水電站復(fù)雜輸水系統(tǒng)恒定流的數(shù)值計算

結(jié)合實(shí)際工程,筆者就水電站技改工程中輸水系統(tǒng)的設(shè)計,進(jìn)行了詳細(xì)的介紹,主要包括輸水系統(tǒng)方案、進(jìn)水口、引水隧洞、調(diào)壓井、壓力鋼管的設(shè)計.

對氣墊式調(diào)壓室的電站輸水系統(tǒng)的水力-機(jī)械微小波動穩(wěn)定問題進(jìn)行了初步分析,討論了調(diào)速器參數(shù)、氣體多變指數(shù)、氣室高度、氣室壓力、運(yùn)行水頭對穩(wěn)定性的影響,為氣墊調(diào)壓室的合理設(shè)計、安全運(yùn)行提供了科學(xué)依據(jù)。

為了減小水電站輸水系統(tǒng)過渡過程中產(chǎn)生的水錘壓力,常常會在輸水系統(tǒng)中設(shè)置調(diào)壓室。通過基于不考慮水體彈性的理論推導(dǎo)以及考慮水體彈性的數(shù)值模擬,對無調(diào)壓室及有調(diào)壓室兩種方案下輸水系統(tǒng)小波動的過渡過程進(jìn)行比較分析,以便較為全面地對設(shè)置調(diào)壓室或不設(shè)置調(diào)壓室是否會對水電站輸水系統(tǒng)小波動的過渡過程產(chǎn)生影響展開研究。研究結(jié)果表明:在相同布置條件下,無調(diào)壓室及有調(diào)壓室兩種方案的輸水系統(tǒng)的小波動過渡過程均是穩(wěn)定的；設(shè)置有調(diào)壓室的輸水系統(tǒng)小波動的過渡過程要優(yōu)于未設(shè)置調(diào)壓室的輸水系統(tǒng)小波動的過渡過程。從研究結(jié)果來看,設(shè)置調(diào)壓室對水電站輸水系統(tǒng)的小波動過渡過程具有改善作用。

途述了我國第一座采用檻下閘底廊道二區(qū)段出水的分散輸水系統(tǒng)船閘———廣西昭平電站船閘(水頭20m,閘室有效尺寸為60m×8m×15m)1∶20輸水系統(tǒng)水工整體模型及1∶16閥門段減壓模型試驗成果,并對閘室輸水水力特性及船舶停泊條件、空腹式輸水閥門廊道段的水力特性,包括閥門的阻力系數(shù)、收縮系數(shù)、閥門后水流收縮斷面的最低壓力以及閥門的空化特性和減免空蝕措施等方面作了介紹。原型運(yùn)轉(zhuǎn)表明,該船閘水力條件令人滿意

目前水電站明鋼管可靠度評估主要結(jié)合跨中管壁部位進(jìn)行計算,但并未充分反映其他部位對結(jié)構(gòu)可靠性的影響。為此需考慮鋼材強(qiáng)度參數(shù)、靜水壓力、水錘和焊縫系數(shù)的隨機(jī)特性,建立水電站明鋼管跨中管壁、支承環(huán)近旁管壁邊緣、加勁環(huán)及其近旁管壁、支承環(huán)及其近旁管壁4個基本部位的強(qiáng)度安全功能函數(shù),給出了基于jc法的管道結(jié)構(gòu)可靠度評估方法。按當(dāng)前設(shè)計方法確定的明鋼管結(jié)構(gòu),加勁環(huán)及其近旁管壁和支承環(huán)及其近旁管壁的可靠指標(biāo)低于目標(biāo)可靠指標(biāo),不能充分保障結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全,存在局部失效的風(fēng)險。

對于引水式電站來說，輸水系統(tǒng)是整個工程的重要組成部分，在工程投資中占據(jù)極大的比重。常規(guī)輸水系統(tǒng)包含引水隧洞、調(diào)壓室以及壓力管道三部分。一道橋水電站的特點(diǎn)為“高水頭、小流量和長輸水道”。對比分析了“低壓輸水”與“高壓輸水”方案的優(yōu)劣，并闡述和論證了高壓隧洞不襯砌與高壓長輸水系統(tǒng)取消調(diào)壓室的可行性。一道橋水電站最終采用了“高壓輸水”方案，從而成為國內(nèi)少有并具有特色的“高壓長輸水不襯砌隧洞并且無調(diào)壓室”的高水頭電站之一。

