泵站電站進水口分層布置下泵站開啟對電站運行影響研究

韓繼斌，任坤杰，楊青遠

（長江科學院水力學研究所，武漢 430010）

泵站電站進水口分層布置下泵站開啟對電站運行影響研究

韓繼斌，任坤杰，楊青遠

（長江科學院水力學研究所，武漢 430010）

泵站、電站進水口分層布置，可充分利用河谷寬度，減少工程開挖量。但在此布置下，泵站開啟過程對電站進水口可能形成不利的水流流態(tài)，影響電站的正常運行。針對以上問題，結(jié)合動網(wǎng)格技術(shù)，采用k ε紊流模型對某樞紐泵、電站分層布置進水口水力特性進行了三維數(shù)值模擬，通過分析電站進水口附近水體的壓力變化，解析泵站開啟對電站正常運行的影響。結(jié)果表明泵站開啟過程對電站正常運行有一定的影響。

泵站；電站進水口；分層布置；泵站開啟；壓力變化

1 研究背景

電站進水口位于電站引水系統(tǒng)的首部，是電站的重要組成部分。電站運行時要求進水口水面波動小、進流平順，避免出現(xiàn)有害吸氣漩渦，且具有較小的水頭損失，提高發(fā)電效率。當工程任務(wù)是以泵站供水為主而兼顧發(fā)電時，可將泵站、電站進水口交錯分層布置，充分利用河谷寬度、減小壩線長度、節(jié)約工程開挖量。但在此類布置下，二者運行可能形成干擾，特別是泵站開啟過程對電站進水口形成不利的水流流態(tài)，影響電站的正常運行。

近幾年，學者們利用數(shù)學模型，研究了電站進水口水力特性，并取得了一定的成果。陳云良等（2005年）［1］與葉茂等（2007年）［2］研究了電站進水口漩渦的形成；高學平等（2006年）［3］與張正樓等（2009年）［4］研究了側(cè)式雙進／出水口水流流動特性；章軍軍等（2008年）［5］研究了側(cè)式短進出水口水力特性；最近，李妍等（2010年）［6］對電站進水口的水流流態(tài)、水頭損失等方面進行了研究。而就泵、電站分層布置的進水口水力特性的研究成果極少。

本文擬采用k ε紊流模型對某樞紐泵、電站分層布置下進水口水力特性進行了三維數(shù)值模擬，分析泵站開啟對電站正常運行的影響。

2 數(shù)學模型

2．1 控制方程

連續(xù)方程：式中：t為時間；ui，uj為速度分量；xi，xj為坐標分量；ν，νt分別為運動黏性系數(shù)與紊動黏性系數(shù)，νt＝Cuκ2／ε；p為修正壓力；fi為質(zhì)量力；κ，ε分別為紊動能與紊動耗散率；Cκ為平均速度梯度產(chǎn)生的紊動能σk＝1．0，σε＝1．33，C1ε＝1．44，C2ε＝1．42。

自由面采用VOF方法進行處理，令函數(shù)αw（x，y，z，t）與αa（x，y，z，t）分別代表控制體積內(nèi)水、氣所占的體積分數(shù)。在每個單元中，水、氣體積分數(shù)之和為1，即

對于單個控制體積，存在3種情況：①αw＝1表示該單元完全被水充滿；②αw＝0表示該單元完全被氣充滿；③0＜αw＜1表示該單元部分為水，部分為氣，并且存在水、氣交接面。顯然，自由面問題為第3種情況。水的體積分數(shù)αw的梯度可以用來確定自由面的法線方向。計算出各單元的αw值及梯度之后，就可以確定各單元中自由邊界的近似位置。

水的體積分數(shù)αw的控制方程為

式中參變量含義同上。水氣界面的跟蹤通過求解該連續(xù)方程完成。

2．2 模擬范圍與計算條件

選取1臺電站機組與1臺引水泵站為研究對象。

2．2．1 模擬范圍

圖1給出了數(shù)學模型的模擬范圍。

圖1 模擬范圍示意圖Fig．1 Sketch of the simulated part

沿水流方向：庫區(qū)段長100．0 m，樁號0－115．4 m至0－015．4 m（定義壩軸線樁號為0＋000，下同）；進水口段長5．9 m，樁號0－015．4 m至0－009．5 m，包括攔污柵與通倉段；引水管道段長度為239．5 m，樁號0－009．5 m至0＋230．0 m。整個沿水流方向模擬范圍包括喇叭口段、閘門槽段、方變圓段、彎管段及部分直管段，總長度為345．4 m。

