉或開啟時間 Tst=2L (10)間接水錘:水輪機關閉或開啟時間 Tst=2L (11) 式中: Ts 水輪機導葉關閉或開啟的時間，s； 水錘波傳播速度，ms; t 水錘波

20、行駛兩倍管路長度所需時間稱為水錘的相; L 管道長度，m。 2)判別水錘壓力形式 為了判別水錘壓力形式，需計算管道特性系數和。 管道系數: 管路斷面系數: 式中: V0 管道中的初始流速，m/s; 水錘波傳播速度，m/s; H0 靜水頭,即上游水位與尾水位之差，m; Ts 水輪機導水葉關閉或開啟時間，s; g 重力加速度, g9.81m/s2 ; LV 為壓力輸水管LTVT,渦殼LCVC和尾水管LBVB的總和， LVLTVTLCVCLBVB 。 根據管道特性系數和，即可在水錘形式判別圖中確定水錘的范圍。 (3)水錘計算的解析法 1) 間接水錘 當01.5時, 最大水錘壓力發生在末相: m(/2

21、)±(24)1/2 (14) 當01時,最大水錘發生在第一相末: 1201(1±1)1/2 (15) 式中:、 管道特性系數; m 末相水錘相對壓力升高或降低; 1 第一相水錘相對壓力升高或降低; 0 導水機構的初始相對開度; 1 第一相末導水機構的相對開度。 亦可采用基謝列夫“水力計算手冊”中的公式計算1:12(021)(021)220211/2 (16) 2)直接水錘 當Ts2L/時為直接水錘,其壓力升高值為H,在完全關閉(k0)時: HV0/g (17) 式中：V0 為管道中起始流速。 (4)壓力管道中水錘壓力分布圖3直接水錘沿管線分布簡圖 1)壓力管道的最大壓力升高

22、T為:TLTVT /(LV)max (18) HTTH0 (19) 2)渦殼末端最大壓力升高c為: c(LTVTLCVC)/(LV)max (20)HccH0 (21) 3)尾水管中的最大壓力降低B為:B(LBVB)/(LV)max (22)HBBH0 (23)圖4間接水錘沿管線分布簡圖 4)尾水管最大真空度HB為: HBHSV23/(2g)HB (24) 式中：HS 吸出高度，m; V3 尾水管進口流速，m/s 。 5.6.4.2 轉速變化計算 甩全負荷時轉速變化計算公式: 甩負荷時機組速率上升值： (n maxn0)/n0100 (25) 式中:n0 初始轉數,即甩負荷前機組的穩定轉數;

23、n max 甩負荷過程中機組所達到的最大瞬時轉速。 用列寧格勒金屬工廠(··)的公式計算： 11(365N0T)/(GD2n20)1/21(T/T a)1/21 (26) 式中：G、D 分別為機組轉動部分的重量和慣性直徑。由于發電機轉子的慣性比機組其他轉動部分的慣性大得多,通常只考慮發電機轉子的GD2； T 水輪機出力自N0降低至0時的歷時(升速時間); N0 機組起始出力，kW; Ta 機組慣性時間常數，Ta(GD2n20)/(365N0),s 。 由于導水葉關閉過程中,水輪機出力受水擊壓力和水輪機特性等因素的影響;和導葉動作滯后以及采用不同導葉啟閉規律等因素的影響。必須采用修正系數,常用的有摩根史密斯(S.M.S.)公式: f(1cp)3/2 (27) TS/(2Ta)f C (29) 式中:f 水擊影響修正系數; C 水輪機飛逸特性影響修正系數; TS 導葉總關閉時間，s; np 水輪機飛逸轉速，r/min; cp 平均水擊壓力相對值。 其次在我國常用列寧格勒金屬工廠(.)公式:1(TS1/Ta)f1/2-1 (30) 式中: f 水擊影響修正系數。 當0.6及0.5時,可根據(LV)/(gH0TS)值查圖5即