調壓井水位波動影響論文

導語：調壓井水位波動影響論文一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要摘要：本文目的在于回答調壓井連接管較長時，其內水體慣性對調壓井水位波動和水錘壓力有何影響，有多大影響，設計中能不能忽略。文中首先通過理論和解析方法探究了連接管影響的性質和規律；然后針對典型的水庫——調壓井——閥門引水系統，用特征線法計算，具體分析了不同連接管長度下調壓井水位波動幅值、閥門端水錘壓力上升率、水錘穿井率的變化規律；最后以某抽水蓄能電站為實例進行了對比計算。探究表明，連接管增長使調壓井水位波動幅值減小，但幅度有限，通常可忽略；連接管使水錘壓力和穿井率增大，在實際工程可能的范圍內其增幅有時較大，應加以考慮。

摘要：調壓井水錘壓力水位波動連接管

近年來，高水頭引水式水電站和抽水蓄能電站的設計中，經常碰到調壓井連接管較長的情況。例如設計中的某抽水蓄能電站(見本文實例)，上游調壓井連接管長度約120m，和引水隧洞和高壓管道的長度比分別為8%和11%；下游調壓井連接管長度約60m，和尾水管和尾水隧洞長度的比值分別為35%和4%。以往計算調壓井水位大波動和水錘壓力時，無論解析法還是數值法，通常不計連接管的影響，因為在連接管較短時，其內水體慣性影響很小，可以忽略。但連接管較長情況下，過渡過程中連接管內動量(慣性)相對于引水(尾水)隧洞和壓力管道(尾水管)內的動量(慣性)所占比重較大，再不考慮其影響顯然不行。但究竟連接管內水體慣性對調壓井水位被動和水錘壓力有什么影響?有多大影響?在什么情況下應加以考慮?以往無人進行過認真分析。本文將是通過理論分析和數值計算來探索這個新問題，目的在于為以后的設計、計算和分析提供依據和參考。

1理論和解析分析

1.1連接管對調壓井水位波動的影響水電站機組動作(甩負荷或增負荷)所產生的調壓井水位波動是由引水隧洞中水體的慣性所導致，反映的是引水洞——調壓井系統中水體的動能、勢能和慣性能的交替轉換，并在阻力功能下逐漸衰減的過程。波動水位的大小和波動發生前該系統中水體的動量直接相關。連接管的長短并不影響該系

統中動量的大小，因為在水位波動發生前，連接管內水體靜止，動量為零；但連接管的存在使波動水體增加，也使水流波動的路徑增長。從物理概念上看，引水洞中水體進出調壓井時，須克服連接管內水體的慣性阻力，因而計及連接管后的波動振幅要比沒有聯結管情況小；另外，由于水流波動路徑增長，波動的周期也相應比無連接管情況長。這兩點可由以下的推導證實。設連接管面積f3等于引水洞面積f，連接管長度L3和引水洞長度L之比為χ=L3/L，則考慮連接管的水流波動路徑長是L%26acute;=(1+χ)L。根據引水洞——調壓井系統動量守恒，若忽略彈性，波動開始時引水洞和連接管將具有相同的流速ν%26acute;0=Lν0/L%26acute;=ν0/(1+χ)。對于阻抗式調壓井，在機組忽然甩負荷工況，若假定機組流量瞬間由Q0降為0，在忽略各項水頭損失的情況下，根據文獻[6中的推導，得到波動的振幅是

以上兩式中F是調壓井的面積；g是重力加速度；符號中加撇的量是指考慮了連接管的影響。

式(1)和(2)簡單地說明了連接管水體慣性的影響，它使波動振幅減小，周期增長。對于考慮引水洞水頭損失和調壓井阻抗損失的情況，雖然得不出以上顯式關系，但圖2中根據解析式得到的曲線仍然說明同樣的規律。

雖然連接管水體的慣性對調壓井水位波動起阻尼功能，現象上和調壓井阻抗的功能相似，但它們的物理本質不同。連接管水體的阻尼功能靠的是慣性力，它和水流的加速度成正比，在流量變化曲線上斜率大(流速的導數大)

處其功能大，其余部位功能小。而調壓井阻抗的阻力靠的是水力損失，和流速的平方成正比，流量大時它發揮的功能大。

1.2連接管對水錘壓力的影響針對圖1所示的“水庫——調壓井——閥門”系統進行分析。由于增加了連接管，調壓井底部B點變為三岔管，從而該點的反射和透射特性發生變化。當閥門關閉時，C點產生的升壓波W2傳到B點，在三岔管處產生反射降壓波w2，反向朝C點傳去；和此同時，透射到引水洞的升壓波W向水庫點A傳去并被反射回來成為降壓波w；透射到連接管的升壓波W3向連接管末端D點傳去并被反射回來成為降壓波w3；反射回的降壓波w和w3到達B點后又分別透射成w%26acute;和w%26acute;3也朝C點傳去。根據岔管反射系數公式[6，有

