水電站引水隧洞水力過渡過程分析

夏明月

(南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，江蘇 南京 210001)

1 概述

水電站一般建在水頭落差大的山區(qū)，受地形限制，通常引水隧洞較長，在引水過程中引水系統(tǒng)承受巨大的水力慣性，容易受到波動(dòng)影響，調(diào)壓室容易出現(xiàn)較大的水位波動(dòng)，且波動(dòng)周期較長[1- 3]，需要設(shè)置規(guī)模較大的上游調(diào)壓室[4]。同時(shí)，在巨大的水力慣性下，水輪機(jī)組是否能保持運(yùn)行穩(wěn)定也是水電站建造設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)研究分析的問題。針對(duì)這兩類問題本文以重慶奉節(jié)某水電站為實(shí)例工程，通過數(shù)值模擬研究，分析一管多機(jī)(即多臺(tái)機(jī)組共用引水管道)系統(tǒng)的水力-機(jī)械過渡過程，并研究在各個(gè)極值工況下水輪機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性。

2 工程概況

2.1 工程概況

實(shí)例工程位于重慶市奉節(jié)縣石筍河下游，上距奉節(jié)縣吐祥鎮(zhèn)約22km，下距長灘河雙河口3.2km。工程設(shè)計(jì)等級(jí)為4級(jí)，正常蓄水位庫容為450萬m3，調(diào)節(jié)庫容為408萬m3。工程多年年均徑流量為32411m3/s，設(shè)計(jì)洪水位為451.69m，裝機(jī)容量為一期2×2400kW、二期4800kW，總計(jì)9600kW，多年平均發(fā)電量為2218kW·h。

引水隧洞總長586.71m，分為上平段(235.27m)、漸變段(10m)、上轉(zhuǎn)彎段(7.37m)、斜坡段(310.91m)、下轉(zhuǎn)彎段(7.37m)、下平段(12m)共6段。其中，上平段為5.5m×5.4m(寬×高，頂拱120°)的城門洞型，坡度1∶1000；漸變段為城門洞型，漸變至內(nèi)徑5.5m圓型斷面、上轉(zhuǎn)彎段為圓型，洞徑5.5m，轉(zhuǎn)彎半徑50m，豎向轉(zhuǎn)角8.47°；斜坡段為圓型，洞徑5.5m，坡度1.5∶10；下轉(zhuǎn)彎段為圓型，洞徑5.5m，轉(zhuǎn)彎半徑50m，豎向轉(zhuǎn)角8.47°，下平段為圓型，洞徑5.5m，坡度1∶1000。

2.2 工程水文、泥沙

根據(jù)石筍河水電站統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，工程河段水位和流量關(guān)系曲線如圖1所示。工程河段多年平均懸移質(zhì)輸沙模數(shù)為700t/km2，多年平均懸移質(zhì)輸沙量為34.16萬t。參照文獻(xiàn)[6]，重慶山區(qū)河流多年平均推移質(zhì)輸沙量可按懸移質(zhì)輸沙量的15%估算，即工程處多年平均推移質(zhì)輸沙量為5.124萬t。

圖1 工程處石筍河水位與流量關(guān)系曲線(單位：m3/s)

2.3 水輪機(jī)組主要參數(shù)

水輪機(jī)組型式為3臺(tái)混流式水輪機(jī)，水輪機(jī)型號(hào)為HL240-LJ- 100型，轉(zhuǎn)輪直徑為3.3m，額定水頭為193.0m，額定轉(zhuǎn)速為300r/min，額定流量為77.16m3/s，水輪機(jī)額定出力為133.3MW。

3 數(shù)學(xué)模型建立與計(jì)算

本文主要通過ANSYS軟件中的有限元軟件包對(duì)實(shí)例工程的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，該軟件包可以進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)分析，分析類型可以為瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)?？梢苑治雒總€(gè)節(jié)點(diǎn)的壓力和通過每個(gè)單元的流率，并且可以利用后處理功能生成壓力、流場(chǎng)和溫度的分布規(guī)律圖。模型的主要計(jì)算原理如下[5]:

