水電站工作閘門動水關(guān)閉數(shù)值模擬分析

董克青, 桂林, 劉凱

(1.中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司, 天津 300222; 2.四川大學(xué)水電學(xué)院, 四川 成都 610065)

水電站工作閘門動水關(guān)閉數(shù)值模擬分析

董克青1, 桂林2, 劉凱2

(1.中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司, 天津 300222; 2.四川大學(xué)水電學(xué)院, 四川 成都 610065)

結(jié)合某水電站的實際資料建立了由水庫、引流道、工作閘門和蝸殼組成的三維模型, 運用數(shù)值模擬軟件對實際工況和設(shè)計工況進(jìn)行計算對比. 計算結(jié)果表明閘門在兩個剪斷銷剪斷時無法關(guān)閉的原因是滑塊的老化導(dǎo)致摩擦系數(shù)增大. 由于閘門底部的特殊型式閘門在正常下落過程中底緣所受壓力分布不均勻, 且隨著開度的減小底部不均勻程度有所增加, 導(dǎo)致閘門關(guān)閉過程中的垂直振動, 機組強烈震動棄負(fù)荷時將飛逸, 對系統(tǒng)和人員的安全帶來重大隱患. 本文對電站的安全生產(chǎn)和閘門的優(yōu)化設(shè)計有一定參考價值.

閘門; 安全生產(chǎn); 動水關(guān)閉; 滑塊; 數(shù)值模擬

1 電站概況及存在的問題

某水電站總裝水輪發(fā)電機組5臺, 每臺機組在進(jìn)水口和尾水管出口部分均分隔為3個孔道, 沿水流方向依次布臵欄污柵、檢修閘門、工作閘門和尾水閘門, 工作閘門緊接檢修門槽下游設(shè)臵. 閘門設(shè)計可動水關(guān)閉, 但不要求快速下門, 關(guān)門時利用壩頂門機的主提升機構(gòu), 通過液壓自動抓梁下放閘門, 利用閘門自重動水下落關(guān)門.

電站在運行一段時間后曾出現(xiàn)過剪斷銷剪斷2個時就不能實現(xiàn)動水落下進(jìn)水口工作閘門的情況(前兩列門落到位, 第三列門在距離到位1m多的位臵無法下落), 當(dāng)手動關(guān)閉活動導(dǎo)葉后, 工作閘門又能夠順利關(guān)閉. 當(dāng)閘門不能順利關(guān)閉時, 機組還不得不在此工況下工作. 與設(shè)計上存在偏差, 對機組的安全運行和檢修人員的人身安全帶來重大隱患.

2 流動模型與計算方法

2.1 水流控制方程

連續(xù)方程:

動量方程:

2.2 模型的建立

根據(jù)電站實際資料采用GAMBIT建立模型, 模型尺寸與實際尺寸相同, 包括四個部分: 水庫、流道、工作閘門、蝸殼, 忽略蝸殼以后部件對流場的影響, 并對模型作了一定的簡化. 為了減少計算量及增加計算的精確性,采用結(jié)構(gòu)化的六面體網(wǎng)格, 在進(jìn)水口、流道部分網(wǎng)格較為稀疏, 而在閘門附近采用較密的網(wǎng)格, 這樣可以提高運算的速度. 下圖是運行水位為22m, 閘門開度為10%, 流量為96.7 m3/s工況下模型結(jié)構(gòu)圖.

2.3 邊界條件的確定

圖1 三維模型圖Fig.1 Dimensional model diagram

進(jìn)口: 采用壓力進(jìn)口, 指定水位表面為大氣壓, 設(shè)臵入口處的總壓.

出口: 采用壓力出口, 根據(jù)下游尾水位反推得到蝸殼出口處的壓力, 忽略蝸殼后面過流部件對計算的影響.

大氣邊界: 采用VOF法處理自由液面.

