水电站建筑物设计.doc

一、设计课题
水电站有压引水系统水力计算。
二、设计资料及规定
1、设计资料见《课程设计指导书、任务书》；
2、设计规定：
（1）、对整个引水系统进行水头损失计算；
（2）、进行调压井水力计算球稳定断面；
（3）、拟定调压井波动振幅，涉及最高涌波水位和最低涌波水位；
（4）、进行机组调节保证计算，检查正常工作状况下税基压力、转速相对值。
三、调压井水力计算求稳定断面
<一>引水道的等效断面积：，(L为调压井前引水道的长度)
引水道有效断面积f的求解表
栏号
引水道部位
过水断面fi（m2）
Li(m)
Li/fi
(1)
拦污栅
61.28
4.1
0067
(2)
喇叭口进水段
29.76
6.0
0.202
(3)
闸门井段
24.00
5.6
0.233
(4)
渐变段
23.88
10.0
0.419
(5)
D=5.5m
23.76
469.6
19.764
(6)
锥形洞段
21.65
5.0
0.231
(7)
调压井前管段
19.63
10.98
0.559

所以引水道的等效断面积=511.28/21.475=23.808m2
<二>引水道和压力管道的水头损失计算：
引水道和压力管道的水头损失都涉及局部水头损失h局和沿程水头损失h沿两部分。
1, 式中
g ：重力加速度9.81m/s2 Q ：通过水轮机的流量取102m3/s
ω ：断面面积 m2 ：局部水头损失系数

局部水头损失h局计算表

栏号

引水建筑物部位及运营
工况

断面面积
ω（m2）

局部水头损失系数

局部水头损失
10-6Q2（m）
合计(m)
(1)
进
水
口
拦污栅
61.28
0.12
0.017

0.307
(2)
进口喇叭段
29.76
0.10
0.060
(3)
闸门井
24.00
0.20
0.184
(4)
渐变段
23.88
0.05
0.046
(5)
隧
洞
进口平面转弯
23.76
0.07
0.066

0.204
(6)
末端锥管段
19.63
0.10
0.138
(7)
调
压
井
正常运营
19.63
0.10
0.138

2.202
(8)
增一台机负荷，从调压井流入管道
19.63
1.50
2.064
(9)

压
力
引
力
管
道
上水平段平面转弯
19.63
0.04
0.055

4.464
（10）
下水平段平面转弯
9.08
0.08
0.515
（11）
斜井顶部立面转弯
19.63
0.09
0.124
（12）
斜井底部立面转弯
9.08
0.09
0.579
（13）
锥管
9.08
0.08
0.515
（14）
三台机满发1岔管
19.63
0.30
0.413
（15）
三台机满发2岔管
19.63
0.45
0.619
（16）
一台机满发1岔管
19.63
0.27
0.372
(17)
一台机满发2岔管
19.63
0.27
0.372
(18)
蝴蝶阀
9.08
0.14
0.900

从上表中可以看出：引水道的h局=0.307+0.202+2.204=2.713m
管道的h局=4.464

2,
n：糙率系数，引水道糙率取最小值0.012；压力管道取最大值0.013m
l ：引水道长度 m ω ：断面面积 m2
R：为水力半径 m Q ：通过水轮机的流量m3/s
沿程水头损失h程计算表
栏号

引水道部位
过水断面面积W（）
湿
周
（m）
水力半径
R（m）
引水道长
（m）
h程
(m)
合计
（m）
1
进
水
口
喇叭口进水段
29.76
21.98
1.3540
6.0
0.007
0.007
2
闸门井段
24.00
20.00
1.2023
5.6
0.011
0.011
3
渐变段
23.88
18.64
1.2811
10.0
0.018
0.018
4
隧
洞
D=5.5M段
23.76
17.28
1.3756
469.6
0.815
0.815
5
锥形洞段
21.65
16.49
1.3125
50
0.011
0.011
6