根據(jù)底流消能泄流霧化的機(jī)理,應(yīng)用量綱分析方法,得到水霧霧源量的計算關(guān)系式;在霧源為連續(xù)線源和任意風(fēng)向的條件下,利用高斯擴(kuò)散方程,研究了水霧在峽谷內(nèi)擴(kuò)散規(guī)律;結(jié)合霧雨自動轉(zhuǎn)換過程、碰并過程、霧滴的凝結(jié)和蒸發(fā)過程,得到霧源下游流場水霧濃度、溫度、相對濕度和降水強(qiáng)度的分布;對灣塘水電站底流消能霧化進(jìn)行了數(shù)值計算,計算結(jié)果與原型觀測數(shù)據(jù)基本一致。

電站長輸水系統(tǒng)排空需要較長的時間,承壓隧洞在水壓消失后,圍巖內(nèi)水壓力變化可能導(dǎo)致失穩(wěn),壓力鋼管在無水狀態(tài)下的熱變形過大時可能導(dǎo)致其出現(xiàn)意外損傷。本文通過分析電站長輸水系統(tǒng)排空檢查的程序,期間可能出現(xiàn)的風(fēng)險,論證這種檢查的必要性,提出在項目建設(shè)階段就針對檢查檢修做相應(yīng)的布置,以確保電站輸水系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行,為類似電站的規(guī)劃、建設(shè)和運(yùn)營提供經(jīng)驗。

　對兩種不同的尾水系統(tǒng)布置方式進(jìn)行了流態(tài)和水頭損失的對比分析。在雷諾時均ns方程基礎(chǔ)上,采用kε雙方程紊流模型和剛蓋假定,計算了尾水系統(tǒng)恒定流。計算結(jié)果與模型試驗相一致,結(jié)果表明尾水岔管在調(diào)壓井之后的阻抗式布置方式水頭損失最小,為最佳方案。

本文介紹了五強(qiáng)溪船閘二閘首于１９９６年１２月１２日～１３日進(jìn)行的原型觀測成果與分析．著重從高水頭船閘輸水系統(tǒng)不恒定流壓力瞬態(tài)變化和反向弧門流激振動兩方面，分析輸水廊道突擴(kuò)體發(fā)生空化空蝕的可能性，以及反向弧門流激振動的危害程度，并對其安全運(yùn)行作出評估．

輸水系統(tǒng)是水電站工程重要的組成部分,尤其是對于高水頭引水式電站,輸水系統(tǒng)的水頭損失計算顯得更加重要。結(jié)合南德瑞瓦圖水電站工程實(shí)例,探討輸水系統(tǒng)水頭損失計算中應(yīng)該注意的問題,對噴混凝土的糙率和馬蹄形隧洞的水頭損失計算進(jìn)行了論述,為其他水電站輸水系統(tǒng)的水頭損失計算提供參考。

簡要介紹射流泵技術(shù)在水電站技術(shù)供水中的應(yīng)用前景。通過數(shù)值計算,確定各過流部件的幾何尺寸,以保障效率達(dá)到最高值。并推導(dǎo)出效率、性能表達(dá)式,繪制不同面積比下射流泵運(yùn)行特性與效率特性曲線。

瑪依納水電站引水發(fā)電系統(tǒng)無法滿足gb/t9652.1—2007《水輪機(jī)控制系統(tǒng)技術(shù)條件》要求,系統(tǒng)穩(wěn)定性較差。為此,在引水發(fā)電系統(tǒng)樞紐布置無法改變的情況下,在犧牲調(diào)速系統(tǒng)速動性,放寬對電站調(diào)節(jié)品質(zhì)要求的前提下討論其引水發(fā)電系統(tǒng)布置的可行性。目前,2臺機(jī)組已經(jīng)安全穩(wěn)定運(yùn)行多年,證明該電站引水發(fā)電系統(tǒng)布置是合理的。

采用目前廣泛使用的面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計方法,運(yùn)用opengl技術(shù),并結(jié)合計算機(jī)圖形學(xué)理論,開發(fā)了水電站輸水系統(tǒng)水力過渡過程的可視化仿真系統(tǒng).應(yīng)用該系統(tǒng)可以動態(tài)演示水電站輸水系統(tǒng)水力瞬變過程壓力、流量等物理量的變化,對實(shí)際工程應(yīng)用有一定的參考價值.