水流連續(xù)方程

(1)

x方向動(dòng)量方程

(2)

y方向動(dòng)量方程

(3)

式中，t—時(shí)間；u、v—沿x、y方向的流速；h—水深；η—床面高程；g—重力加速度；εxx、εyy、εxy—紊動(dòng)粘性系數(shù)，取值范圍為0.20～0.45，按照文獻(xiàn)[9]的分類進(jìn)行取值。

對(duì)于管道中的流體瞬時(shí)變化，其連續(xù)方程和運(yùn)動(dòng)方程[6]如下：

(4)

(5)

式中，H—沿程水頭；V—管道內(nèi)水流平均流速；f—水體之間的摩擦系數(shù)。

4 數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 工程選擇

在水輪機(jī)運(yùn)行過程中，當(dāng)3臺(tái)機(jī)組突然去載額定負(fù)荷，即100%時(shí)，機(jī)組中的導(dǎo)葉在短時(shí)間內(nèi)關(guān)閉，葉輪停止運(yùn)轉(zhuǎn)，產(chǎn)生巨大的水錘壓力，對(duì)機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)和引水管道邊壁造成嚴(yán)重的威脅。此時(shí)為最大波動(dòng)工況。根據(jù)實(shí)例工程的具體參數(shù)，在最大波動(dòng)工況下，導(dǎo)葉直線關(guān)閉時(shí)間為12s；最大轉(zhuǎn)速升高可達(dá)到38.2%；極值出現(xiàn)在5.25～6.81s范圍內(nèi)；蝸殼末端最大水壓力為287.6m。

根據(jù)實(shí)例工程的具體運(yùn)行參數(shù)，當(dāng)3臺(tái)機(jī)組機(jī)組突然去載10%負(fù)荷時(shí)，為最小波動(dòng)工況，此時(shí)3臺(tái)機(jī)組的轉(zhuǎn)速由307.65～308.22r/min下降至291.56～301.33r/min，極值時(shí)間出現(xiàn)在8.65～9.12s，波動(dòng)周期為751s，波動(dòng)周期內(nèi)平均震蕩次數(shù)為1.1次。

本文分別選擇最大波動(dòng)工況和最小波動(dòng)工況作為典型工況進(jìn)行分析。

4.2 最大波動(dòng)工況

最大波動(dòng)工況下，調(diào)壓井水位、流量、蝸殼末端壓力、機(jī)組轉(zhuǎn)速變化過程如圖2所示。分析可知：

圖2 最大波動(dòng)工況下特征參數(shù)變化過程

(1)調(diào)壓井內(nèi)最大水位出現(xiàn)在210s左右區(qū)域；調(diào)壓井水位波動(dòng)周期在710s左右，水位波峰為2822.6m，波谷為2769.1m，振幅達(dá)到53.5m。

(2)調(diào)壓井內(nèi)出現(xiàn)高峰水位的主要原因是調(diào)壓井底部受施工場(chǎng)地條件限制，斷面較小、阻抗較小容易對(duì)蝸殼產(chǎn)生巨大水壓，甚至破壞葉輪。

(3)機(jī)組去載額定負(fù)荷時(shí)，蝸殼壓力變化過程出現(xiàn)兩個(gè)明顯的波峰。第一個(gè)波峰在1～3s處，最大值約為287.6m，主要由機(jī)組突然去載引起，第二個(gè)波峰在213s處，最大值約為267.9m，主要由高峰水位引起。蝸殼最大峰值壓力小于設(shè)計(jì)閾值335m，蝸殼在最不利工況下能保持穩(wěn)定。

最大波動(dòng)工況峰值處葉輪的渦量分布和壓力分布云圖如圖3所示。分析可知：

圖3 最大波動(dòng)工況下峰值下葉輪渦量和壓力分布云圖

(1)最大波動(dòng)工況峰值下，渦量主要分布在葉片出口附近。由于流體介質(zhì)進(jìn)入葉輪出口后，旋轉(zhuǎn)的葉輪不斷切割來流介質(zhì)，因此葉片出口處出現(xiàn)強(qiáng)度較大的漩渦，渦量較大。

