高雅芬,姚敏杰,韓 偉
(1.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)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)
進(jìn)/出水口具有雙向特點(diǎn),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(jì)對(duì)水電站高效、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有較大的影響[4],設(shè)計(jì)不當(dāng)會(huì)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(dòng)波動(dòng)大等問題,惡劣時(shí)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(yàn)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(yàn)方法對(duì)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(dòng)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(yàn)裝置,利用粒子圖像測(cè)速技術(shù)(PIV)和聲學(xué)多普勒測(cè)速技術(shù)(ADV)測(cè)量進(jìn)/出水口處的流速變化。Wei C Y等[12]對(duì)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(jì)提供了合理的依據(jù)。
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(zhǎng)約2 371.68 m(沿4號(hào)機(jī)),其中引水系統(tǒng)全長(zhǎng)約1 281.24 m,引水鋼襯段長(zhǎng)791.53 m,尾水系統(tǒng)全長(zhǎng)約1 090.44 m,電站距高比為5.07。
水流運(yùn)動(dòng)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(jì)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(cè)壓管水位,1為擴(kuò)散段后1.5D斷面測(cè)壓管水位,a為動(dòng)能修正系數(shù),v為隧洞平均流速。
試驗(yàn)時(shí),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(cè)量進(jìn)/出水口不同流量下的水頭損失,計(jì)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(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果如下所示(見表1、圖1)。水位為827 m時(shí),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(duì)比進(jìn)行過模型試驗(yàn)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(jiǎn)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(duì)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
為防止攔污柵振動(dòng),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(cè)點(diǎn)布置如下所示(見圖2(a))。流速數(shù)值在1號(hào)進(jìn)/出水口的各孔口處
(a)抽水工況
提取??卓谘卮咕€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(gè)測(cè)點(diǎn),從孔口底部至頂部,位置如下所示(見圖2(b))。
抽水工況時(shí),上庫進(jìn)/出水口水流為出流狀態(tài),試驗(yàn)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(hào)進(jìn)/出水口前緣流速分布
(a)測(cè)點(diǎn)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(gè)孔口測(cè)線上流速分布基本相同。
表3 1號(hào)進(jìn)/出水口攔污柵斷面流速分布
圖4 1號(hào)進(jìn)/出水口攔污柵斷面流速分布
發(fā)電工況時(shí),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(yàn)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(gè)孔口測(cè)線上流速分布基本相同。
表4 1號(hào)進(jìn)/出水口前緣流速分布
圖5 1號(hào)進(jìn)/出水口前緣流速分布
表5 1號(hào)進(jìn)/出水口攔污柵斷面流速分布
圖6 1號(hào)進(jìn)/出水口攔污柵斷面流速分布
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。現(xiàn)工程中多采用美國(guó)麻省Worcester綜合研究所Alden實(shí)驗(yàn)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(shí)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(duì)機(jī)組與建筑物產(chǎn)生的危害不嚴(yán)重,但實(shí)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(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的后果。
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(jì)算);d為孔高;V為閘門引水道流速;C為系數(shù),對(duì)稱進(jìn)水時(shí)取0.55,不對(duì)稱時(shí)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
一般情況下當(dāng)Re及We不符合臨界值要求時(shí),試驗(yàn)應(yīng)采用加大流量法對(duì)漩渦運(yùn)動(dòng)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(shí),加大2倍流量,Re及We均滿足臨界值要求。
試驗(yàn)結(jié)果表明,上庫死水位,設(shè)計(jì)流量雙機(jī)發(fā)電,進(jìn)/出水口上方水面大多時(shí)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(cè)結(jié)果,并結(jié)合進(jìn)水口漩渦經(jīng)驗(yàn)公式判別結(jié)果(見表7),死水位827 m;設(shè)計(jì)流量雙機(jī)發(fā)電運(yùn)行時(shí),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
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(yàn)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(shí),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(duì)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(duì)淹沒深度s/d>0.5,不產(chǎn)生有害的漩渦。