3 計算結(jié)果與分析

為了找到工作閘門無法完全關(guān)閉的原因, 根據(jù)電站的不同運行水位和閘門的不同開度建立了多種模型. 在以下工況下進(jìn)行了數(shù)值模擬: 運行水位為18m、20m、22m、24m、26m、28m, 閘門相對開度為10%、20%、30%,以及流量為96.70 (m3/s) (相當(dāng)于兩個剪斷銷剪斷)、48.35(m3/s) (相當(dāng)于一個剪斷銷剪斷)、27.8(m3/s) (相當(dāng)于5%的設(shè)計流量).

3.1 持住力的定義

閘門的持住力[2]

3.2 持住力與運行水位、開度和摩擦系數(shù)之間的關(guān)系

該廠機組實際運行最大水頭為28m, 最小水頭為18m, 設(shè)計水頭為22m. 一個剪斷銷剪斷機組流量為48.35 m3/s, 兩個剪斷銷剪斷流量為96.7 m3/s. 以下兩圖為經(jīng)fluent計算結(jié)合上面公式定義得到的不同閘門開度、不同流量, 滑塊摩擦系數(shù)分別為0.17和0.11時持住力與運行水位的關(guān)系.

圖2 滑塊摩擦系數(shù)為0.17時持住力與運行水位的關(guān)系Fig.2 The relationship between holding force and water levels when When the friction coefficient of slider is 0.17

圖3 滑塊摩擦系數(shù)為0.11時持住力與運行水位的關(guān)系Fig.3 The relationship between holding force and water levels when When the friction coefficient of slider is 0.11

由圖二和圖三可以看出, 持住力在各種工況下隨著運行水位變化而變化的規(guī)律相同, 都是隨運行水位的增加而減小. 當(dāng)機組的運行水位由18m上升到28m,閘門所處位臵的水深跟著增加, 閘門平板上所受到壓力的不斷增加使摩擦阻力不斷增加, 而水柱力和下吸力雖然也有所增加但增加幅度相對較小, 所以隨著運行水位的上升,持住力不斷減小. 而閘門的下落(開度由30%降到10%)對持住力的影響和水位上升一樣都是因為摩擦力增幅太大而致使持住力不斷減小的. 而由圖可見流量在96.7 m3/s時的持住力總是小于流量在48.35 m3/s時的持住力.

由圖二、圖三結(jié)合上面的分析可以得到, 只有在閘門開度小于10%、流量大于96.7 m3/s(即只有在兩個及以上的活動導(dǎo)葉剪斷銷剪斷)且滑塊摩擦系數(shù)達(dá)到一定值時, 閘門的持住力才會為負(fù), 即閘門不能在此時下落關(guān)閉,而根據(jù)該電站提供的資料, 這是與閘門的實際運行中遇到的問題是相符合的. 由此得出該電站閘門不能完全關(guān)閉的原因在于電站長期運行致使滑塊老化受損, 滑塊的摩擦系數(shù)變大, 從而使原先符合設(shè) 計要求的閘門無法正常下落. 所以建議更換老化的滑塊材料, 并適當(dāng)選用新材料滑塊, 也可涂抹一層低摩擦系數(shù)涂料, 以應(yīng)急關(guān)閉閘門.

3.3 閘門底部壓強分布

為了分析在正常的情況下閘門底部壓強的分布, 初始流量設(shè)臵為機組額定工作時的流量, 計算閘門在該種工況下的流場來研究其底部壓強分布.

3.3.1 水頭18m時的閘門底部壓強分布

圖4 從左至右閘門開度依次是20%、10%、5%Fig.4 Gate opening sequence from left to right are 20%, 10%, 5%

3.3.2 水頭22m時的閘門底部壓強分布

圖5 從左至右閘門開度依次是20%、10%、5%Fig.5 Gate opening sequence from left to right are 20%, 10%, 5%

3.3.3 水頭28m時的閘門底部壓強分布

圖6 從左至右閘門開度依次是20%、10%、5%Fig.6 Gate opening sequence from left to right are 20%, 10%, 5%

3.3.4 閘門底部最低壓強與開度的關(guān)系

圖7 閘門底緣最低壓強與開度的Fig.7 The relationship between Low pressure at the bottom of the gate and opening degre

