水电站调压室托马临界稳定断面公式再认识

托马临界稳定断面公式通常被认为是含调压室的水电站输水发电系统运行稳定性判别的重要依据。本文首先从理论上论证了刚性水体假设与等出力调节方式下,系统不可能稳定运行;之所以能够得到托马临界稳定断面公式,是由于推导过程中忽略了调压室后压力管道与机组后尾水道的水体惯性,而这恰是导致系统不稳定的关键因素。其次针对实际弹性水体,理论上论证了等出力调节方式下,真实的水力发电系统也不可能稳定运行;同时指出含调压室的水电站输水发电系统稳定性主要取决于水轮机上下游侧的水锤反射系数;无论是调压室前引水道还是调压室后的压力管道与尾水道,管道内的摩阻均有利于稳定,调压室面积大小对稳定影响相对较小;等出力调节模式下,无论是采用刚性水体假设还是针对实际弹性水体,含调压室的水电站输水发电系统一定是不稳定的,一个不稳定的系统不可能存在稳定断面,托马临界稳定断面在理论上是不成立的。     

多孔弹性膜对调压室涌波的削减作用

为减少调压室工程量并保证引水系统安全高效运行,提出了调压室内部布置多孔弹性膜方案,以削减调压室涌波幅度并使波动快速衰减。采用"U"型管水柱振荡模型进行物理试验对方案进行了验证,得到了涌波削减效果与多孔弹性膜的开孔面积成反比,与布置层数成正比的规律。通过CFD数值仿真计算对调压室内部的流场特性进行分析,以阐释其消能效果的原理。研究表明,布置多孔弹性膜扰动调压室内部的流场,产生涡带、旋滚和绕流,增大水体波动时的水头损失,使得调压室内水体能量得以耗散,达到快速削减调压室涌波的效果。数值仿真计算结果和物理模型试验具有较好的一致性。对于增加引用流量增效扩容的水电站,设置多孔弹性膜可作为不重建引水发电系统的改造方案。     

向家坝水电站右岸变顶高尾水洞的水力计算

向家坝水电站尾水下接金沙江，江水位变幅大，尾水隧洞选用变顶高尾水洞方案时可不建尾水调压室，但洞内压力和明满交界面会随水流过渡过程变化。经建立包含引水系统、机组和调速器在内的计算机仿真程序的水力过渡过程计算表明，变顶高尾水隧洞方案在明满交替流工况下，未产生气囊，洞顶内水压力变幅不大，对机组没有产生不利影响，电站调节系统能满足大、小波动稳定的要求。     

基于过渡过程数值模拟的引水系统方案比选

调压室的设置位置是水电站引水系统设计的重点内容,不仅关系到工程造价,而且会对电站过渡过程调节保证参数产生影响。基于水力过渡过程的数学模型,对某电站引水系统三种布置方案进行了数值模拟,结果表明:在引水系统不是很长的情况下,适当增大引水隧洞以及压力管道的直径来改善调节保证参数是可行的;调压室越趋近于临界位置,对调节保证参数越有利,但调压室涌浪会有所增加。     

引水式水电站上下游调压室设置条件探讨

引水式水电站在设计过程中往往遇到因调压室尺寸较大从而造价较高或地质条件不良,需要考虑不设置上下游调压室的问题。而规范中对于设置上下游调压室的条件过于简化。结合最新推导的上下游调压室设置条件,以乐昌峡水利枢纽工程为例,探讨了超规范不设置电站上下游调压室的论证方法。可为今后规范的修订及水电站输水系统合理设计提供参考依据。     

尾水岔管在调压室后交汇的水电站小波动稳定分析

基于刚性水锤理论,结合实际工程水道布置,考虑调压室阻抗作用以及实际水轮机和调速器特性,对采用尾水岔管室后交汇布置型式的水电站推导了水力机械系统小波动稳定性分析状态方程。运用稳定性理论,分析了电站的小波动稳定性,并利用基于特征线法的水电站过渡过程数值模拟进行验证,两者结果基本一致。随后研究了该类型调压室面积及阻抗孔口对系统稳定域的影响。结果表明:调压室面积越大,阻抗孔口面积越小,系统越稳定;当调压室设计面积超过稳定断面面积时,进一步增加调压室横截面积,对系统的稳定性并无多大改善,而当面积小于稳定断面面积时,系统的稳定域大幅度减小;阻抗孔口的尺寸会影响调压室的稳定断面面积,阻抗孔口尺寸越小,对应调压室所需的稳定断面面积越小。     

