桃源水电站机组甩负荷涌浪分析.pdf
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1、14第 46 卷 第 08 期2023 年 08 月Vol.46No.08Aug.2023水 电 站 机 电 技 术Mechanical&ElectricalTechniqueofHydropowerStation1 概述桃源水电站是沅水干流最末一个水电开发梯级,位于湖南省桃源县境内。工程于 2010 年 8 月开工建设,2014 年全面投产。水电站装设 9 台单机容量 20 MW 的贯流式机组,仅以一回出线接入漳江变电站。电站输水道短,机组甩负荷后水击波迅速传递至坝前,对坝前水位波动影响大。根据涌浪的传播动力特性分析,甩负荷涌浪产生后的有害影响可能有挡水闸坝、泄洪闸门、水轮机组、船闸、库区传
2、播以及库区岸坡等。为减少涌浪可能产生的不利影响,需研究涌浪数学模型,利用模型计算出各种工况的模拟成果,并在此基础上分析可能的风险影响,最后提出结论及合理化建议。2 数学模型本研究采用守恒型的平面二维潜水模型1。对于平面大范围的自由表面流动,垂向尺度一般远小于平面尺度,在此条件下,可引入浅水假设来简化基本的守恒方程。假设沿水深方向的压力遵循静水压力分布,同时对基本的质量与动量守恒方程在水深方向积分以便引入平均化处理,可以导出以下的浅水方程2,3:Ut+(FI-FV)x+(GI-GV)y=S其中:U=huhvh;FI=uhu2h+gh2/2uvh;GI=vhuvhv2h+gh2/2;FV=0euh
3、/xevh/xGI=0euh/yevh/y;S=S0+Sf0ghS0 xghS0y+0-ghSfx-ghSfy式中:U 为自变量;F,G 分别代表 x,y 方向的通量;S 代表源项;I,V 分别代表对流通量与粘性通量;h 为水深;u,v 分别为 x,y 方向的流速;g 为重力加速度;S0 x和 S0y分别为 x,y 方向的底坡源项;Sfx和 Sfy分别为 x,y 方向的底摩擦源项,具体计算式如下:S0 x=-zbx,S0y=-zby,Sfx=n2u u2+v2h4/3,Sfy=n2v u2+v2h4/3式中:n 为糙率;Zb为河底高程;其中水位 Z 由水深 h 和河底高程 Zb确定。3 计算条
4、件3.1 计算区域与特征点计算区域包括桃源电站整个左、右槽,并在左右收稿日期:2023-03-02作者简介:周小青(1981-),男,高级工程师,从事水利动能设计工作。桃源水电站机组甩负荷涌浪分析周小青1,庞建成1,屈 星1,姜伯乐2(1.湖南省水利水电勘测设计规划研究总院有限公司,湖南 长沙 410007;2.长江水利委员会长江科学院,湖北 武汉 430011)摘 要:桃源水电站为河床径流式电站,装设灯泡贯流式发电机组,输水道短,机组甩负荷后产生的水击波会迅速传递至坝前,对坝前水位波动影响很大。有关桃源电站甩负荷对机组的影响研究虽然颇多,但关于甩负荷后产生的涌浪在库区的传播规律分析,以及其对
5、挡水闸坝、泄洪闸门、船闸通航和库区岸坡等影响的研究甚少。本文主要通过二维潜水模型模拟多种工况下的机组甩负荷后涌浪传播过程,预测分析涌浪对相应水工建筑物及库区岸坡的影响,并由此提出可能的措施及合理化建议。关键词:桃源水电站;机组甩负荷;涌浪;二维浅水模型;风险分析中图分类号:TV734.1文献标识码:B文章编号:1672-5387(2023)08-0014-05D O I:10.13599/ki.11-5130.2023.08.00415第 08 期周小青,等:桃源水电站机组甩负荷涌浪分析槽分叉处沅水大桥位置往上游河段延伸约 650 m,见图 1。图 1 模型模拟区域3.2 计算域网格计算域网格
6、剖分采用非结构化三角形网格和结构化四边形网格相结合的方式,共划分网格单元数24 823 个,节点数 14 866 个,网格在近坝址位置采用结构化四边形网格,并进行了局部加密处理,最小网格尺寸为 4 m,上游河道采用非结构化三角形网格,依据地形散点精度和计算要求网格逐渐稀疏,最大网格尺寸 40 m,上下游网格衔接保证疏密过渡自然。右槽近坝址处发电厂房和泄洪闸部分网格剖分见图 2,左、右槽交汇处及上游河道网格剖分见图 3。图 2 计算域右槽近坝河段网格(左右槽部分)图 3 数值计算上游河段网格(近坝址处)为便于对计算结果进行分析研究,除在右槽布置的特征点之外,在左槽也布置了 5 个特征点,特征点编
