[发明专利]一种水电站调压室临界稳定断面的计算方法

说明书

本发明提供了一种水电站调压室临界稳定断面的计算方法，步骤1：当认为隧洞和调压室内水体都是不可压缩的刚性水体，得水流连续性方程；步骤2：取上游水库水表面断面1‑1和调压室水表面断面4‑4之间的水体为控制体，根据动量定理得调压室水位Z_S与引水隧洞中的水体动量变化率的函数关系；步骤3：近似认为水轮机流量和水头变化较小时，调速器能迅速动作，得到调速器方程；步骤4：得到关于调压室水位微小变化量x的二阶线性齐次微分方程；步骤5：根据霍尔维茨稳定判据，获得考虑阻抗孔和调压室底部流速水头影响的水电站调压室临界稳定断面面积[A_S]的表达式。本发明考虑了阻抗孔和调压室底部流速水头的影响，更为完善、合理。

技术领域

本发明涉及公开一种考虑阻抗连接孔和调压室底部流速水头影响的水电站调压室临界稳定断面的确定方法，是一种水工设计依据，用于在可行性研究及初步设计阶段，各种工况下的水力过渡过程计算还未开展的情况下确定水电站调压室的临界稳定断面面积，以指导工程的初步设计，加快工程进度，降低工程造价。

背景技术

当电力系统负荷发生变化，甚至出现事故甩负荷工况时，可能给水电站的压力管道和机组造成破坏，威胁电站的安全稳定。调压室是保证水电站运行安全、改善机组调节性能和运行条件最有效的工程设施之一，因而，其自身的运行稳定性必须得到充分保障。此外，调压室开挖和衬砌工程量大，施工不便，造价昂贵，因此，在保证调压室水位波动稳定的前提下，尽可能地降低调压室的断面尺寸，节约投资是水电站建设中十分关注的问题。

然而，目前水电站调压室设计中常用的托马稳定断面公式忽略了阻抗孔损失和调压室底部流速水头的影响。针对这一问题，国内外学者开展了对托马公式的改进研究，综合考虑多种影响因素的调压室稳定断面公式也不断出现。但是，有的断面公式型式过于复杂，设计人员使用不便；有的需要已知水轮机特性和调速器参数等，这些参数在初步设计阶段难以确定。因而，不能很好地应用于工程实际。鉴于此，发明一种水电站调压室临界稳定断面的计算方法，以确定调压室波动稳定所需的调压室断面尺寸，为工程的初步设计提供参考。

发明内容

为克服现有困难，本发明提出了一种新的水电站调压室临界稳定断面的计算方法。本发明考虑了阻抗孔和调压室底部流速水头的影响，理论上更为完善、合理。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种水电站调压室临界稳定断面的计算方法，包括以下步骤：

步骤1：当认为隧洞和调压室内水体都是不可压缩的刚性水体，则由水的连续性可得水流连续性方程，即水轮机引用流量Q、引水隧洞中流量Q_T和进出调压室流量Q_S之间的关系模型；

步骤2：取上游水库水表面断面1-1和调压室水表面断面4-4之间的水体为控制体，忽略上游水库水表面断面1-1和调压室水表面断面4-4处的大气压差异，以及断面1-1的流速水头，根据动量定理可得调压室水位Z_S与引水隧洞中的水体动量变化率之间的函数关系；

步骤3：近似认为当水轮机流量和水头变化较小时，调速器能迅速动作，以保证水轮机出力不变，并认为调节过程中水轮机效率保持不变，得到调速器方程，即水轮机引用流量Q与调压室水位Z_S、断面流速水头h_v、阻抗连接管顶部断面5-5和压力钢管进口断面3-3之间的局部水头损失h_5-3以及调压室下游压力管道的总水头损失h_m之间的函数关系；

步骤4：联立上述三个函数关系式，并忽略水轮机引用流量变化量ΔQ和引水隧洞中断面平均流速变化量ΔV_T的二次微量，得到关于调压室水位微小变化量x的二阶线性齐次微分方程；

步骤5：根据霍尔维茨稳定判据，获得考虑阻抗孔和调压室底部流速水头影响的水电站调压室临界稳定断面面积[A_S]的表达式；当设计的调压室断面面积A_S＞[A_S]时，则认为调压室水位波动是稳定的。