該電站工作閘門底部上游傾角38度, 下游傾角為0度(底部水平), 水流流經(jīng)該處由于邊界的突變流線發(fā)生彎曲流速分布進(jìn)行改組, 流速分布進(jìn)行改組產(chǎn)生脈動, 而水流的脈動又會導(dǎo)致閘門底部壓力的分布不均勻.[6]由圖四、圖五、圖六可以看出不同水位下閘門上下游壓力分布的變化規(guī)律基本相同, 閘門底部靠近上游處壓強分布很不均勻, 而靠近下游處壓強分布相對均勻些且隨著閘門開度的減小, 閘門底部上游處壓力不斷減小且不均

勻程度不斷增加. 而閘門底部壓力的分布不均勻又會導(dǎo)致閘門的垂直振動, 影響閘門工作的安全和穩(wěn)定性.

由圖七可以看出, 閘門底部的最低壓強隨著開度的減小不斷降低, 在10%開度以下時, 底部的壓強急劇下降直至出現(xiàn)負(fù)壓, 由此閘門在下降至小開度或因某種原因停在小開度不能關(guān)閉時, 極易出現(xiàn)負(fù)壓, 誘發(fā)空化, 從而使閘門產(chǎn)生振動, 導(dǎo)致閘門結(jié)構(gòu)或閘門槽破壞, 影響閘門和閘門槽的安全運行,[9]應(yīng)極力避免此種情況發(fā)生.

4 結(jié)論

（1）閘門的持住力隨著運行水位的升高而不斷減小, 隨著閘門的下降而不斷減小.

（2）閘門在兩個剪斷銷剪斷時持住力為負(fù)值, 不能關(guān)閉的主要原因是由于長期運行致使滑塊老化, 下降過程中的摩擦阻力太大, 建議更換摩擦系數(shù)較小的材料, 定期檢查.

（3）閘門下落過程中閘門底部由于型式的特殊靠近下游部分壓力分布相對均勻, 而靠近上游部分壓力分布不均勻, 且隨著開度的減小不均勻程都有所增加.

（4）通過對該模型的計算得到了閘門不能下落的原因, 與電站實際運行情況相吻合, 表明數(shù)值模擬是一種經(jīng)濟有效的研究方法, 用數(shù)值模擬來代替昂貴且耗時較長的物理模型實驗是可行的.

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Numerical simulation about fast gate hydrodynamic closing of hydropower

DONG Ke-qing, GUI Lin, LIU Kai

(1. China Water Resources Beifang Investigation, Design and Research Co., Ltd, Tianjin 300222, P.R.C.;
2.School of Water Resource & Hydropower, Sichuan University,Chengdu 610065, P.R.C.)

Based on the actual data in a hydropower station, a three-dimensional model was established, which was composed of reservoir, flow channel, working gate and volute. The actual working conditions and design conditions were compared by the calculation of numerical simulation software. The calculation results show that the reason why the gate can not be closed with the shearing off of the two shear pin is the increase of its friction coefficient resulting from the aging slider. Because of its special type, the bottom edge of the gate bears pressure of inhomogeneous distribution when falling down normally. Besides, with the reduction of the opening scope, the unevenness degree will be increased, which may result in the vertical vibration when closing. After that, the strong vibration in the cause of abandoning load may lead to unit of running away, which may pose significant security risks for the system and staff. This paper has a certain reference value for the daily running of the power station and the optimization design of the gate.

gate; safe production; hydrodynamic close; slider; numerical simulation

TV732

: A

: 1003-4271(2014)03-0428-06

10.3969/j.issn.1003-4271.2014.03.19

2014-02-25

董克青(1966-), 男, 天津市津南區(qū), 高級工程師; 桂林(1963-), 男, 副教授, 研究方向: 水電站水力學(xué)及動力系統(tǒng).通訊作者: 劉凱(1989-), 男, 碩士, 研究方向為電站水力學(xué)及動力系統(tǒng), E-mail: 596820868@qq.com .