在反射降壓波w2到達C點時刻(即一相時刻Tr=2L2/a2)，降壓波w%26acute;和w%26acute;3還未到達，所以在一相以前，考慮和不考慮連接管的C點壓力變化是一樣的；而在w2到達C點之后，由于考慮連接管后的降壓波w2數值要比不考慮時小很多，而且w%26acute;和w%26acute;3一般不會同期到達，因而總的降壓波小，所以在一相以后，計入連接管的水錘壓力要比不計連接管的大。換句話說，若最大水錘壓力發生在一相時刻，則考慮和不考慮連接管，最大壓力的結果是一樣的，盡管一相時刻以后的壓力過程曲線有變化；若最大水錘發生在一相時刻以后，由于反射回來的降壓波小而且分散，所以水錘壓力往往比沒有連接管時大。從另外的角度看，由于連接管內水體慣性的功能，調壓井的反射功能降低，所以水錘壓力將增大。

另一方面，根據三岔管特性，透射波W占入射波W2的比重較大，所以考慮連接管后引水洞承受的壓力將增大。

2數值模擬分析

2.1數學模型這里應用特征線法對圖1所示的引水系統進行過渡過程數值模擬。引水洞、壓力管道和連接管的內點都用特征線法計算[3，其中連接管計入了管道斜坡項-Vsinθ的影響[4。閥門和水庫的邊界條件和文獻[2相同。三岔管取常用的岔管邊界條件，沒有考慮岔管水頭損失[2。連接管末端D點的邊界條件是摘要：HD,t=Zt+αQD,t|QD,t|

(4)

(5)

式中摘要：HD,t和QD,t是D點的水頭和流量，Zt和F是調壓井水位和面積，α是阻抗孔損失系數。

2.2連接管長度對調壓井水位波動影響的模擬分析在給定引水洞長L=1000m、直徑D=3m、糙率n=0.012、波速a=1000m/s；壓力管道L2=400m、D2=2.5m、n2=0.011、a2=1200m/s；連接管D3=3m、n3=0.012、a3=1000m/s；調壓井面積F=50m2；庫水位Hres=500m(以閥門中心線為基準)；初始引用流量Q0=30m3/s的條件下，取不同的閥門直線關閉時間TS(或表示為相數ts=TS/Tr)和調壓井阻抗損失系數α，通過改變連接管長度L3，計算調壓井的最高涌浪水位，得到了圖2。圖2(a)是調壓井最高涌浪幅值隨連接管長度的下降趨向曲線，圖2(b)是相對于無連接管情況的涌浪幅值下降相對值曲線，圖中Zmax0為L3=0，即沒有連接管情況下的涌浪幅值。可以看出，對所有情況，連接管增長時涌浪幅值Zmax均下降；當阻抗孔口損失系數α大時，Zmax小，其下降較小；α小時，Zmax大，其下降較大；下降趨向和下降相對值曲線均接近直線。解析解(粗實線)是令初始時刻L+L3內水流動量等于引水道內初始動量，按文獻[5的公式計算的結果，其阻抗系數η=hr0/hw0=0.946，和α=0.004對應，雖然和對應的數值解不完全吻合，但曲線趨向十分一致。數值計算中閥門關閉時間增長時，Zmax下降的趨向變緩(見圖2中ts=15曲線)。應用公式(1)匡算的涌浪幅值下降最大(見圖2(b)的虛線)，它應是下降相對值的上限，對于具體電站，由于隧洞摩阻、調壓井阻抗、導葉關閉時間的影響，調壓井涌浪幅值隨連接管長度的下降應比該曲線緩。根據圖2(b)，可知在本例的計算條件下，當L3/L=0.1時，Zmax=(0.96～0.98)Zmax0，也就是說，連接管長度達到引水洞長度10%左右時，考慮和不考慮連接管影響，調壓井涌浪幅值的變化幅度在5%以內。連接管長度增加時，計算得的調壓井的水位波動周期增長，驗證了以上分析。

