抽水蓄能電站側(cè)式進(jìn)出水口水工模型試驗研究

高雅芬，姚敏杰，韓 偉

(1．中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311222；2．浙江水利水電學(xué)院，浙江 杭州 310018)

1 研究背景

進(jìn)/出水口具有雙向特點，是抽水蓄能電站中連接水庫與機(jī)組的重要水工建筑物[1]。抽水蓄能電站分為側(cè)式與豎井式，在建或已建的抽水蓄能電站主要采用側(cè)式[2_3]。進(jìn)/出水口的體型設(shè)計對水電站高效、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有較大的影響[4]，設(shè)計不當(dāng)會使電站運(yùn)行過程中水流出現(xiàn)流態(tài)不穩(wěn)定和流量分配不合理等問題；出現(xiàn)有害吸氣漩渦、水頭損失大、水動波動大等問題，惡劣時候甚至產(chǎn)生反向流速問題。因此，進(jìn)行進(jìn)/出水口水工模型試驗很有必要[5]。

目前很多學(xué)者利用三維模擬和水工模型試驗方法對側(cè)式進(jìn)/出水口水損、流態(tài)、漩渦的形成與變化進(jìn)行規(guī)律性研究[6_9]。梅家鵬等[10]通過三維水動力模型，優(yōu)化了進(jìn)/出水口分流墩位置、孔寬和擴(kuò)散角度。高學(xué)平等[11]建立典型進(jìn)/出水口試驗裝置，利用粒子圖像測速技術(shù)(PIV)和聲學(xué)多普勒測速技術(shù)(ADV)測量進(jìn)/出水口處的流速變化。Wei C Y等[12]對某抽水蓄能電站進(jìn)/出水口進(jìn)行數(shù)值模擬，并分析研究其產(chǎn)生的漩渦。上述學(xué)者們的成果和探討為進(jìn)/出水口體型設(shè)計提供了合理的依據(jù)。

2 工程概況

某抽水蓄能電站總裝機(jī)容量1 200 MW(4×300 MW)，輸水系統(tǒng)布置為兩洞四機(jī)，由上庫進(jìn)/出水口及事故閘門井、引水管道、尾水管道、下庫進(jìn)/出水口及檢修閘門井等組成[13]。輸水系統(tǒng)總長約2 371.68 m(沿4號機(jī))，其中引水系統(tǒng)全長約1 281.24 m，引水鋼襯段長791.53 m，尾水系統(tǒng)全長約1 090.44 m，電站距高比為5.07。

3 進(jìn)/出水口水頭損失試驗研究

水流運(yùn)動過程中單位重量液體機(jī)械能的損失為水頭損失，分為局部和沿程水頭損失[14]。局部水頭損失是抽水蓄能電站側(cè)式進(jìn)/出水口的主要水頭損失,反映了水流在進(jìn)/出水口處的能量損耗,影響著電站能量轉(zhuǎn)換效率[15]。進(jìn)/出水口段主要由擴(kuò)散段、方變城門洞段、閘門井段、城門洞變圓段等組成。水頭損失計算公式根據(jù)伯努利方程分別為：

抽水工況：h1-0=1+av2/2g-0

(1)

發(fā)電工況：h0-1=0-1-av2/2g

(2)

水頭損失系數(shù)：ξ=2ghj/av2

(3)

式中，ξ為水頭損失系數(shù)，hj為水頭損失(j代表0-1或1-0)，0為庫水位測壓管水位，1為擴(kuò)散段后1.5D斷面測壓管水位，a為動能修正系數(shù)，v為隧洞平均流速。

試驗時，首先保證水流呈紊流，判別水流進(jìn)入紊流阻力平方區(qū)的方法是測量進(jìn)/出水口不同流量下的水頭損失，計算得出的水頭損失系數(shù)相近。

進(jìn)/出水口水頭損失模型試驗的數(shù)據(jù)結(jié)果如下所示(見表1、圖1)。水位為827 m時，該抽水蓄能電站上庫進(jìn)/出水口水頭損失系數(shù)發(fā)電工況為0.265，抽水工況為0.475。通過對比進(jìn)行過模型試驗的同類型進(jìn)/出水口的損失系數(shù)，如宜興抽水蓄能電站上庫進(jìn)/出水口抽水工況為0.476；十三陵抽水蓄能電站下庫進(jìn)/出水口抽水工況為0.26。結(jié)果表明，本電站上庫進(jìn)/出水口水頭損失系數(shù)與上述同類型的水頭損失系數(shù)屬同一水平，抽水和發(fā)電兩種工況下，進(jìn)/出水口水頭損失隨著流速水頭的增加而增大。

利用（3）式將矩陣B進(jìn)行化簡發(fā)現(xiàn)它的行和與列和都為零，因此矩陣B總有特征向量(1,1,1,...)，其對應(yīng)的特征值為0，這是拉普拉斯圖矩陣的性質(zhì)〔7〕，也是圖分割的基礎(chǔ)。

表1 側(cè)式進(jìn)/出水口水頭損失

4 進(jìn)/出水口流速分布試驗研究

為防止攔污柵振動，保證流道流速分布均勻，通常要求此門槽處流速分布不均勻系數(shù)小于2.0[16]。攔污柵及前緣斷面測點布置如下所示(見圖2(a))。流速數(shù)值在1號進(jìn)/出水口的各孔口處

