一种长引水系统水电站引水调压室设置判别方法技术方案

本发明专利技术公开了一种长引水系统水电站引水调压室设置判别方法，该方法包括：步骤1在上游水库断面、水轮机进口断面以及下游尾水渠断面分别建立一元非恒定管流的能量方程，结合水轮机工作水头方程，得到考虑水电站引水系统水头损失的刚性水击方程；步骤2联立近似的水轮机边界条件，经系列处理，得到考虑输水系统水头损失的流量‑导叶开度关系式q＝q(φ)；步骤3通过移项得到蜗壳末端处的最大水击压力上升率ξ

【技术实现步骤摘要】
一种长引水系统水电站引水调压室设置判别方法
本专利技术属水工设计
，具体涉及一种长引水系统水电站引水调压室设置判别方法，其是一种水工设计依据，用于在可行性研究及初步设计阶段，缺乏水轮机全特性曲线的情况下确定是否需要设置引水调压室，以指导工程的初步设计，加快工程进度，降低工程造价。
技术介绍
水电站有时由于受地形、地质条件的限制，需要设置较长的压力引水管道，使得引水系统的水流惯性较大。当电站负荷变化时，引水系统内产生水击，且水道越长，水击压力越大，严重时可导致爆管及机组结构性破坏。设置引水调压室是保护引水系统免受水击压力、改善机组运行条件最有效的工程措施。然而，引水调压室一般体型较大、施工困难、造价十分昂贵，因此，在什么条件下需要设置引水调压室应当认真研究确定。然而目前现有的国内外引水调压室设置判断标准均忽略了引水系统水头损失对引水调压室设置的影响。当水电站引水系统的管道较长时，特别是对于长引水系统的有压引水式水电站而言，其引水系统的水头损失较大，忽略水头损失可能带来较大误差。目前，国内外设置引水调压室的条件，常以压力管道中的水流惯性为考量。规范中介绍了多种引水调压室设置的初步判别条件，主要包括：1、基于水道特性的初步判别条件TW>[TW](1)式中：TW——压力管道中水流惯性时间常数，s；[TW]——TW的允许值，一般取2～4s；Li——压力管道及蜗壳各段的长度，m；Vi——各管段内相应的平均流速，m/s；g——重力加速度，m/s2；Hp——设计水头，m。<br>上式即水电站基于水道特性的引水调压室初步判别条件，当满足式(1)时，需要设置引水调压室。[TW]值也与水电站的水头、调节保证参数限制值、机组加速时间常数等有关，在机组参数具备时，[TW]的取值可按式(3)计算。式中：ε＝0.9-0.00063ns；tr——水击波相长，s；ξmax——蜗壳最大压力升高率；βmax——机组最大转速升高率；Ta——机组加速时间常数，s；Tc——接力器动作迟滞时间，s；ns——水轮机比转速；fσ——水击压力修正系数。对于一相水击：对于末相水击：式中：Tn——升速时间，即机组转速最大值所对应时间，s；Ts——导叶有效关闭时间，s；τ0——导叶初始相对开度：n——与机组效率相关的指数。在一相水击时，n推荐取值2.2：在末相水击时，n推荐取值∞；σ——管道特征系数：H0——水轮机工作水头，m。2、国内规范公式——基于机组特性的初步判别条件式中：TW1——上、下游自由水面间压力管道中水流惯性时间常数，s；Ta——机组加速时间常数，s；GD2——机组的飞轮力矩，kg·m2；n——机组的额定转速，r/min；P——机组的额定出力，W。其中TW1中的Li、Vi分别为压力管道、蜗壳、尾水管及尾水延伸管道各段的长度及相应的平均流速。当不满足式(4)时，可按下图1进行初步判别。当处于①区时，可不设引水调压室；当处于②区时，应详细研究设置引水调压室的必要性；当处于③区时，应设置引水调压室。机组的调速性能(即机组的运行稳定性和调节品质等)与TW1、Ta等直接相关，在调速器参数和机组参数已知的情况下，也可采用式(6)进行初步判断。式中：A＝Td(1-0.5bt)(1+bt)；TW1——上、下游自由水面间压力管道中水流惯性时间常数，s；Td——调速器缓冲时间常数，s；Ta——机组加速时间常数，s；bt——调速器暂态转差系数；通过分析可知，上述两类判别条件均忽略了引水系统水头损失对引水调压室设置的影响。当水电站引水系统的管道较长时，特别是对于长引水系统的有压引水式水电站而言，其引水系统的水头损失较大，忽略水头损失可能带来较大误差。不仅如此，基于水道特性的初步判别条件中的[TW]取值范围较广，容易出现电站TW值在2～4s内难以确定是否设置引水调压室；且根据工程实践发现，存在电站TW值小于2s，但经过水力过渡过程计算和详细的技术经济比较后，选择设置引水调压室的情况，这些都给水电站的初步设计带来了困难。鉴于此，专利技术一种考虑引水系统水头损失的水电站引水调压室的设置判别方法，以判断是否需要设置引水调压室，为工程的初步设计提供参考。
技术实现思路
针对现有技术中的不足与难题，本专利技术旨在提供一种长引水系统水电站引水调压室设置判别方法，其判别条件考虑了水电站引水系统的动态水头损失，理论上更为完善、合理。本专利技术通过以下技术方案予以实现：一种长引水系统水电站引水调压室设置判别方法，该方法中引水调压室设置判别条件的推导步骤如下：步骤1：在上游水库断面1-1和水轮机进口断面2-2，以及下游尾水渠断面3-3分别建立一元非恒定管流的能量方程，结合水轮机工作水头方程，得到考虑水电站引水系统水头损失的刚性水击方程，即得到压力变化率ξ与相对流量q，相对水头损失系数ks和导叶相对开度φ的函数关系；步骤2：联立近似的水轮机边界条件，得到一类Ricatti微分方程，通过积分和泰勒级数展开处理，得到考虑输水系统水头损失的流量-导叶开度关系式q＝q(φ)；步骤3：将q＝q(φ)代入步骤1中的上游水库断面和水轮机进口断面之间的能量方程，通过移项得到蜗壳末端处的最大水击压力上升率ξs与导叶相对开度φ的函数关系ξs＝f(φ)，所述函数关系中包含了引水系统水力损失的影响；步骤4：计算ξs＝f(φ)在φ∈[0,1]内的最大值，令其满足于蜗壳末端最大压力上升率ξs不超过允许值[ξmax]的控制要求，即ξs≤[ξmax]，最终得到引水系统水流惯性时间常数的允许值[TW]；步骤5：形成引水调压室设置与否的判别条件，即当实际的引水系统水流惯性时间常数TW＜[TW]时，可以不设引水调压室；当TW＞[TW]时，需要设置引水调压室。进一步地，步骤2中q＝q(φ)的具体公式为：式中，q为相对流量；σ为引水系统的管道特征系数；ks为相对水头损失系数；φ为导叶相对开度。进一步地，步骤4中，得到的[TW]公式为：式中，[TW]为水流惯性时间常数TW的允许值；Ts为导叶有效关闭时间，s；ξs为最大水击压力上升率允许值；Z为相对于基准断面的高程，m；S为引水系统总损失系数；Q0为恒定流时的流量，m3/s；f为机型修正系数，与水轮机的比转速相关；Hp为电站设计水头，m。与现有技术相比，本专利技术有益效果包括：(1)本专利技术考虑了输水系统动态水头损失，对于具有长引水隧洞的水电站而言，水头损失较大，与传统设计依据中忽略输水系统水头损失相比，更为合理。(2)本专利技术可计算出考虑水头损失时，机组甩全负荷、导叶直线关闭工况下的机组过流量随时间的变化过程，与传统设计依据中假设流量随时间线性变化相比更符合实际。(3)本专利技术考虑了引水系统内水流惯性引起的水击压力和引水系统摩阻压力的时序叠加，与基于水道特性的传统设计依据中取[本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种长引水系统水电站引水调压室设置判别方法，其特征在于，该方法步骤如下：/n步骤1：在上游水库断面、水轮机进口断面以及下游尾水渠断面分别建立一元非恒定管流的能量方程，结合水轮机工作水头方程，得到考虑水电站引水系统水头损失的刚性水击方程，即得到压力变化率ξ与相对流量q，相对水头损失系数k