调压井
前管段
19.63
15.71
1.2500
10.98
0.032
0.032
7

1号叉管
19.63
15.71
1.2500
35.74
0.109
0.109
8
1-2号叉管
19.63
15.71
1.2500
29.21
0.040
0.040
9
2号叉管
19.63
15.71
1.2500
12.23
0.004
0.004
10
锥管段
13.85
13.19
1.0500
3.97
0.003
0.003
11
D=34段
9.08
10.68
0.8500
21.25
0.057
0.057
上表中栏号1、2、3、4、5、6中的Q=102；栏号7中Q=96.9；栏号 8中Q=64.6；栏号9中Q=32.3；栏号10中Q=32.3；栏号11中Q=32.3；

=2.713（0.007+0.011+0.018+0.815+0.011+0.032）
=3.607m

压力管道沿程水头损失：
=0.109+0.040+0.004+0.003+0.057=0.213m
<三>、调压井稳定断面的计算
为使求得的稳定断面满足各种运营工况的规定，上游取死水位，下游取正常尾水位情况计算

hw0：引水道水头损失，大小为3.608844m
hwT0：压力管道沿程水头损失，大小为0.213m
H0：静水头，H0=上游死水位—下游正常尾水位=1082.0－1028.5=53.5m

则=53.5-3.608844-30.213=49.2522m
取K=1.5，D=5.5m，，
=hw0/v2=0.196639

当三台机组满出力时，保证波动稳定所需的最小断面：=k
其中k=1.21.5，g=9.81, L=511.28m , f=23.81 = 49.2522(m)
=k==62.6849

则调压室断面直径D==√(4*62.6849/3.14)=8.9361m.

四．水位波动的计算：
hw0为引水道的水头损失，涉及沿程损失和局部水头损失两部分，

局部水头损失h局计算表

栏号

引水建筑物部位及运营
工况

断面面积
ω（m2）

局部水头损失系数

局部水头损失
10-6Q2（m）
合计(m)
(1)

进
水
口
拦污栅
61.28
0.12
1.629Q2

29.550 Q2
(2)
进口喇叭段
29.76
0.10
5.755Q2
(3)
闸门井
24.00
0.20
17.697Q2
(4)
渐变段
23.88
0.05
4.469Q2
(5)
隧
洞
进口平面转弯
23.76
0.07
6.320Q2

19.547 Q2
(6)
末端锥管段
19.63
0.10
13.227Q2
（7）
调
压
井
正常运营
19.63
0.10
13.227 Q2

211.632 Q2
（8）
增一台机负荷，从调压井流入管道
19.63
1.50
198.405 Q2

沿程水头损失 h程计算表

栏号
引水道部位

过水断面
ω（m2）
湿周
（m）
水力半径
R（m）
引水道长
（m
h程
10-6n2Q2
（m）
合计
（m）
1
喇叭口进水段
29.76
21.98
1.3540
6.0
4522.66 n2Q2

2
闸门井段
24.00
20.00
1.2023
5.6
7624.13n2Q2

3
渐变段
23.88
18.64
1.2811
10.0
12603.40n2Q2

4
D=5.5M洞段
23.76
17.28
1.3756
469.6
543724.61n2Q2

5
锥形洞段
21.65
16.49
1.3125
5.0
7423.15n2Q2

6
调压井前管段
19.63
15.71
1.2500
10.98
21161.60n2Q2

<一>、最高涌波水位：
（1）. 当上游为校核洪水位1097.35m，下游为相应的尾水位1041.32m，电站丢弃两台机时，若丢荷幅度为30000——0KW，则流量为63.6——0m3/s，用数解法计算。

，
其中：引水道的直径为5.5m; Q0为流量，大小为63.6 m3; g为重力加速度9.81 m/s2
L为引水道的长度511.28m; f为引水道的等效面积23.81
F为稳定断面的面积 100.49; hwo为引水道的水头损失
hw0=h局+h沿=(29.550+19.547+211.632) Q2 +( 4522.66+7624.13+12603.40+543724.61+7423.15+21161.60)n2Q2
Q取63.6m3/s; n取糙率系数的最小值0.012
则hw0=1.055m+0.348m=1.403m
则计算结果如下：
λ==50.6325
X0==0.0277
查书本P150图10-4得，则Zmax0.22*50.6325=11.1392m
所以，最高涌波水位=11.1392+1097.35=1108.4892m。
(2). 当上游为校核洪水位1097.35m，下游为相应的尾水位1041.32m，电站丢弃两台机时，若丢荷幅度为45000——15000KW，则流量为96.5——31.0m3/s。运用图解法求解：

