调保计算(附件5).doc

调 保 计 算
一、调节保证计算的任务
（一）水击的危害
(1)压强升高过大→水管强度不够而破裂；
(2)尾水管中负压过大→尾水管汽蚀，水泵运行时产生振动；
(3)压强波动→机组运行稳定性和供电质量下降。
（二）调节保证计算
水击和机组转速变化的计算，一般称为调节保证计算。
1．调节保证计算的任务：
(1) 计算有压引水系统的最大和最小内水压力。最大内水压力作为设计或校核压力管道、蜗壳和水泵强度的依据；最小内永压力作为压力管道线路布置，防止压力管道中产生负压和校核尾水管内真空度的依据；
(2)计算丢弃负荷和增加负荷时转速变化率，并检验其是否在允许的范围内。
(3)选择调速器合理的调节时间和调节规律，保证压力和转速变化不超过规定的允许值。
(4)研究减小水击压强及机组转速变化的措施。
2．调节保证计算的目的
正确合理地解决导叶启闭时间、水击压力盒机组转速上升值三者之间的关系，最后选择适当的导叶启闭时间和方式，使水击压力和转速上升值均在经济合理的允许范围内。
二 、水击现象
1．定义
在水站运行过程中，为了适应负荷变化或由于事故原因，而突然启闭水泵导叶时，由于水流具有较大的惯性，进入水泵的流量迅速改变，流速的突然变化使压力水管、蜗壳及尾水管中的压力随之变化，这种变化是交替升降的一种波动，如同锤击作用于管壁，有时还伴随轰轰的响声和振动，这种现象称为水击。
2．水击特性
(1)水击压力实际上是由于水流速度变化而产生的惯性力。当突然启闭阀门时，由于启闭时间短、流量变化快，因而水击压力往往较大，而且整个变化过程是较快的。
(2)由于管壁具有弹性和水体的压缩性，水击压力将以弹性波的形式沿管道传播。
注:水击波在管中传播一个来回的时间 tr=2L/a，两个相为一个周期2tr=T
(3)水击波同其它弹性波一样，在波的传播过程中，在外部条件发生变化处（即边界处）均要发生波的反射。其反射特性（指反射波的数值及方向）决定于边界处的物理特性。
三、水击波的传播速度
水击波速与管壁材料、厚度、管径、管道的支承方式以及水的弹性模量等有关，其计算公式为：

式中K—水的体积弹性模量，一般为2.06×l03MPa;
E—管壁材料的纵向弹性模数（钢村E=2.06×l03MPa，铸铁E=0.98×l05MPa，混凝土E=2.06×l04MPa)；
为声波在水中的传播速度，随温度和压力的升高而加大，一般取1435m/s。
一般情况下，露天钢管的水击波速可近似地取为lOOOm/s，埋藏式钢管可近似地取为1200m/s。钢筋混凝土管可取900m/s～1200m/s。
四、水击基本方程
（一）基本方程

对有压管道而言，不论在何种情况下都应满足水流的运动方程及连续方程。当水管材料、厚度及直径沿管度不变，且不计水力摩阻损失时，其简化方程为（取阀门端为原点，x向上游为正）

注：F和f为两个波函数，其量纲与水头H量纲相同，故可视为压力波，任何断面任何时刻的水击压力值等于两个方向相反的压力波之和；而流速值为两个压力波之差再乘以-g/a。

　以为逆水流方向移动的压力波，称为逆流波；　　　 　为顺水流方向移动的压力波，称为顺流波。
（二）水击计算的连锁方程
水击连锁方程给出了水击波在一段时间内通过两个断面的压力和流速的关系。前提应
满足水管的材料、管壁厚度、直径沿管长不变：

用相对值来表示为

五、水击的边界条件
应用水击基本方程计算水电站压力管道中水击时，首先要确定其起始条件和边界条件。
（一）起始条件
当管道中水流由恒定流变为非恒定流时，把恒定流的终了时刻看作为非恒定流的开始时刻。即当t=0时，管道中任何断面的流速V=Vo;如不计水头损失，水头H=HQ。
（二）边界条件
1．管道进口
管道进口处一般指水库或压力前池。水库和压力前池水位变化比较慢，在水击计算中不计风浪的影响，一般认为水库和前池水位为不变的常数是足够精确的。
即进口边界边界条件为： Hp=Ho
2．分岔管
分岔管的水头应该相同， Hp１= Hp２＝Hp３＝…＝Hｐ
分岔处的流量应符合连续条件， ∑Q=0
3．分岔管的封闭端
在不稳定流的过程中，当某一机组的导叶全部关闭，或某一机组尚未装机，而岔管端部用闷头封死，其边界条件为：Qp=0
4．调压室
把调压室作为断面较大的分岔管，其边界条件为：调压室内有自由水面，而隧洞、调压室与压力管道的交点和分岔管相同。
5．水泵
水电站压力管道出口边界为水泵，水泵分冲击式和反击式，两种型式的水泵对水击的影响不同。
(1)(1)冲击式水泵
冲击式水泵的喷嘴是一个带针阀的孔口，符合孔口出流规律，水泵转速变化对孔口出流没有影响。阀门处A点的边界条件：