设置尾水连通管的抽水蓄能电站引水发电系统小波动稳定分析

设置尾水连通管后,可缓解抽水蓄能电站相继甩负荷工况尾水管最小压力,但其对系统小扰动稳定性的影响还不清楚。本文建立了设有尾水连通管的抽水蓄能电站引水发电系统小波动状态方程,利用状态空间法对小扰动下机组转速、调压室水位等状态变量波动过程进行了稳定性分析,并与基于特征线法的弹性模型计算结果进行了对比,验证本文理论分析模型的正确性。同时基于理论模型,研究了尾水连通管对于系统小波动稳定性产生的影响,并对连通管管径及位置进行了敏感性分析,得出以下结论:尾水连通管及其管径的大小、设置位置对于系统小波动稳定域、机组转速变化及调压室水位波动过程产生的影响基本可以忽略;设置尾水连通管后,系统小波动过渡过程中,尾水支管流量发生变化,使得两侧尾水支管压力平衡,但并不增加整体系统的阻抗。     

长引水式水电站取消尾水调压室的优化分析

结合设置上下游双调压室的长引水式水电站输水系统的水力特性,探讨了上下游调压室的共振分析、引水道和尾水道内水体的共振分析以及水力干扰稳定性分析等特殊水力学问题,指出在合适的条件下采用取消尾水调压室的方案,可以有效改善水力-机械系统的振动特性和稳定性.进一步结合实际算例进行了取消尾水调压室的优化分析,结果表明在合适的条件下长引水式水电站中取消尾水调压室的可行性和优越性.     

连接管对调压室涌波水位和水锤压力的影响

在传统大波动过渡过程计算中,调压室底部连接管的影响往往是作为阻抗孔来考虑,在连接管较长的情况下,采用阻抗孔处理时而忽略了连接管的水体弹性,因而容易造成较大误差。通过建立考虑了连接管及不考虑连接管时的调压室节点数学模型,采用Gardel公式来处理调压室的阻抗系数,将调压室的阻抗系数变为负荷实际情况的动态阻抗系数,并结合具体工程实例来分析连接管的长度及管径的变化对调压室涌浪、蜗壳进口压力以及机组转速所产生的影响。研究结果表明,对于连接管较长的情况,应考虑到连接管的作用,为了能充分反射水锤,连接管的面积不宜过小。     

双机共变顶高尾水洞系统小波动稳定性研究

双机共尾水管路布置是一种典型的首部／中部开发水电站输水系统布置方案．考虑尾水道较短时，除尾水调压室方案以外，可采用变顸高尾水洞方案．不同于传统的特征分析法，采用基于有压管道特征线法、跟踪明满流分界点的明渠改进狭缝法和状态方程数值计算的联合算法，结合相应的边界条件，研究负荷扰动情况下变顶高尾水洞方案的小波动稳定性和调节品质，并与相应的尾水调压室方案作进一步的比较分析，结果表明：变顸高尾水洞方案小波动稳定性明显优于尾水调压室方案，为变顶高尾水洞的应用提供可靠的比选依据．     

含气垫调压室的水电站输水系统小波动稳定分析初探

对气垫式调压室的电站输水系统的水力-机械微小波动稳定问题进行了初步分析，讨论了调速器参数、气体多变指数、气室高度、气室压力、运行水头对稳定性的影响，为气垫调压室的合理设计、安全运行提供了科学依据。     

上游串联双调压室系统合理尺寸选择的研究

为了研究上游串联双调压室系统(主调压室为阻抗式,副调压室为简单式)合理的主、副调压室尺寸,结合长引水隧洞水电站工程实例,采用水锤计算的特征线法,运用过渡过程软件建立模型,对压力引水系统过渡过程进行计算研究。分析了主、副调压室不同直径组合下的调压室最高涌浪水位、波动衰减率和蜗壳末端最大水锤压力的变化规律。研究表明:对于布置双调压室系统,随着副调压室直径增大,主调压室阻抗孔对水锤压力的影响减弱;阻抗孔直径有一个临界值点,低于该点,副调压室最高涌浪水位随阻抗孔直径的增加而降低,高于该点,则上升;若副调压室直径过大,则主、副调压室水位波动衰减较慢。研究结论对类似工程合理地选择主、副调压室直径有一定参考作用。     

气垫调压室与常规调压室双室引水系统的计算

建立了描述具有上游气垫式调压室的水电站双室引水发电系统过渡过程状态方程,介绍了其数值解法并编制了计算程序。结合某一实际工程计算了上下游调压室的水位波动、气压室的压力变化和高压管道的水击压力,并讨论了气压室的初始状态对调压室底部压力的影响。     

阿尔塔什水利枢纽水电站引水系统过渡过程分析

阿尔塔什水利枢纽水电站引水系统长度较长。通过调压室过渡过程计算优化调压室的尺寸,既而通过对导叶关闭规律进行比较计算,确定机组最短关闭时间;再通过小波动过渡过程计算分析系统的小波动过程是否稳定;通过水力干扰计算判断被干扰机组的水头、流量、效率、机组轴力矩变化是否超过允许范围。研究结论为电站引水系统设计提供依据。     