A、以横轴表达引水道流速v，以圆点向左为正，向右为负；
以纵轴表达水位z，以向上为正，向下为负，横轴相称于静水位。
B 、辅助曲线，
①、引水道水头损失曲线：，

=0.213
② 、绘制,

T=2 π=
③
则 =T/25=3.80(s)
又=23.81/100.49=0.237,当丢弃负荷为45000~15000时，流量从96.5~31.0，=31.0/100.49=0.308;

c.绘制曲线
=
即：0.073 ；
曲线如图
有图可知最高涌波水位：=157.83*50/1000=7.8915m
=7.8915+1097.35=1105.24m
<二>、最低涌波水位：
当丢弃全负荷时（30000~0，流量变化为67.5—0），因调压室水位达成最高水位时，水位开始下降，此时隧洞中的水流朝着水库方向流动，水从调压室流向进水口，因此水头损失应变为负值，水位到达最低值称为第二振幅。
，67.5/23.81=2.835m/s,
由于：
=-3.607/(-13.758)=0.262,
所以由图10—4可得：
︱︳/=0.39, ∴=0.39×(-13.254)=-5.169m;
=1082.0-5.169=1076.83m
增长负荷时的最低涌波水位计算：
数解法
上游为死水位，下游为正常尾水位，增荷幅度为30000~45000KW，流量变化由68.5~102.5；
=68.5/23.808=2.877m/s, m=68.5/102.5=0.668

根据和m值，查图10-5可得：
代入数据得：=1.5，∴=1.5×3.607=5.411m
则 水库最低水位为 1082-5.411=1076.589m
图解法
增长负荷时的图解法与丢弃负荷的图解法类似，同样选择坐标系，绘出；
=T/25=3.80(s)，=23.81/100.49=0.237，=102.5/100.49=1.02
即：0.901-3.876

=g×/L=981×3.8/511.28=0.073
即：0.073
谢才系数
=0.213

增长负荷时的调压室水位波动图见附页CAD制图。
有图可知=1082-139.07*50/1000=1075.047m
通过以上计算可知：水库的最低涌波水位为1075.047m.

五．调节保证计算
1、 检查正常工作情况下的水击压力
相应的正常工作情况下的正常蓄水位为1092.0米，相应的尾水位为1028.5米，则：，
由所给资料可知：正常工作情况下的正常蓄水位为1092.0米，相应的尾水位为1028.5米，三台机满发电，通过水轮机的流量为969，于是：
起始的流速96.9/23.808=4.07m,
水锤波速：

上式中，水的体积弹性模量，一般为2.1×；
为水的容重，取9.81，r为管道的半径,,压力管道半径取2.5m.蜗壳半径取1.22m.尾水管半径取1.7m，K为管道抗力系数。
由于

所以
压力管道=102.32米，蜗壳=20.4米，尾水管=16.2米；
管长L=
，，;
由压力管道相关参数表可知：

∴

管道特性系数为
当机组满负荷运营时，，，由于阀门从全开到全关的时间为7S，其中有效关闭时间为,一个相长

所以：管道的特性系数由式

由以上计算并查图9-4水锤类型判别图可知：该水锤为极限正水锤，由式9-15可得：

校核尾水管进口处的真空度
尾水管的负水锤：

尾水管在进口断面出现时的流速水头如下：

∴尾水管进口处的真空度在8~9米之内，满足规定
所以在正常工作情况的水击压力为15.7m

2、 检查相对转速升高是否满足规范规定
该水电站的保证出力为1.07×，有效关闭时间为4.68s,所以，，

由下图可知：
f=1.11

，，
所以：1.96%
转速变化率

根据规范：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， βmax宜小于45％；
当机组容量占电力系统总容量的比重不大或担负基荷时， βmax宜小于55％；对斗叶式水轮机， βmax宜小于30％。
所以转速相对升高，并且保证规范规定的前提下，是满足规定的.