垂直水流方向：模擬的庫區(qū)寬度為進水口前緣寬度24 m。

沿水深方向：庫區(qū)、進水口段高程408．0～452．0 m；引水管道段高程393．3～552．9 m。

2．2．2 網(wǎng)格劃分

計算區(qū)域采用六面體網(wǎng)格進行劃分，網(wǎng)格總數(shù)約為100萬，泵站閥門處采用動網(wǎng)格模擬。圖2（a）為計算區(qū)域壁面網(wǎng)格示意圖，圖2（b）為泵站閥門處網(wǎng)格細部圖。定義坐標系統(tǒng)：x沿水流方向，y垂直于水流方向，z為沿水深方向。

圖2 計算網(wǎng)格示意圖Fig．2 M eshes of the computational domain

2．2．3 邊界條件

開邊界：庫區(qū)入口為壓力入口，即上游邊界給定水位；電站引水管道出口為速度出口，出口流速為恒定值；泵站引水管道出口，為壓力出口，閥門瞬開時，壓力設(shè)為常量，閥門漸開時壓力為時間的函數(shù)值。

固壁邊界：規(guī)定無滑移邊界條件；模擬閥門漸開時，閥門處采用動網(wǎng)格模擬。

2．2．4 模擬工況

模擬工況見表1。

表1 模擬工況Tab le 1 W orking conditions in the simu lation

3 計算結(jié)果及分析

數(shù)學模型針對以上幾組工況進行模擬。

3．1 泵站閥門處流速、流態(tài)

此處僅給出電站引水流量126．1 m3／s、庫水位450 m、泵站引水流量14．08 m3／s時，泵站閥門開啟0，3，5，8 s，水體通過閥門流向引水管出口的水氣兩相分布見圖3，閥門附近流速分布見圖4。圖3中數(shù)值1表示為水體，0則為空氣，介于0和1之間則為水氣混合狀態(tài)。

閥門關(guān)閉時，水體受閥門阻擋作用處于靜止狀態(tài)（圖3（a）、圖4（a））；閥門開啟瞬間，由于閥門兩側(cè)存在較大的壓力差，內(nèi)部水流以高速射流形態(tài)沖出閥門，水體充盈閥門附近管道，在較遠的管道內(nèi)有水氣兩相彌漫，閥門附近射流區(qū)流速高達40 m／s以上（圖3（b）、圖4（b））；閥門開啟5 s時，射流區(qū)已充分發(fā)展（圖3（c）、圖4（c））；至閥門開啟8 s時，閥門外水平管道內(nèi)已被水體充盈，高速射流區(qū)范圍不斷擴大，流量也逐漸增大（圖3（d）、圖4（d））。

圖3 隨泵站閥門開啟閥門處水氣兩相分布Fig．3 Distribution of water air two phase on the valve gate during its opening

圖4 隨泵站閥門開啟閥門處流速分布Fig．4 Velocity distribution at the valve gate during its opening

3．2 壓力變化

在電站進水口前緣與通倉中部設(shè)置壓力監(jiān)測點，其高程均處于庫水位以下2 m處，檢測監(jiān)測點處隨泵站閥門開啟的壓力變化過程。圖5、圖6為泵站閥門開啟時各監(jiān)測點壓力的變化過程，測點處壓力最大波幅見表2。

表2 壓力變化波幅最大值Table 2 M aximum pressure fluctuation

圖5 庫水位440．55 m閥門瞬開、漸開監(jiān)測點處壓力變化Fig．5 Pressure variations atmonitoring points in the presence of instantaneous opening and gradual opening of valve（water level 440．55m）

圖6 庫水位450m閥門瞬開、漸開監(jiān)測點處壓力變化Fig．6 Pressure variations atmonitoring points in the presence of instantaneous opening and gradual opening of valve（water level450m）

由圖5、圖6可以看出，各工況下進口前緣與通倉處壓力變化趨勢基本一致，進口前緣壓力波幅略大于通倉。在同一庫水位下，閥門漸開時的最大壓力波幅是瞬開時的1／2倍；在不同運行水位下，高水位運行時的最大壓力變化波幅是低水位運行時的1／2倍。而物理模型測得的庫水位450 m、泵站閥門漸開時電站通倉內(nèi)最大壓力波幅為0．29 m，數(shù)學模型測得的相應(yīng)壓力波幅為0．33 m，數(shù)學模型計算值與物理模型測量值基本吻合。研究成果表明泵站閥門的開啟速度對壓力變化波幅有重要影響，適當調(diào)整閥門的開啟速度可減小水體的壓力變化波幅；泵站開啟對電站影響的不利工況應(yīng)為低水位運行工況。