【技术特征摘要】
1.一种长引水系统水电站引水调压室设置判别方法，其特征在于，该方法步骤如下：
步骤1：在上游水库断面、水轮机进口断面以及下游尾水渠断面分别建立一元非恒定管流的能量方程，结合水轮机工作水头方程，得到考虑水电站引水系统水头损失的刚性水击方程，即得到压力变化率ξ与相对流量q，相对水头损失系数ks和导叶相对开度φ的函数关系；
步骤2：联立近似的水轮机边界条件，得到一类Ricatti微分方程，通过积分和泰勒级数展开处理，得到考虑输水系统水头损失的流量-导叶开度关系式q＝q(φ)；
步骤3：将q＝q(φ)代入步骤1中的上游水库断面1-1和水轮机进口断面2-2之间的能量方程，通过移项得到蜗壳末端处的最大水击压力上升率ξs与导叶相对开度φ的函数关系ξs＝f(φ)，所述函数关系中包含了引水系统水力损失的影响；
步骤4：计算ξs＝f(φ)在φ∈[0,1]内的最大值，令其满足于蜗壳末端最大压力上升率ξs不超过允许值[ξmax]的控制要求，即ξs≤[ξmax]，最终得到引水系...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄伟，李火坤，程颖新，徐富刚，林弘康，闫峰，仇群伊，成一雄，万子豪，谢杰，
申请(专利权)人：南昌大学，
类型：发明
国别省市：江西;36