(a)抽水工況

提取。孔口沿垂線分布分別為1-1、1-2、1-3、1-4，各孔口又提取左、中、右3條垂線上的流速(即1-4左、1-4中、1-4右)來研究同一孔口流速沿橫向的變化。各垂線設(shè)5個測點，從孔口底部至頂部，位置如下所示(見圖2(b))。

4.1 抽水工況

抽水工況時，上庫進(jìn)/出水口水流為出流狀態(tài)，試驗結(jié)果表明，各孔口前緣流速分布較均勻，平均流速為0.44～0.65 m/s(見表2、圖3)。

表2 1號進(jìn)/出水口前緣流速分布

(a)測點平面布置圖

各孔口攔污柵斷面流速分布較均勻，平均流速為0.63～0.77 m/s(攔污柵斷面平均流速理想值0.686 m/s)，最大流速1.39 m/s。

各孔口流速不均勻系數(shù)為1.69～1.90(見表3、圖4)，每個孔口測線上流速分布基本相同。

表3 1號進(jìn)/出水口攔污柵斷面流速分布

圖4 1號進(jìn)/出水口攔污柵斷面流速分布

4.2 發(fā)電工況

發(fā)電工況時，上庫進(jìn)/出水口水流為進(jìn)流狀態(tài)。根據(jù)進(jìn)/出水口試驗結(jié)果表明，各孔口前緣流速分布較均勻，平均流速為0.36～0.49 m/s(見表4、圖5)。

各孔口攔污柵斷面流速分布較均勻，各孔口平均流速0.64～0.74 m/s(各孔口平均流速理想值0.707 m/s)，最大流速0.87 m/s。各孔口流速不均勻系數(shù)為1.12～1.25(見表5、圖6)，每個孔口測線上流速分布基本相同。

表4 1號進(jìn)/出水口前緣流速分布

圖5 1號進(jìn)/出水口前緣流速分布

表5 1號進(jìn)/出水口攔污柵斷面流速分布

圖6 1號進(jìn)/出水口攔污柵斷面流速分布

5 進(jìn)/出水口漩渦試驗研究

目前抽水蓄能電站進(jìn)/出水口前自由表面漩渦分為若干類?，F(xiàn)工程中多采用美國麻省Worcester綜合研究所Alden實驗室的分類法，分為6種漩渦類型[17]：一二型為表面渦紋和微渦，流體旋轉(zhuǎn)不明顯或表面微凹，旋轉(zhuǎn)的流體近于無漩渦，不引起危害，實際工程中可以存在。三四型為染料和挾物漩渦，染料或雜物跟隨漩渦進(jìn)入取水口，但沒有空氣吸入的漩渦，稱為弱漩渦，它對機(jī)組與建筑物產(chǎn)生的危害不嚴(yán)重，但實際中也需防止。五六型為間歇吸氣和連續(xù)吸氣漩渦，漩渦中心為漏斗形氣柱，空氣能進(jìn)入進(jìn)/出水口，屬于強(qiáng)漩渦，電站進(jìn)水口通常不允許出現(xiàn)，會產(chǎn)生較嚴(yán)重的后果。

5.1 進(jìn)/出水口漩渦判別

漩渦的形成在一定邊界條件下與淹沒深度、進(jìn)口流速和尺寸相關(guān)，即相關(guān)于佛汝德數(shù)Fr，不出現(xiàn)吸氣漩渦的臨界淹沒深度SC由下式確定:

SC=CVd1/2

(4)

式中，SC為臨界淹沒深度(從孔口頂部計算)；d為孔高；V為閘門引水道流速；C為系數(shù)，對稱進(jìn)水時取0.55，不對稱時取0.73。

進(jìn)水口的佛汝德數(shù)Fr應(yīng)滿足：

(5)

表6 進(jìn)水口進(jìn)流漩渦判別

5.2 進(jìn)水口漩渦試驗結(jié)果

一般情況下當(dāng)Re及We不符合臨界值要求時，試驗應(yīng)采用加大流量法對漩渦運(yùn)動進(jìn)行補(bǔ)充觀察來消除模型縮尺因素的影響。本研究中模型為死水位時，加大2倍流量，Re及We均滿足臨界值要求。

試驗結(jié)果表明，上庫死水位，設(shè)計流量雙機(jī)發(fā)電，進(jìn)/出水口上方水面大多時間較平穩(wěn)，某些孔口攔污柵斷面處水面發(fā)生渦紋。將流量增至2倍，攔污柵斷面處水面發(fā)生表面渦紋的孔口有所增多，渦紋強(qiáng)度略有增加。根據(jù)觀測結(jié)果，并結(jié)合進(jìn)水口漩渦經(jīng)驗公式判別結(jié)果(見表7)，死水位827 m；設(shè)計流量雙機(jī)發(fā)電運(yùn)行時，進(jìn)/出水口將不產(chǎn)生有害漩渦。

表7 進(jìn)/出水口漩渦情況

6 結(jié) 論

本文結(jié)合某抽水蓄能電站上庫側(cè)式進(jìn)/出水口進(jìn)行了水力特性模型試驗研究。結(jié)果表明：不同流量下水頭損失系數(shù)基本相同，紊流阻力平方區(qū)處水頭損失系數(shù)與雷諾數(shù)無關(guān)。進(jìn)/出水口出流和進(jìn)流時，孔口前緣流速分布和攔污柵斷面流速分布較均勻，各孔口左、中、右流速分布基本相同。漩渦的形成與相對淹沒深度s/d和Fr的關(guān)系，進(jìn)/出水口佛汝德數(shù)Fr<0.23,并相對淹沒深度s/d>0.5，不產(chǎn)生有害的漩渦。