為了研究尾水系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型水電站尾水隧洞內(nèi)可能出現(xiàn)的明滿交替流動對電站水力瞬變過程的影響,采用特征隱式格式法計算明滿交替流動,并根據(jù)該方法的特點(diǎn)建立了明滿流特征隱格式矩陣方程自生成系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了電站中各種布置方式尾水隧洞內(nèi)明滿交替流動的自適應(yīng)計算。將該方法應(yīng)用于電站的瞬變計算,分析了下游反射界面位置的設(shè)定對計算結(jié)果的影響,并得到了尾水隧洞中發(fā)生明滿交替流動時出現(xiàn)最大壓力的位置及相應(yīng)的下游水位。

北溪水電站由之俊集團(tuán)和永嘉縣電力局合資建設(shè)，本文對引水系統(tǒng)工程施工進(jìn)行了簡單介紹。

經(jīng)過對引黃工程輸水系統(tǒng)在穩(wěn)定流態(tài)下的有壓隧洞、無壓隧洞、渡槽、埋涵、壓力埋管、分水閘、漸變段、轉(zhuǎn)彎段等建筑物進(jìn)行全面系統(tǒng)的水力學(xué)分析、計算,獲得良好的水流形態(tài)。

對東深供水改造工程輸水系統(tǒng)各工況穩(wěn)定流態(tài)進(jìn)行水力計算，在其始端和終端與已建工程銜接的條件下，保證輸水系統(tǒng)各建筑物的過流能力和良好的水流流態(tài)。

以有壓管道非恒定流微分方程組為基礎(chǔ),結(jié)合碗牛壩水電站具體邊界條件,建立了基于特征線法的描述水電站突甩負(fù)荷過渡過程的數(shù)值模型,全面細(xì)致地模擬出了該電站突甩負(fù)荷過渡過程中任一時刻壓力管道任一斷面各水力要素和機(jī)組各工況參數(shù)的瞬變規(guī)律,為該電站的設(shè)計及安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了技術(shù)依據(jù),對類似工程也有一定的參考價值。

本文針對寬深比較小,有關(guān)參量(如流速、溫度、濃度)的垂向變化比水平橫向的變化為大的水庫,建立垂向二維水流數(shù)學(xué)模型,水深隨時、空而變,垂向做σ變換將可變域變?yōu)橐?guī)則區(qū)域。采用算子分裂法、交錯網(wǎng)格法、有限差分法進(jìn)行計算。對糯扎渡水電站的非恒定流數(shù)值模擬結(jié)果是合理的,表明模型是有效的

為了實(shí)現(xiàn)水資源的綜合利用,工程上常常從現(xiàn)有水電站的引水隧洞或壓力管道取水,兼顧發(fā)電與供水的需求。本文以南水水庫供水工程為例,針對兼有發(fā)電、供水特征的輸水系統(tǒng)建立了數(shù)學(xué)模型,分析其在發(fā)電、供水以及發(fā)電+供水三種運(yùn)行工況時,恒定流計算初始參數(shù)的調(diào)整方法和發(fā)電與供水兩系統(tǒng)在非恒定流過渡過程中的相互影響,探索兼有發(fā)電、供水特征的輸水系統(tǒng)過渡過程的模擬計算分析思路與方法,為類似發(fā)電供水工程輸水系統(tǒng)過渡過程的分析計算提供借鑒。

分析了龍勝縣仙洞水電站工程引水隧洞的工程地質(zhì)情況,論述了以普氏理論與新奧法相結(jié)合指導(dǎo)隧洞開挖施工,采用\"短開挖、弱爆破、木支撐、鋼筋混凝土襯砌\"的方法及施工質(zhì)量控制工藝。