水电站有压引水系统水力过渡过程计算研究
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摘要
压力引水系统是水电站必不可少的组成部分，水电站过渡过程计算分析是引水式水电站工程设计与运行维护中的一项重要研究内容，它是针对引水道系统、水轮发电机组以及电网组成的复杂动力系统进行的最必要的研究，它关系到引水发电系统的优化设计以及水电站的安全稳定运行和供电品质。本文结合一工程实例，就长距离引水式电站过渡过程中涉及到的一些重要问题进行了深入计算研究。
本论文的主要内容有如下几个方面：
(1)建立了引水式水电站压力引水系统水力过渡过程分析数学模型，及多种边界条件，包括进水口边界、分岔管边界、阻抗式调压室边界以及水轮机边界等，尤其是水轮机边界充分地考虑了机组转速变化对水轮机流量的影响，这样更加符合混流式水轮机的特点，保证了计算结果的正确性。
(2)实现了水电站有压引水系统中两种非恒定流问题(即水锤的压力波动和调压室的质量波动)的联合计算，改变了把这两种现象分开单独考虑所带来的分析误差，这样的计算结果更加符合水电站有压引水系统中过渡过程的内在规律。
(3)通过优化计算，得到了满足调节保证计算规范要求的导叶关闭过程及关闭时间。
(4)通过对调压室质量波动涌浪计算，对调压室断面尺寸、阻抗孔的孔口尺寸进行了优化设计，创新性地得到了研究电站阻抗孔断面尺寸的合理取值。
Pressure water diversion system is an essential component of hydropower station. Transient computing and analyzing of hydropower station is an important content in engineering design and operating maintenance of diversion type hydropower station, which is the most fundamental research on complex power generation system composed of head race system, hydraulic turbine generator units and electricity network, and also relates to optimum design of diversion power generation system, and to safe and stable operation and quality of electric supply of hydropower station. Based on a practical engineering project, this study thoroughly research some important problems involved in long distance diversion power generation system by using computing and numerical method.
The dissertation consists of the following contents:
(1) The author establishes an analysis mathematical model of hydraulic transient of pressure water diversion system of diversion type hydropower station, and manifold boundary conditions are reasonably treated, including water inlet boundary, bifurcate pipe boundary, impedance surge chamber boundary and water turbine boundary and so on. Especially in the water turbine boundary, the effects of changing rotation speed of water turbine set on hydraulic turbine discharge are fully considered, which meets the characters of mixed flow turbine even better and ensures the correctness of computing results.
(2) The paper carried out combination calculation on two kinds unsteady flow problems of pressure water diversion of hydropower station (i.e. pressure fluctuation of water hammer and mass fluctuation of surge chamber), which changed many analytical error caused by considered these two phenomena separately, and such result meets the inherent rule of pressure water diversion system transient of hydropower station much more than before.
(3) Based on optimal calculation, the author has acquired the closing procedure and time arrangement of hydraulic turbine propeller that meets requirement of relating technical codes.
(4) Trough the calculation on mass fluctuation of surge chamber, the author optimizes the section size of surge chamber and the reasonable cross section area of impedance hole, and reasonable area scope of impedance section of surge chamber have been acquired creatively.
本论文的主要内容有如下几个方面：
(1)建立了引水式水电站压力引水系统水力过渡过程分析数学模型，及多种边界条件，包括进水口边界、分岔管边界、阻抗式调压室边界以及水轮机边界等，尤其是水轮机边界充分地考虑了机组转速变化对水轮机流量的影响，这样更加符合混流式水轮机的特点，保证了计算结果的正确性。
(2)实现了水电站有压引水系统中两种非恒定流问题(即水锤的压力波动和调压室的质量波动)的联合计算，改变了把这两种现象分开单独考虑所带来的分析误差，这样的计算结果更加符合水电站有压引水系统中过渡过程的内在规律。
(3)通过优化计算，得到了满足调节保证计算规范要求的导叶关闭过程及关闭时间。
(4)通过对调压室质量波动涌浪计算，对调压室断面尺寸、阻抗孔的孔口尺寸进行了优化设计，创新性地得到了研究电站阻抗孔断面尺寸的合理取值。
Pressure water diversion system is an essential component of hydropower station. Transient computing and analyzing of hydropower station is an important content in engineering design and operating maintenance of diversion type hydropower station, which is the most fundamental research on complex power generation system composed of head race system, hydraulic turbine generator units and electricity network, and also relates to optimum design of diversion power generation system, and to safe and stable operation and quality of electric supply of hydropower station. Based on a practical engineering project, this study thoroughly research some important problems involved in long distance diversion power generation system by using computing and numerical method.
The dissertation consists of the following contents:
(1) The author establishes an analysis mathematical model of hydraulic transient of pressure water diversion system of diversion type hydropower station, and manifold boundary conditions are reasonably treated, including water inlet boundary, bifurcate pipe boundary, impedance surge chamber boundary and water turbine boundary and so on. Especially in the water turbine boundary, the effects of changing rotation speed of water turbine set on hydraulic turbine discharge are fully considered, which meets the characters of mixed flow turbine even better and ensures the correctness of computing results.
(2) The paper carried out combination calculation on two kinds unsteady flow problems of pressure water diversion of hydropower station (i.e. pressure fluctuation of water hammer and mass fluctuation of surge chamber), which changed many analytical error caused by considered these two phenomena separately, and such result meets the inherent rule of pressure water diversion system transient of hydropower station much more than before.
(3) Based on optimal calculation, the author has acquired the closing procedure and time arrangement of hydraulic turbine propeller that meets requirement of relating technical codes.
(4) Trough the calculation on mass fluctuation of surge chamber, the author optimizes the section size of surge chamber and the reasonable cross section area of impedance hole, and reasonable area scope of impedance section of surge chamber have been acquired creatively.
引文
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[2] 吴荣樵，陈鉴治．水电站的水力过渡过程[M]．北京：中国水利水电出版社，1997
[3] 沈祖治．水轮机调节[M]．第三版．北京：水利水利水电出版社，1997
[4] 刘大恺．水轮机[M]．第二版．北京：中国水利水电出版社，1997
[5] 金钟元．水力机械[M]．第二版．北京：水利水电出版社，1992
[6] 金锥，姜乃昌，汪兴华，关兴旺编著．停泵水锤及其防护[M]．第二版．北京：中国建筑工业出版社，2004
[7] 刘竹溪，刘光临著．泵站水锤及其防护[M]．北京：水利电力出版社，1988
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