4 結(jié) 語

（1）本文結(jié)合動網(wǎng)格技術(shù)，采用k ε紊流模型對泵站、電站進水口分層布置進水口水力特性進行了三維數(shù)值模擬，特別是閥門開啟過程的模擬。模擬得到的電站進水口附近最大壓力變幅與物理模型試驗成果吻合較好，說明采用的模擬的方法是合理可靠的。

（2）泵、電站分層布置進水口，泵站開啟過程對電站正常運行有一定的影響，在同一庫水位下，閥門漸開時的最大壓力波幅是瞬開時的1／2倍；泵站閥門的開啟速度對壓力變化波幅有重要影響，適當調(diào)整閥門的開啟速度可減小水體的壓力波幅。

［1］ 陳云良，伍 超，葉 茂，等．水電站進水口水流流態(tài)的研究［J］．水動力學研究與進展（A輯），2005，20（3）：340－345．（CHEN Yun liang，WU Chao，YEMao，etal．Research for Flow Pattern in Intake of Hydroelectric Station［J］．Journal of Hydrodynamics（Ser．A），2005，20（3）：340－345．（in Chinese））

［2］ 葉 茂，伍 超，楊朝暉，等．進水口前立軸漩渦的數(shù)值模擬及消渦措施分析［J］．四川大學學報（工程科學版），2007，39（2）：36－40．（YE Mao，WU Chao，

YANG Zhao hui，et al．Numerical Simulation of Vertical Vortex at Intake and the Analysis of Anti swirl Method［J］．Journal of Sichuan University（Engineering Science Edition），2007，39（2）：36－40．（in Chinese））

［3］ 高學平，葉 飛，宋慧芳．側(cè)式雙進／出水口水流運動三維數(shù)值模擬［J］．天津大學學報，2006，39（5）：519－522．（GAO Xue ping，YE Fei，SONG Hui fang．3D Nu merical Simulation on the Flow in Side Inlet／Outlet［J］．Journal of Tianjin University，2006，39（5）：519－522．（in Chinese））

［4］ 張正樓，鄭亞軍，雷興春，等．抽水蓄能電站側(cè)式雙進／出水口三維數(shù)值模擬［J］．水電能源科學，2009，27（1）：158－160．（ZHANG Zheng lou，ZHENG Ya jun，LEIXing chun，et al．3D Numerical Simulation of Flow in Two Lateral Inlet／Outlet at Pumped Storage Plant［J］．Water Resources and Power，2009，27（1）：158－160．（in Chinese））

［5］ 章軍軍，毛根海，程偉平，等．抽水蓄能電站側(cè)式短進出水口水力優(yōu)化研究［J］．浙江大學學報（工學版），

2008，42（1）：188－192．（ZHANG Jun jun，MAO Gen hai，CHENGWei ping，etal．Hydraulic Shape Optimiza tion on Lateral Inlet／Outlet of Pump Storage Plant［J］．Journal of Zhejiang University（Engineering Science），2008，42（1）：188－192．（in Chinese））

［6］ 李 妍，高學平，徐茂杰，等．水電站進水口水力特性數(shù)值模擬研究［J］．水利水電技術(shù)，2010，41（1）：29－32．（LIYan，GAO Xue ping，XU Mao jie，et al．Study on Numerical Simulation of Hydraulic Characteristics of Intake for Hydropower Station［J］．Hydraulic and Hydro power Engineering，2010，41（1）：29－32．（in Chinese） ）

（編輯：姜小蘭）

Effect of Opening the Pumping Station on the Hydropower Operation w ith M ulti levelW ater Intake

HAN Ji bin，REN Kun jie，YANG Qing yuan
（Hydraulics Department，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Themulti level intake of pumping station and hydropower stationmakes full use of the river valley width and reduces the amountof engineering excavation．However，the opening of pumping station’s valvemightgive rise to adversewater flow pattern at the intakes and affect the normal operation of hydropower station．By employing dy namicmesh technique and adopting k εeddy flow model，we carried out3 D numerical simulation on the hydraulic characteristics at themulti level intakes of a pumping station and hydropower station．By analyzing the water pres sure variation in the vicinity of the intakes，we conclude that the opening of pumping station’s valve have certain impact on the normal operation of hydropower station．Under the same reservoir water level，the maximum water pressure fluctuation when the gate is gradually opened is half of thatwhen the gate is instantaneously opened．

pumping station；water intake of hydropower station；multi level；opening of pumping station；pressure variation

TV135

A

1001－5485（2013）08－0001－04

10．3969／j．issn．1001－5485．2013．08．001

2013，30（08）：1－4

2013－05－03；

2013－07－19

韓繼斌（1968－），男，湖北漢川人，教授級高級工程師，主要從事水力學及河流動力學研究，（電話）13308629798（電子信箱）hanjb＠m(xù)ail．crsri．cn。