2.3連接管長度對水錘壓力影響的模擬分析仍然取上述引水系統和調壓井參數，固定α=0.004，計算不同閥門關閉相數tS所對應的閥門端和引水洞中的最大水錘。首先計算直接水錘(tS=0.015)以驗證以上分析，由圖3可見，無連接管(L3=0)情況下，閥端水頭變化近似方波(受摩阻影響略有衰減)；有連接管(L3=100m)情況下，閥端水頭變化過程在一相前和無連接管的壓力變化過程完全重合，之后受分散傳播回來的反射波影響，變化曲線越來越不規則，其最大水頭明顯超過無連接管情況；由于岔管特性，一部分水錘壓力透入引水洞，使引水洞承受較大的動水壓力(見圖3(b)壓力包絡線)。不考慮摩阻作解析分析時，閥門關閉所產生的升壓波W≈747.6m，根據式(3)，本例的反射系數r2=-0.5512，透射系數s2=0.4488，于是反射降壓波w2≈-412.1m，透射波W≈335.5m。圖3上可以清楚看出這些波的傳播和反射，其數值也和解析結果基本吻合。然后計算間接水錘(ts=7.5)，得到圖4，它仍然反映了連接管使水錘壓力增大，調壓井功能降低，水錘透入引水洞的現象。透入引水洞的水錘的最大值可能發生在引水洞的頭部或中部(見圖3(b)圖4(b))。

為分析規律，在其他計算條件不變的情況下，取不同的ts(對應不同的無連接管的閥端壓力上升率ξ0，雖然抽水蓄能電站的導葉關閉時間一般較長，但由于可逆式水輪機的特性，水錘壓力通常較大)，通過改變L3來計算連接管對水錘壓力上升率的影響。圖5顯示，對所有情況，連接管增長時水錘壓力均增大，而且ξ0越大，ξ的增加越明顯。ξ0=0.8453的曲線在L3/L2=0.4之后變為水平，原因是隨L3的增大，ts=1.5對應的水錘由間接水錘變為直接水錘(以L2+L3為水錘傳播路徑計算)，而且該直接水錘的最大壓力發生在一相時刻之前。在實際工程可能的ξ0量級0.15～0.7和長度比L3/L2=160/400=0.4的情況下,(ξ-ξ0)/ξ0能達到20～35%，可見連接管長度對壓力上升率影響是十分明顯的。圖6展示連接管長度對透入引水洞水錘的影響，可見，L3/L2增大時，引水洞內最大水錘壓力ΔHTun=HTun-HRes也增大，而且引水洞最大壓力和閥門端最大壓力的比值ΔHTun/ΔHC(穿井率)總體上也增大，說明水錘壓力的穿井率增大，調壓井的功能在降低。ξ0小時，穿井率隨L3/L2的增長緩，ξ0大時，穿井率增大加快。圖6(b)顯示，L3/L2=0.4時，ΔHTum/ΔHC能達到20～35%。

3實例計算

某抽水蓄能電站裝機4×300MW其引水系統布置和管道主要參數見表1。在上庫水位760m，下庫水位205m條件下作水輪機運行時，單機引用流量70m3/s。四臺機同時甩負荷工況的水錘和水位的最大最小值列于表2，蝸殼末端和尾水管進口的水頭變化過程繪于圖7。可見連接管對水錘壓力的影響較明顯，非凡是尾水管進口壓力相差3.7m，該數值在尾水管進口負壓處于臨界狀態時尤為重要，在計算中必須加以考慮。

4結論

連接管增長時，調壓井水位波動幅值減小，波動周期增長。實際工程的連接管和引水洞長度之比一般在10%以下，連接管對調壓井水位幅值的影響不大，通常可忽略。連接管增長時，水錘壓力將增大，調壓井功能降低，透入引水洞的水錘壓力增大。實際工程中，連接管和壓力管道長度之比有時較大，非凡是尾水調壓室，為了限制尾水管進口不出現負壓，尾水管通常較短，如本文實例中長度比達到了35%左右，此時連接管會使水錘壓力有明顯升高，水錘穿井率增大，故須引起重視，在計算中加以考慮。

連接管長度(慣性)對小波動穩定的影響值得探究。

參考文獻摘要：

[1張師華.抽水蓄能電站的水力過渡過程[M.武漢摘要：華中理工大學出版社，1996.3.

[2馬善定，汪如澤.水電站建筑物[M.北京摘要：水利水電出版社，1996，10.

[3WylieEB,StreeterVL,SuoLS.Fluidtransientsinsystems[M.PrenticeHall,Inc.NewJersey.U.S.A.,1993.

[4陳懷先，林方標.水擊基本方程中斜坡項的影響[J.河海大學學報，1987，(6)摘要：34-38.

[5張健，索麗生.阻抗式調壓井甩負荷涌浪計算顯式公式[J.水力發電學報，1999，(2)摘要：70-74.

[6耶格爾C.水力不穩定流[M.王樹人，劉天雄，鼓天玫譯.大連摘要：大連工學院出版社，1987，6