(2)最大波動(dòng)工況峰值下，葉輪葉片出口邊不斷切割水流，導(dǎo)致連續(xù)水體產(chǎn)生湍流，并附著在葉輪葉片上，產(chǎn)生較大的水體靜壓。壓力值最大，可達(dá)到4.32×105Pa，葉輪進(jìn)口邊對(duì)水體切割作用較弱，該處渦尺度遠(yuǎn)小于進(jìn)口邊，靜壓值也較小，最大值為3.15×105Pa。

(3)最大波動(dòng)工況峰值下，葉輪區(qū)域最大靜壓值為4.32×105Pa，小于設(shè)計(jì)閾值3.5×106Pa，滿足穩(wěn)定要求。

4.3 最小波動(dòng)工況

最小波動(dòng)工況下，調(diào)壓井水位、功率、蝸殼末端壓力、機(jī)組轉(zhuǎn)速變化過程如圖4所示。分析可知：

圖4 最小波動(dòng)工況下特征參數(shù)變化過程

(1)在最小波動(dòng)工況下，最大峰值水位2812.33m，最小波谷水位2763.28m，振幅達(dá)到49.05m。調(diào)壓井內(nèi)最大峰值水位出現(xiàn)在210s左右區(qū)域，最小波谷水位出現(xiàn)在575s左右區(qū)域；調(diào)壓井水位波動(dòng)周期在710s左右，與最大波動(dòng)工況下周期基本一致。

(2)機(jī)組去載10%負(fù)荷時(shí)，蝸殼壓力變化過程出現(xiàn)兩個(gè)明顯的波峰。第一個(gè)波峰在1～2s處，最大值約為257.3m，第二個(gè)波峰在215s處，最大值約為252.6m。蝸殼最大峰值壓力小于設(shè)計(jì)閾值335m，蝸殼在最不利工況下能保持穩(wěn)定。

最小波動(dòng)工況峰值處葉輪的渦量分布和壓力分布云圖如圖5所示。分析可知：

圖5 最小波動(dòng)工況峰值處葉輪的渦量分布和壓力分布云圖

(1)最小波動(dòng)工況峰值下，渦量主要分布在葉片進(jìn)口附近。強(qiáng)度與最大波動(dòng)工況相比有大幅下降，且出口附近基本無漩渦分布。整體來看水流規(guī)律很多，有規(guī)模尺度的漩渦量較少，且規(guī)模較小。

(2)最小波動(dòng)工況峰值下，葉輪葉片出口邊最大壓力值可達(dá)到3.69×105Pa，葉輪進(jìn)口邊最大靜壓值也較小，為2.16×105Pa。

(3)最小波動(dòng)工況峰值下，葉輪區(qū)域最大靜壓值為3.69×105Pa，小于設(shè)計(jì)閾值3.5×106Pa，滿足穩(wěn)定要求。

5 結(jié)論

經(jīng)分析，在大波動(dòng)工況及小波動(dòng)工況下，蝸殼末端壓力會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)波峰，第一個(gè)波峰主要由機(jī)組突然去載引起，第二個(gè)波峰主要由高峰水位引起。且各工況下蝸殼末端壓力峰值均小于設(shè)計(jì)閾值，滿足要求。同時(shí)，在兩組工況下，葉輪葉片進(jìn)口附近會(huì)出現(xiàn)各種尺度漩渦，且大波動(dòng)工況的漩渦尺度要遠(yuǎn)大于小波動(dòng)工況。進(jìn)一步分析可知，各工況下，葉輪區(qū)域最大靜壓值均小于設(shè)計(jì)閾值，滿足要求?？傮w來看，實(shí)例工程引水隧洞在各工況下運(yùn)行較為穩(wěn)定，滿足設(shè)計(jì)要求。