中、低水頭水電站引水發(fā)電系統(tǒng)模型試驗研究.doc

精品論文中、低水頭水電站引水發(fā)電系統(tǒng)模型試驗研究李華，王維惟 河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇南京（210098） e-mail：,摘要：中、低水頭水電站引水發(fā)電系統(tǒng)的水力過渡過程及水工模型試驗研究是近年來水電 站設(shè)計中出現(xiàn)的一個新課題。根據(jù)水電站引水系統(tǒng)非恒定流模型相似率導(dǎo)出各物理量比尺之 間的關(guān)系，結(jié)合浙江某一中、低水頭水電站引水系統(tǒng)工程布置及調(diào)壓室型式的模型試驗，對調(diào)壓室方案進行優(yōu)化，研究論證本電站引水系統(tǒng)的布置型式等，為工程設(shè)計提供了可靠依據(jù)。研究成果對類似工程也具有參考意義。 關(guān)鍵詞：水電站；引水發(fā)電系統(tǒng)；模型試驗 中圖分類號：tv7321. 前言目前對高水頭的引水式水電站引水發(fā)電系統(tǒng)研究很多。如水電站引水發(fā)電系統(tǒng)過渡過程 整體物理模型試驗探討1，水電站上、下游雙調(diào)壓室引水發(fā)電系統(tǒng)水力過渡過程計算研究2、 水電站調(diào)壓室布置型式等3 ，引水系統(tǒng)的布置技術(shù)也很成熟。但是對于中低水頭引水式水 電站而言，其可供參考的經(jīng)驗還不是很多。因此對大流量，中低水頭水電站引水系工程的布 置及結(jié)構(gòu)型式作具體研究顯得十分有意義。 本文以浙江某個電站為例。該水電站引水系統(tǒng) 有兩個引水隧洞共 4 臺機組，采用 2 臺機共一個調(diào)壓室一條引水洞的布置方式和“單機單管” 供水的布置格局，單機引用流量 421.5 m3 / s 、額定水頭 64m。調(diào)壓室為阻抗長廊式，長 280m, 寬 20m。通過對該水電站引水發(fā)電系統(tǒng)的水力過渡過程計算及水工模型試驗，研究論證引水 系統(tǒng)工程布置及調(diào)壓室型式的合理性。根據(jù)計算及試驗成果，對方案進行比選、優(yōu)化，最終 選出滿足設(shè)計、施工和運行要求的最佳布置型式。2. 模型設(shè)計與試驗量測2.1 相似準則模型按非恒定流模型設(shè)計。根據(jù)有壓非恒定流的水力特性，要求原型及模型應(yīng)同時滿足 由涌波方程組、水錘波運動方程組和壓力管道水彈性方程所導(dǎo)出的相似條件。為此將三大部 分作為一個系統(tǒng)推導(dǎo)相似準則。從有壓引水系統(tǒng)非恒定流基本方程可以導(dǎo)出以下相似準則：- 6 -qqq = = 1231l q = 1= q2 q = 13 a z= 1k21 f= 1（1）1 a t z2 z a1 q ta（2）2v t= 12v2 = 1vc = 1 2n2 l2 = 1d 4 3 2v2 d2 = 1l 2h22q（3）式中： 原型與模型各物理量比尺，下標代表相應(yīng)物理量；q1 , q2 , q3 通過低壓引水道、壓力管道流量及調(diào)壓室流量；l1 、a1、1分別為低壓引水道的長度、過水面積和總水頭損失系數(shù)；z調(diào)壓井瞬時水位與庫水位之差值；a3調(diào)壓井水平截面積；l2 、d2 、n2壓力管道長度、內(nèi)徑、糙率； h、v2壓力管道的壓力水頭、流速； c水擊波速；t時間；fk調(diào)壓井阻抗孔口面積。2.2 模型比尺混凝土襯砌壁面糙率 n=0.0120.014，而模型采用有機玻璃材料制作，加工成型后其表 面糙率約為 0.009，于是糙率比尺 n = 1.333 1.556 是確定的。整個有壓引水系統(tǒng)的幾何比尺有 l11,l 2 , a, a3z, d2, ，現(xiàn)取幾何比尺為基本比尺4，設(shè)：l1 = 1 z（4） = ( )2 = ( )2a12 za33 z（5）d2 = 4 z（6）式中：1 , 2 , 3 , 4 為無因次的變態(tài)比例系數(shù)。通過相似準則可導(dǎo)出其它物理量的比尺， 見表 1。表 1 模型比尺部位物理量比尺符號比尺數(shù)值低壓引水道長 度l1 76.124內(nèi) 徑 d150.000總阻力系數(shù) 1.000高壓引水道長 度l 76.1242內(nèi) 徑 d2 50.000糙 率n2 1.556流 速v 8.7252波 速c 8.725調(diào) 壓 井高 度 z 76.124面 積 a3 50.0002阻抗孔口面積 f50.0002k公共部分引水流量q 21812.284水位、壓力 z , h76.124時 間t 8.725因本文主要研究內(nèi)容之一是水擊壓力及調(diào)壓室涌浪，故應(yīng)取調(diào)壓室的水位比尺與壓力水頭比尺相同，即 h= z 。