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有压引水系统水力计算

一、设计课题水电站有压引水系统水力计算。

二、设计资料及要求1、设计资料见《课程设计指导书、任务书》;2、设计要求: (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)、确定调压井波动振幅,包括最高涌波水位和最低涌波水位; (4)、进行机组调节保证计算,检验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:∑=ii fL Lf , 引水道有效断面积f 的求解表所以引水道的等效断面积∑=ii fL Lf =511.28/21.475=23.81 m 2 <二>引水道和压力管道的水头损失计算: 引水道的水头损失包括局部水头损失h 局和沿程水头损失h 沿两部分 压力管道的水头损失包括局部水头损失h 局和沿程水头损失h 沿两部分1,22g 2h Qϖξ局局=g :重力加速度9.81m/s 2 Q :通过水轮机的流量取102m 3/s ω :断面面积 m 2ξ:局部水头损失系数局部水头损失h 局计算表从上表中可以看出:引水道的h 局=0..037+0.204+2.202=2.713m 压力管道的h 局=4.464m2,23422n h QRlϖ=沿n :糙率系数,引水道糙率取最小值0.012;压力管道取最大值0.013 l :引水道长度 m ω :断面面积 m 2R :为水力半径 m Q :通过水轮机的流量m 3/s沿程水头损失h 程计算表取最大值0.013。

上表中栏号1、2、3、4、5、6中的Q=1023m /s ;栏号7中Q=96.93m /s ;栏号 8中Q=64.63m /s ;栏号9中Q=32.33m /s ; 栏号10中Q=32.33m /s ;栏号11中Q=32.33m /s ;1=h +h f h 局程=(0.307+0.203+2.202)+(0.007+0.011+0.018+0.815+0.011+0.032) =3.606m压力管道沿程水头损失:w h =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行工况的要求,上游取死水位,下游取正常尾水位情况计算00013wT w h h H H --=h w0:引水道水头损失,大小为3.606mh wT0:压力管道沿程水头损失,大小为0.213mH 0:静水头,H 0=上游死水位—下游正常尾水位=1082.0-1028.5=53.5m则1H =0H 13f w h h --=53.5-3.606-3⨯0.213=49.255m取K=1.5,D=5.5m ,s m A Q v /284.481.23102===, α=h w0/v 2=0.196当三台机组满出力时,保证波动稳定所需的最小断面:F =k12LfgaH其中k=1.2: 1.5,g=9.812m /s , L=511.28m , f=23.81(2m ), 1H = 47.255(m)F =k 12LfgaH F=255.47196.081.9281.2328.5115.1⨯⨯⨯⨯⨯=100.492m则调压室断面直径D=πF4=14.349.1004⨯=11.311m.四.水位波动的计算:h w0为引水道的水头损失,包括沿程损失和局部水头损失两部分,沿程水头损失 h 程计算表<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——0m 3/s ,用数解法计算。

sm AQ v /678.25.514.3416.632002=⨯⨯==022w gFh Lfv =λ,其中:引水道的直径为5.5m; Q 0为流量,大小为63.6 m 3; g 为重力加速度9.81 m/s 2L 为引水道的长度511.28m; f 为引水道的等效面积23.81F 为稳定断面的面积 100.492m ; h wo 为引水道的水头损失 h w0=h 局+h 沿=(29.550+19.547+211.632) Q 2+( 4522.66+7624.13+12603.40+543724.61+7423.15+21161.60)n 2Q 2 Q 取63.6m 3/s; n 取糙率系数的最小值0.012 则h w0=1.055m+0.348m=1.403m 则计算结果如下:56.31403.149.10081.92678.281.2328.5112=⨯⨯⨯⨯⨯=λ, mh X w 044.056.31403.100===λ,查书本P150图10-4得26.0max=λz ,则m z 21.856.3126.0max =⨯=所以,最高涌波水位Zmax=8.21+1097.35=1105.56m 。

(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 。

利用图解法求解:A 、以横轴表示引水道流速v ,以圆点向左为正,向右为负;以纵轴表示水位z ,以向上为正,向下为负,横轴相当于静水位。

B 、辅助曲线,①、引水道水头损失曲线:22f v h h h g=++局程,24.25.110.010.007.005.020.010.012.0=+++++++=ζ116611 5.587.8750.0124C R n ⎛⎫==⨯= ⎪⎝⎭g v g v R c lv 222222fh++=ζ ()2281.92181.9224.2375.1875.8728.511v ⨯+⨯+⨯==0.2132v ② 、绘制f Qz av A tv t F F∆=-=∆-∆, ③19.9381.2381.949.10028.51122=⨯⨯==ππgf lF T则 t ∆=T/25=3.80(s) 又fF =23.81/100.49=0.237,当丢弃负荷为45000~15000时,流量从96.5~31.0,QF=31.0/100.49=0.308; 8.3308.08.3237.0⨯-⨯=∆v z170.1-901.0v =c.绘制()w v z h β∆=--曲线β =073.028.5118.381.9=⨯=∆⨯l t g即:v ∆=0.073 ()w z h -- ;曲线如图有图可知最高涌波水位:max z =157.83*50/1000=7.8915mmax z =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—03/m s ),因调压室水位达到最高水位时,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。