(2)(2)反击式水泵
反击式水泵的过水能力与水头H、导叶开度a和转速n有关。即Q=Q(H,a，n)
反击式水泵的过水能力与冲击式水泵的不同之处就要考虑水泵转速变化的影响，因此增加了问题的复杂性。为了简化计算，常假定压力管道出口边界条件为冲击式水泵，然后再加以修正。
六、调节保证计算标准和改善调节保证的措施
一、调节保证计算标准和计算条件
所谓调节保证计算标准，就指水击压力和转速变化在技术经济上合理的允许值。这种标准在技术规范中有所规定，但这是在一定时期和一定技术水平和经济条件下制定的，应用时应结合具体情况加以确定。
（一）水击压力的计算标准
1．压力升高

2．压力降低
在压力引水系统的任何位置均不允许产生负压，且应有2～3m水柱高的余压，以保证管道尤其是钢管的稳定和防止水柱分离。尾水管进口的允许最大真空度为8m水柱高。
（二）转速变化的计算标准
限制机组转速过大的变化主要是为了保证机组正常运行和供电的质量。在丢弃全负荷的情况下，主要是防止机组强度破坏、振动和由于过速引起过电压而造成发电机电气绝缘的损坏。
最大转速变化值通常以相对值 表示。考虑到目前国内机组的设计、制造、运行等情况，其允许值βmax可按以下情况考虑：
1．当机组容量占电力系统总容量的比重较大，且担负调频任务时，宜小于45%；
2．当机组容量占电力系统总容量的比重不大或担负基荷时，宜小于55%；对斗叶式水泵，宜小于30%。
注:当大于上述值时，应有所论证。
（三）调节保证的计算条件
1．水击压强计算条件
管道中的最大内水压强一般控制在以下两种工况：
(1)上游最高水位时电站丢弃负荷。此时电站流量和水击压强都不是最大值，但由于管道中的静水压较高，叠加的结果可能成为控制工况。
(2)设计水头下电站丢弃负荷。管道中的静水压较低，但电站的流量和水击压力较大，叠加的结果也可能成为控制工况。
当压力管道为单元供水时，一般按丢弃全负荷考虑；当压力管道为联合供水时，若与管道连接的所有机组由一个回路出线，则应按这些机组同时丢弃全负荷考虑；若这些机组由两个或两个以上回路出线，则应根据具体情况分析而定。
管道中的最小内水压强一般控制在以下两种工况：
(1)上游最低水位时电站丢弃负荷。导叶关闭后的正水击经水库和导叶反射而成的负水
击；
(2)(1)上游最低水位时，电站最后一台机组投入运行。
2．转速上升率的控制工况
设计水头+水电站丢弃全负荷。
二、减小水击压强的措施
（一）缩短压力管道的长度
缩短压力管道长度，使从进水口反射回来的水击波能够较早地回到压力管道末端，从而减小水击值。从管道特性系数 。中可看出，减小三可以减小 σ ，再从水击计算近似公式中可看出，σ减小可使 减小。在较长的引水系统中，设置调压室，是缩短压力管道的常用措施。
（二）减小压力管道中的流速
减小流速可减小压力管道中单位水体的动量，从而减小水击压力。但是水电站在运行中求流量是一定的，要减低流速势必要加大管径，增加管道造价。因此用加大管径办法降低水击压强，往往是不经济的，但在一定条件下，如果适当加大管径后便可不设调压室，还是比较合理的。
（三）延长有效的关闭时间
延长有效的关闭时间Ts，可使管道内水体动量的变化率减小，从而降低水击压力。但增大T。会使机组转速变化率侈值增加，甚至超过允许值。要解决这个矛盾，可采取以下措施：
1.反击式水泵设置减压阀（空放阀）：在蜗壳的进口附近装设减压阀。在关闭过程中，导叶按照保证转速变化率不超过允许值所耍求的关闭时间Ts关闭，同时，受到同一调速器控制的减压阀及时打开，向下游泄放部分流量。导叶完全关闭时，减压阀的流量达最大值，以后减压阀逐渐地关闭。整个泄水历时为T,因而水击压力可以减小。
注：减压阀在机组增加负荷时不起作用。

减压阀装置示意图
2．冲击式水泵的机组装置偏流器（折流器）
在喷嘴出口装置偏流器，丢弃负荷时，它能以较快速度在1～2s内动作，将射流偏折，离开转轮，防止机组转速变化过大。针阀以较慢速度关闭，从而减小水击压力。
注：偏离器在增荷时不起作用。
偏流器构造简单，造价便宜，且无需增加厂房的尺寸，在水斗式水泵的机组经常采
用。
3．设置水阻器
水阻器是一种利用水阻消耗能量的设备，它与发电机母线相联，用调速器操作。当机组丢弃负荷时，调速器使水阻器投入，将机组原来输入系统的功率消耗于水阻之中，也就是用水阻代替机组原有的负荷，然后调速器在一个较长时间内将水泵导叶逐渐关闭。
注：水阻器对于增加负荷时不起作用。
（四）选择合理的调节规律
采用合理的关闭规律能有效地降低水击压力值。

注:采用合理的关闭规律减小水击压强，简单易行，又比较经济，应优先考虑。