NUMERICAL STUDY OF WATER LEVEL FLUCTUATION IN BULL-HORN SURGE CHAMBER IN PIPE SYSTEM DURING WATERHAMMER

1 .　ＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮＷａｔｅｒｈａｍｍｅｒｉｎｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｉｓｕｓｅｄｔｏｄｅｓｃｒｉｂｅｔｈｅｎｏｎｌｉｎｅａｒｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎｉｎｗｈｉｃｈｐｒｅｓｓｕｒｅｓｕｒｇｅｓｏｃｃｕｒｆｏｌｌｏｗｉｎｇａｓｕｄｄｅｎｃｈａｎｇｅｉｎｔｈｅｆｌｏｗｒａｔｅｉｎａｐｉｐｅｓｙｓｔｅｍ .Ｔｈｅｃｈａｎｇｅｉｎｆｌｏｗｖｅｌｏｃｉｔｙｍａｙｂｅｉｎｄｕｃｅｄｂｙｖａｌｖｅｏｐｅｒａｔｉｏｎ ,ｃｌｏｓｕｒｅｏｒｏｐｅｎｉｎｇｐｕｍｐｓｔａｒｔ ｕｐｏｒｓｈｕｔ ｄｏｗｎ ,ｆｌｕｉｄｉｎｊ…     

水轮机导叶开启和关闭规律探讨

为了使各项参数满足水电站水力过渡过程中调节保证计算的要求,选择合理的水轮机导叶启闭规律至关重要,合理的启闭规律不仅能使水电站安全稳定地运行,而且也更加经济可靠。结合某水电站工程实例,采用特征线计算方法,借助于过渡过程计算软件,对水锤的压力波动和调压室的涌浪波动进行联合计算。计算结果表明,开启时间选择临界值30 s,关闭规律选择两段折线关闭时,能有效地使蜗壳末端压力、机组转速升高率以及调压室的涌浪水位等参数满足控制标准。该结果可为合理地选择导叶启闭规律提供重要的依据。     

带连通阀的阻抗调压室水锤防护特性研究

在大流量输水工程中,水泵抽水断电后,管线往往会有较强的压力波动,易造成沿线水位压力较低。结合某大流量输水工程,建立了带连通阀的阻抗调压室数学模型,对比分析了简单调压室、阻抗调压室和带连通阀的阻抗调压室的水锤防护特性,验证了带连通阀的阻抗调压室的优越性,并研究了其连通阀关闭规律对调压室水锤防护特性的影响。研究表明：与简单调压室和阻抗调压室相比,带连通阀的阻抗调压室水锤防护效果更佳,可有效提高调压室最低水位和沿线最小压强,减小占地面积;水泵抽水运行断电后,连通阀须尽早关闭,且存在较优关闭速率。     

THEORETICAL,NUMERICAL AND EXPERIMENTAL STUDY OF WATER HAMMER IN PIPE SYSTEM WITH COLUMN SURGE CHAMBER

1 .　INTRODUCTIONWaterhammerreferstoanon linear phe nomenonwherepressuresurgesoccurfollowingasuddenchangeinflowvelocityina pipesystem .Thechangeinflowvelocitymaybeinducedbyvalveoperation ,pumpstart uporshut down ,fluidinjectionordischarge ,thesuddencessationofen ergysupplierdevicescausedby powerfailureorpipemovementundercertainexternalactionsuchasimpactandearthquake ,etc .Theseinducenon linear pressuresurgesorwaves propagationthroughoutthepipesystematacousticspeed .Thesurgepressurecouldha…     

电站超长输水系统筒形阀动水关闭特性研究

具有超长输水系统的水电站机组在发生飞逸时,受机组前设置的调压室涌浪影响,机组的过渡过程时间较长,而且在该过程中产生的最高瞬态转速可能会超过机组的最大飞逸转速。依据原始流量率定后的筒形阀流量系数,就筒形阀不同关闭规律对机组瞬态转速以及蜗壳水锤压力等指标的影响展开了研究。该研究成果可为长输水系统机组飞逸工况及筒形阀关闭规律研究提供参考。     

白鹤滩尾水隧洞明满流对水电站稳定性的影响

白鹤滩水电站单机容量为1 000 MW,规模居世界第二。对于水电站而言,引水发电系统的稳定性尤为重要,而该水电站的尾水隧洞存在着明满流现象,严重影响到了引水发电系统的稳定性。为此,采用特征隐格式下的虚拟狭缝法,分析了尾水隧洞内不同流态对机组稳定性及尾水调压室水位波动的影响。分析结果表明：当明满流段流态为明流时,可以加速调压室水位波动收敛,有利于输水系统的稳定;当流态为明满过渡流时,其压力脉动现象会导致机组调节品质变差,不利于输水系统的稳定。此外,明满流段的长度对机组调节品质影响很小,长度的选取不受输水系统稳定性限制。研究成果可为类似输水系统设计和研究提供参考。