為了較好地模擬阻抗孔口水頭損失系數(shù)，取阻抗孔口面積與調(diào)壓 室 水 平 截 面 積 的 模 型 比 尺 相 同 ， 即fk= a3， 由 此 可 得 ，21 3211 = 1, 2 = 3 = 4 = n d= 0.657 。再依據(jù)設(shè)計院的要求從而計算出低壓引水道，高壓引水道，調(diào)壓井，公共部分的各物理模型比尺。見表 1。2.3 模型制作與布置為了便于水流現(xiàn)象的觀測，低壓引水道、調(diào)壓井及高壓管段全部采用透明的有機玻璃材 料制作，制作及安裝誤差控制在0.2mm 內(nèi)。模型試驗由循環(huán)式供水系統(tǒng)供水。循環(huán)式供水系統(tǒng)由蓄水庫、水泵房、平水塔、供水管 及回水槽等組成。模型進水頭部與供水管連接，用閥門控制來水。在模型首部前布置穩(wěn)流設(shè) 備等，尾部后設(shè)量水設(shè)施及回水系統(tǒng)等。模型中上游水庫內(nèi)設(shè)有平水設(shè)備，可按試驗要求調(diào) 節(jié)水位，且能在模擬機組負荷變化試驗時的非恒定流過程中，保持水頭穩(wěn)定。在分岔管尾端 設(shè)有快速啟閉的蝶閥及閘閥等，以調(diào)節(jié)各機組的引用流量并模擬負荷變化。整個模型布置見圖 1。6812 31水庫 2平水設(shè)施 3進水管 4二號引水洞 5二號調(diào)壓井6三號壓力鋼管 7四號壓力鋼管 8水位測點 圖 1 瀘定水電站引水發(fā)電系統(tǒng)模型平面布置示意圖2.4 量測設(shè)備與方法模型流量分別用電磁流量計和三角形量水堰量測；恒定水位用測針量測，測針量測精度0.1mm。調(diào)壓室的水位波動由電容式鉭絲水位傳感器量測并用標尺校核。引水系統(tǒng)中的壓力 變化采用微型壓強傳感器，探頭外徑 5mm，標準量程-10kpa25kpa，輸出信號范圍-25v， 精度 0.3%f.s。壓力、水位的波動通過傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕淖兓?，由計算機采集、處理及 分析。3. 試驗結(jié)果與分析3.1 試驗控制工況根據(jù)水電站實際的工況及要求，通過數(shù)模計算，選定表 2 作為試驗控制工況。表 2 試驗控制工況庫水位(m)下游尾水位(m)單機流量(m3/s)工況說明1378.001306.50387.80最高發(fā)電水位，兩臺機額定出力，同時甩全負荷1375.001306.50420.60正常運行水位，兩臺機同時突甩負荷1375.001306.50391.50正常運行水位，一臺機正常運行，另一臺機啟動1370.001303.75412.00最低發(fā)電水位，一臺機正常運行，另一臺機啟動注：機組導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律采用 12s 一段直線關(guān)閉規(guī)律；機組導(dǎo)葉開啟規(guī)律采用 18s 一段直線開啟規(guī)律。當機組在以上各工況運行時，通過對調(diào)壓室內(nèi)和壓力鋼管中的水力現(xiàn)象觀察，分析各種現(xiàn)象，并對調(diào)壓室的阻抗孔的底板及阻抗孔型式進行修改，使得調(diào)壓室和壓力鋼管內(nèi)的水力 現(xiàn)象達到工程要求。3.2 原方案調(diào)壓室涌波及其水力特性試驗表明，3#及 4#機組正常運轉(zhuǎn)時，調(diào)壓室內(nèi)阻抗孔口上方區(qū)域水面出現(xiàn)水流翻滾狀 態(tài)。當機組甩負荷時，調(diào)壓室內(nèi)水面出現(xiàn)更為激烈的漩滾，尤其在最低發(fā)電水位機組甩全負 荷時，更為明顯。由于調(diào)壓室為長廊式，長寬比高達 14 倍，機組甩負荷時，調(diào)壓室內(nèi)水面 不可能均勻上升，而是阻抗孔口水流突然涌高并沿著長廊軸線向另一端傳遞并反射，出現(xiàn)縱 向振蕩流態(tài)。如圖 2 所示。圖 2 調(diào)壓室原方案，庫水位 1370m, 兩臺機最大出力，同時甩全負荷時調(diào)壓室涌波情況試驗表明，修改方案機組正常運行時，長廊段調(diào)壓室內(nèi)水面平靜，在阻抗孔口上方區(qū)域 水面雖仍出現(xiàn)微弱水面波動，但較原方案有所減弱。