白鶴灘尾水隧洞明滿流對水電站穩(wěn)定性的影響

孫洪亮 楊飛 李高會 陳益民 倪紹虎

摘要：白鶴灘水電站單機(jī)容量為1 000 MW，規(guī)模居世界第二。對于水電站而言，引水發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性尤為重要，而該水電站的尾水隧洞存在著明滿流現(xiàn)象，嚴(yán)重影響到了引水發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為此，采用特征隱格式下的虛擬狹縫法，分析了尾水隧洞內(nèi)不同流態(tài)對機(jī)組穩(wěn)定性及尾水調(diào)壓室水位波動的影響。分析結(jié)果表明：當(dāng)明滿流段流態(tài)為明流時，可以加速調(diào)壓室水位波動收斂，有利于輸水系統(tǒng)的穩(wěn)定;當(dāng)流態(tài)為明滿過渡流時，其壓力脈動現(xiàn)象會導(dǎo)致機(jī)組調(diào)節(jié)品質(zhì)變差，不利于輸水系統(tǒng)的穩(wěn)定。此外，明滿流段的長度對機(jī)組調(diào)節(jié)品質(zhì)影響很小，長度的選取不受輸水系統(tǒng)穩(wěn)定性限制。研究成果可為類似輸水系統(tǒng)設(shè)計和研究提供參考。

關(guān) 鍵 詞：輸水系統(tǒng)穩(wěn)定性; 明滿過渡流; 尾水隧洞; 數(shù)值模擬; 白鶴灘水電站

白鶴灘水電工程為金沙江下游4個水電梯級中的第二個梯級，水庫總庫容為206.27 億m3。電站采用地下首部開發(fā)方式，左、右岸各布置8臺1 000 MW混流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為16 000 MW，單機(jī)額定流量為547.8 m3/s。引水隧洞采用單洞單機(jī)、尾水隧洞采用兩機(jī)一洞的布置方式。由于尾水隧洞較長，左、右岸各布置了4座圓筒形尾水調(diào)壓室。2～6號尾水隧洞末尾部分洞段由導(dǎo)流洞改建而成，在立面上采用了緩坡段后接陡坡段（銜接段）、然后接平坡段（明滿流段）的布置方式，如圖1所示，總長997.6～1 744.9 m，尾水位較低時存在明滿流現(xiàn)象。

針對變頂高尾水隧洞明滿流小波動方面的研究較多。褚寶鑫和樊紅剛等[1]對三峽水電站變頂高尾水隧洞進(jìn)行了研究;邵年等[2]對彭水電站變頂高尾水隧洞進(jìn)行了研究;周建旭和張建等[3]、李修樹和胡鐵松[4]、王建華和李修樹等[5]、薛阿強(qiáng)和黃國兵等[6]，均對變頂高尾水洞小波動問題進(jìn)行了研究。上述研究結(jié)論均認(rèn)為與有壓隧洞相比，變頂高尾水洞有利于機(jī)組穩(wěn)定，可以代替尾水調(diào)壓室[7]。陳剛等[8]對某長明滿流尾水隧洞的小波動穩(wěn)定性問題進(jìn)行了分析，程永光和張師華分析了長尾水明渠波動對機(jī)組調(diào)節(jié)參數(shù)的影響[9]，然而他們的研究均沒有考慮到明滿流滯氣等現(xiàn)象，只考慮到了明流波動的影響。

白鶴灘水電站尾水隧洞較長且明滿流段為平坡。與變頂高尾水洞不同，平坡明滿流尾水洞存在滯留氣團(tuán)現(xiàn)象[10]，可能會引起壓力突變，從而影響到機(jī)組出力不穩(wěn)定。有鑒于此，為了保證水電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，本文以該工程6號水力單元為研究對象，采用數(shù)值模擬方法，展開了尾水隧洞明滿流對輸水系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響分析。

1 明滿流模擬方法

關(guān)于明滿流問題的數(shù)值模擬常用算法有激波擬合法[11-12]、剛性水柱法[13]和虛擬狹縫法[14]。其中，虛擬狹縫法最常用，該方法是利用明渠非恒定流和有壓流非恒定物理方程的相似性，假設(shè)管道頂部存在一條狹縫，對有壓流和明渠流統(tǒng)一用明渠非恒定流方程（Saint-Venant方程）描述，對于無壓流，計算壓力為洞內(nèi)水深，對于有壓流則為洞內(nèi)壓強(qiáng)水頭，從而有效解決了明滿流交界面隨時間變化難以確定的問題。對以上偏微分方程經(jīng)常采用特征線法和Preissmann四點隱格式差分法求解。以上差分方法在求解明滿流問題時，由于明流和滿流分界處流動波速會發(fā)生突變，特征線法受Courant條件限制，有時無法協(xié)調(diào)有壓流和無壓流時間步長的巨大差異，所以存在一個計算速度與穩(wěn)定性矛盾問題[15]。為了解決以上問題，練繼建和王俊等提出了變時步特征線法[16]，樊紅剛、 陳乃祥常采用特征隱格式法[17-18]，鈕新強(qiáng)和楊建東等[19]、樹錦和袁健[20]及張宗溥和花玉龍[21]等，通過模型實驗證明了特征隱格式法收斂性較好，計算精度高。特征隱格式法具體描述如下。