120f 2f L v gFh λ=,0v =67.5/23.81=2.835m/s , 由于:()758.13607.349.10081.92835.281.2328.5112-=-⨯⨯⨯⨯⨯=λ 0fh X λ==-3.607/(-13.758)=0.262,所以由图10—4可得:︱2Z ︳/λ=0.39, ∴2Z =0.39×(-13.254)=-5.169m; 2z =1082.0-5.169=1076.83m增加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68.5~102.53/m s ;20v =68.5/23.808=2.877m/s, m=68.5/102.5=0.668856.7607.349.10081.9877.281.2328.511222120=⨯⨯⨯⨯==f gFh lfv ζ根据ξ和m 值,查图10-5可得:代入数据得:minfz h =1.5,∴min z =1.5×3.607=5.411m 则 水库最低水位为 1082-5.411=1076.589m图解法增加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k Q fz av A tv t F F∆=-=∆-∆; t ∆=T/25=3.80(s),fF =23.81/100.49=0.237,k Q F=102.5/100.49=1.02 即:z ∆=0.901v -3.876()w v z h β∆=--β =g ×t ∆/L=9.81×3.8/511.28=0.073即:v ∆=0.073()w z h --24.25.110.010.007.005.020.010.012.0=+++++++=ζ 谢才系数116611 5.587.8750.0124C R n ⎛⎫==⨯= ⎪⎝⎭g v g v Rc lv 222222fh++=ζ()2281.92181.9224.2375.1875.8728.511v ⨯+⨯+⨯==0.2132v增加负荷时的调压室水位波动图见附页CAD 制图。

有图可知min Z =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、 检验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:01092.01028.563.5H =-=米,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96.93/s m ,于是:起始的流速0v =96.9/23.808=4.07m,水锤波速:a =上式中w E ,水的体积弹性模量,一般为2.1×5210/N cm ;γ为水的容重,取9.812m N k ,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kpa K 60104.1⨯=sm kpacm N m kN cm N K E g E ww c b T /1414104.1100/101.221/81.9/81.9/101.210021/6253250=⨯⨯⨯⨯+⨯⨯=+===γααα所以sm m/1414=α压力管道T L =102.32米,蜗壳c L =20.4米,尾水管b L =16.2米; 管长L=102.3216.220.4138.92T C b L L L ++=++=米297.36m /b b L v s =,2165.66/c c L v m s =,;由压力管道相关参数表可知:123456796.9/19.63 4.936/;3.291/;1.645/;3.559/v m s v v m s v v m s v v m s========()()()35.74 4.936 3.29112.2316.981.64512.23 3.79 3.55916.55 4.8377.68L V =⨯+⨯++⨯++⨯+=管管 ∴v 377.68/102.32 3.691/T m s ==2102.32 3.691377.663/T T L v m s =⨯=()()/377.663165.6697.36/ 4.612/m T T c c b b v L v L v L v L L m s=++=++=管道特性系数为23.55.6381.92612.41414200=⨯⨯⨯==gH v αρ当机组满负荷运行时,01τ=,123.50>=ρτ,因为阀门从全开到全关的时间为7S ,其中有效关闭时间为s 4.68T s =,一个相长196.0141492.13822=⨯==αLt r所以:管道的特性系数由式 max 0s 138.92 4.6120.229.8163.5 4.68Lv gH T σ⨯===⨯⨯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:-σσ0ρτ220.220.247220.22A m σξσ⨯===-- max 0.24763.515.7H m ∆=⨯=校核尾水管进口处的真空度b H尾水管的负水锤:尾水管在进口断面出现b y 时的流速水头如下:Amm b c T b b b v L L L v L y ξ)(++=()038.0247.0612.44.202.1632.10236.97=⨯⨯++=b y()2297.3616.2 1.841229.81b v m g ==⨯314.2841.15.63038.094.1220=+⨯+-=++=gv H y H H bb s b∴尾水管进口处的真空度b H 在8~9米之内,满足要求所以在正常工作情况的水击压力为15.7m2、 检验相对转速升高是否满足规范要求该水电站的保证出力为 1.07×410KW ,有效关闭时间为 4.68s,所以,401.0710kw N =⨯,sT T s s 212.468.49.09.01=⨯==对于混流式水轮机:由下图可知:f=1.11,0214.3/minn r=,2210124GD KN m=•所以:=-⨯⨯⨯⨯⨯⨯+=-+=110101243.21412.1212.41007.136511365124221GDnfTN sβ1.96% 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%。

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