7、号(L1,L2,L3,L4a 和 L4b)、位置见图 4、图 5和表 1。表 1 计算分析特征点一览表发电厂房特征点泄洪闸特征点左、右槽河道特征点编号位置描述编号位置描述编号位置描述P11 号机组G11 号泄洪闸孔U1距坝址 43 mP22 号机组G22 号泄洪闸孔U2距坝址 43 mP33 号机组G33 号泄洪闸孔U3距坝址 400 mP44 号机组G44 号泄洪闸孔U4距坝址 400 mP55 号机组G55 号泄洪闸孔U5距坝址 794 mP66 号机组G66 号泄洪闸孔U6距坝址 794 mP77 号机组G77 号泄洪闸孔U7距坝址 1 590 mP88 号机组G88 号泄洪闸孔U8距坝
8、址 2 318 m(沅水大桥附近)P99 号机组G99 号泄洪闸孔L1距坝址 2 498 m/G1010 号泄洪闸孔L2距坝址 2 109 m/G1111 号泄洪闸孔L3距坝址 1 119 m/L4a近左槽泄洪闸/L4b近左槽泄洪闸图 4 数值计算特征点(左右槽部分)图 5 数值计算特征点和特征线(近坝址处)3.3 计算方案依据桃源水电站水库运行方式和发电调度规则4当入库流量3 699 m3/s(电站满发流量)时,在保持库水位维持正常蓄水位(39.50 m)的情况下,关闭枢纽闸门,出库流量全部从水轮机下泄。因此,计算主要针对入库流量等于 3 699 m3/s,机组达到满发流量,流量全部通过水轮
9、机下泄的发电调度方式16第 46 卷水 电 站 机 电 技 术进行。将 9 台机组按顺序每 3 台编为 1 组,共 3 组。甩负荷操作按分组停机,共计 7 种停机组合,本次主要研究最不利的工况,即甩 9 台工况。考虑甩负荷同时,信息指令传输和弧门液压系统加压的延迟,又或者是场内电源中断,弧门启动需要采用柴油发电机启动的延迟,弧门不能同步开启的实际情况,增加了弃水非同步工况(延迟1 min/延迟 7 min);又考虑到现有场内电源电力负荷的限制,每次只能同时启动 3 扇弧门的实际情况,又增加了弃水弧门非同时开启的工况。计算工况见表 2。表 2 甩机组计算工况汇总表计算工况机组状态弧门启动弧门状态
10、弧门开启次序开启弧门甩9台机组Case 9 A9 台全部停机不弃水不开启/Case 9 B9 台全部停机弧门同步开启按调度规程同时开启第 0 s,5 号,7 号,6号,8 号,4 号弧门开至 3.5 m;第 0 s,9 号,3号弧门各开至3.0 mCase 9 C9 台全部停机延迟1min开启按调度规程同时开启 60 s第 60 s,5 号,7 号,6号,8 号,4 号弧门开至3.5 m;第60 s,9号,3 号弧门开至 3.0 mCase 9 D9 台全部停机延迟7min开启按调度规程同时开启 420 s第 420 s,5 号,7 号,6号,8 号,4 号弧门各开至 3.5 m;第 420
11、s,9 号,3 号弧门各开至 3.0 mCase 9 D19 台全部停机延迟7min开启按调度规程非同时开启420 s+60 s+60 s第 420 s,5 号,7 号,6号开至3.5 m;第480 s,8 号,4 号弧门开至3.5 m;第 540 s,9 号,3 号弧门开至 3.0 mCase 9 E9 台全部停机延迟1min开启按调度规程非同时开启60 s+165 s+165 s第 60 s,5 号,7 号,6 号弧门开至 3.5 m;第 225 s,8 号,4 号弧门开至3.5 m;第390 s,9 号,3 号弧门开至3.0 mCase 9 F9 台全部停机延迟1 min开启调整调度规程
12、非同时开启60 s+60 s第 60 s,11 号,10 号,9 号弧门开至 3.5 m;第 120 s,3 号,2 号,1 号弧门开至 3.5 m3.4 初边值条件上游入流边界:上游入口边界(左、右槽分叉位置上游 650 m 河道断面)给定常值流量 3 699 m3/s5。下游出流边界:将下游 9 台发电机组作为泄流通道,在满发运行状态下,每台机组的常值下泄流量为 411 m3/s。当机组甩负荷运行需要关停时,机组导叶按比例分两段关闭:导叶从 100%关至 40%,时间为 4.7 s;从 40%关至 0%,时间为 3.3 s,共计8 s。下泄流量近似认为遵循线性非恒定变化过程,8 s 内从
13、411 m3/s 减小为 0 m3/s。初始条件:为了保证电站满发运行状态下坝前蓄水位达到 39.50 m,本文将模拟 3 h 电站满发正常运行情况作为初始方案,然后在此基础上依次模拟其他甩负荷停机方案。固壁边界:电站发电厂房、泄洪闸侧壁以及河道边坡岸线均定义为固壁边界条件,且固壁处的法向速度定义为 0。泄洪闸泄流边界:桃源电站液压式弧门启门速度为 0.70 m/min,在调度规程中要求弧门的开度范围内,根据弧门开度与上游水深的关系,判定泄洪闸泄流类型为宽顶堰闸孔出流,依据闸下共轭水深与下游水深的关系,判定闸孔为自由出流或淹没出流,最终单孔泄洪闸开启时的泄流过程由宽顶堰闸孔出流计算公式6,7得
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