3 結(jié)果分析

3.1 原布置方案分析

原布置方案：尾水隧洞總長為1 516.28 m，其中明滿流段長為586.18 m，設(shè)有尾水調(diào)壓室。3種工況下的計算結(jié)果分別如表2和圖2所示。從各調(diào)節(jié)指標(biāo)和機(jī)組轉(zhuǎn)速變化曲線來看，工況X1的各調(diào)節(jié)指標(biāo)比工況X2和X3略差，工況X2和X3機(jī)組轉(zhuǎn)速變化曲線前3個“半波”基本重合，調(diào)節(jié)品質(zhì)基本相同。以上對比說明：尾水隧洞明流對機(jī)組的穩(wěn)定性影響很小。而尾水隧洞內(nèi)發(fā)生明滿過度流時對機(jī)組的穩(wěn)定是不利的。但是從各調(diào)節(jié)指標(biāo)值來看， 各工況均滿足小波動調(diào)節(jié)指標(biāo)的要求，證明原布置方案是合理的。

尾水調(diào)壓室水位波動過程對比如圖3所示，尾水隧洞明滿流起點水位（壓力）波動對比如圖4所示。由圖3可以發(fā)現(xiàn)，在工況X2下，調(diào)壓室水位和尾水隧洞水位（壓力）波動很快收斂，說明尾水隧洞明流對調(diào)壓室水位波動穩(wěn)定是有利的。主要是因為調(diào)壓室會對尾水隧洞內(nèi)的明滿流水力波產(chǎn)生反射作用，尾水調(diào)壓室與尾水洞明滿流段之間水力波相互疊加削弱，有利于調(diào)壓室水位和尾水隧洞明流波動的快速穩(wěn)定，所以尾水隧洞明流可以減弱由于調(diào)壓室水位振蕩所引起的機(jī)組轉(zhuǎn)速變化尾波段振蕩，有利于機(jī)組及整個輸水系統(tǒng)的穩(wěn)定。

3.2 明滿流段長度影響分析

為了研究小波動調(diào)節(jié)品質(zhì)是否對明滿流段長度的選取起到限制性作用，保持尾水隧洞總長度不變，取不同明滿流段的長度L值，分析了工況X1下機(jī)組的調(diào)節(jié)品質(zhì)。

L=1 186.18，586.18m和186.18 m的計算結(jié)果對比如圖5和圖6所示。由圖5可知，明滿流段不同長度時，機(jī)組相對轉(zhuǎn)速過程線前兩個波動基本是重合的，尾波差別也較小，證明明滿流段長度對機(jī)組的調(diào)節(jié)品質(zhì)幾乎沒有影響，均滿足小波動調(diào)節(jié)指標(biāo)要求。

由圖6可知，明滿流段越長，尾水調(diào)壓室水位波動振幅越小，說明尾水調(diào)壓室與明滿流水位波相互疊加作用越明顯。整體來看，水位波動差異較小，均能收斂。所以小波動調(diào)節(jié)品質(zhì)對明滿流段長度的選取不起限制作用。

4 結(jié) 論

白鶴灘大型水電工程尾水隧洞部分洞段由導(dǎo)流洞改建而成，尾水位較低時會發(fā)生明滿流現(xiàn)象。為此，展開了專項研究，得到以下結(jié)論。

（1） 當(dāng)明滿流段流態(tài)為明流時，尾水調(diào)壓室與尾水洞明滿流段之間的水力波相互疊加削弱，有利于調(diào)壓室水位和尾水隧洞明流波動的快速穩(wěn)定，對輸水系統(tǒng)穩(wěn)定是有利的。

（2） 由于明滿流段為平坡段，當(dāng)流態(tài)為明滿過渡流時，會發(fā)生壓力脈動現(xiàn)象，進(jìn)而引起尾水調(diào)壓室水位波動的第一個半波局部振蕩，從而導(dǎo)致機(jī)組調(diào)節(jié)品質(zhì)略差，說明平坡尾水隧洞內(nèi)發(fā)生明滿過渡流時將對機(jī)組的穩(wěn)定調(diào)節(jié)產(chǎn)生不利的影響。但是整體來看，無論尾水隧洞為明流、有壓流或明滿過渡流，均能滿足小波動調(diào)節(jié)品質(zhì)的要求。

（3） 明滿流段的長度對機(jī)組的調(diào)節(jié)品質(zhì)影響很小，小波動的調(diào)節(jié)品質(zhì)對明滿流段長度的選取不起限制作用。

需要說明的是，白鶴灘水電工程尾水系統(tǒng)的布置方案主要是根據(jù)線路布置和大波動計算結(jié)果而確定的。

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（編輯：趙秋云）