機組增負荷時，調(diào)壓室內(nèi)沒有產(chǎn)生異常 的水力現(xiàn)象，水面下降較為平穩(wěn)。雖然增負荷后，調(diào)壓室 4#機組的檢修門槽處出現(xiàn)漩渦， 但強度較弱，沒有出現(xiàn)貫穿性，壓力管道沒有氣泡進入。通過試驗值與計算值的比較，可以 看出，兩者變化規(guī)律一致，結(jié)果基本相近。相互驗證的結(jié)果表明，兩者數(shù)據(jù)是可靠的，物理 模型設(shè)計、制作、試驗方法是正確的。3.3 機組負荷變化時引水管道壓力的變化試驗表明，機組導(dǎo)葉總有效關(guān)閉時間對壓力管道末端的水擊壓力影響甚大，水擊壓力隨 著關(guān)閉時間的縮短而增大。當機組關(guān)閉速度較快時，壓力管道末端的最大壓力主要是水擊壓 力，隨著關(guān)閉時間的延長，水擊壓力逐漸減弱，壓力管道末端最大壓力轉(zhuǎn)為受調(diào)壓室最高水 位控制，此后最大壓力受機組關(guān)閉時間的影響較小。圖 3、圖 4 為兩種控制工況下，高壓管 道末端、壓力管道進口頂部、隧洞末端頂部的壓力波動及相應(yīng)工況調(diào)壓室阻抗底板上、下側(cè) 的壓差變化過程線。試驗結(jié)果表明，穿越調(diào)壓室的水擊壓力很小，隧洞末端的壓力變化主要 受調(diào)壓室內(nèi)的涌波控制。108試驗值6 計算值底板壓差/(m)4200 100 200 300 400 50060-2t/(s)圖 3 庫水位 1370m，兩臺機最大出力，同時甩全負荷時 調(diào)壓室阻抗底板上、下側(cè)的壓差變化108試驗值 計算值6底板壓差/(m)4200 100 200300 400500600-2t/(s)圖 4 庫水位 1378m，兩臺機額定出力，同時甩全負荷時 調(diào)壓室阻抗底板上、下側(cè)的壓差變化試驗結(jié)果數(shù)值比較發(fā)現(xiàn)，調(diào)壓室水流波動同期，涌浪幅度，作用于底板上的壓差試驗結(jié)果與計算結(jié)果基本接近，但由于計算時阻抗空口系數(shù)取值是固定值，而實際阻抗孔口的阻抗 系數(shù)是隨流道變化而變化的，導(dǎo)致兩者結(jié)果有一定差別。4. 結(jié)論通過對水電站引水發(fā)電系統(tǒng)模擬試驗，驗證了引水系統(tǒng)工程布置及調(diào)壓室結(jié)構(gòu)型式的合 理性。模型試驗?zāi)苓_到數(shù)值計算無法反映的調(diào)壓室水流流態(tài)。為了改善調(diào)壓室水流流態(tài)、避 免在不利條件下壓力鋼管進氣，對調(diào)壓室的底板和阻抗孔進行了調(diào)整，其結(jié)果規(guī)律性強，在 各種控制工況的模型試驗中，消減了壓力鋼管水擊壓力、抑制了管道的壓力波動；且水擊壓 力基本上沒有穿越調(diào)壓室，隧洞末端的壓力變化也主要受調(diào)壓室的涌波控制。試驗?zāi)M了在 不同庫水位、不同工況下甩負荷及增負荷時調(diào)壓室水位波動過程及壓力鋼管的壓力變化；同 時還模擬了調(diào)壓室阻抗底板上、下側(cè)的壓差變化，并將它們繪制成曲線與數(shù)值計算結(jié)果對比 分析。本文研究了帶有長廊式調(diào)壓室引水系統(tǒng)的布置型式，最終推薦滿足設(shè)計、施工和運行 要求的調(diào)壓室布置型式，為工程的安全和優(yōu)化設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)，對類似工程也有參考意義。參考文獻1 楊建東，李進平，王丹等水電站引水發(fā)電系統(tǒng)過渡過程整體物理模型試驗探討j，水力發(fā)電學(xué)報，2004，23（1）：57-632 陳浩，水電站上下游雙調(diào)壓室引水發(fā)電系統(tǒng)水力過渡過程計算研究，碩士學(xué)位論文 2003 年 14-29 3 劉啟釗、彭守拙，水電站調(diào)壓室m，北京：水利電力出版社 19954 黃細彬、 宋永杰， 有壓 引水系統(tǒng)非恒 定流模型 相 似比尺的分析 與選擇 j ， 河海大學(xué)學(xué)報 1998.26(1):103-105the model test study on the low-head hydropower generation water systemli hua, wang weiweihohai univ, jiangsu nanjing 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