劉鋒，董延超，張子奇，周榮磊

（中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，吉林長春130021）

豐滿重建工程分層取水水溫數(shù)值模擬研究

劉鋒，董延超，張子奇，周榮磊

（中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，吉林長春130021）

統(tǒng)計資料表明，通過設(shè)置分層取水設(shè)施，控制取水區(qū)域，能夠有效提高下泄水溫。文中通過建立三維水溫數(shù)學(xué)模型，分別針對豐水年、平水年及枯水年典型月份水溫垂向分布，進一步研究疊梁門分層取水進水口的取水水溫與取水高程之間的關(guān)系，論證分層取水的效果。

分層取水；水溫；數(shù)值模擬；豐滿水電

1 概述

豐滿水電站位于吉林省吉林市的第二松花江干流上。電站樞紐建筑物主要由碾壓混凝土重力壩、壩身泄洪系統(tǒng)、壩后式引水發(fā)電系統(tǒng)及利用的原三期電站組成。

豐滿水電站進水口擬采用疊梁門分層取水，每個進水口布置3孔疊梁門，孔口寬度7.00 m，底板高程220.00 m，孔口頂高程269.50 m；疊梁門型式為平面滑動疊梁鋼閘門，單節(jié)高度3.00 m；疊梁門頂以上最小水深取15.00 m，最大水深取18.00 m，故疊梁門設(shè)置高程為220.00 m至247.00 m；運行期間，根據(jù)庫水位高程增減疊梁數(shù)量，控制門頂水深范圍為15.00 m至18.00 m。該工程老壩未完全拆除，僅部分壩段擬拆除至237.50 m高程。

2 三維水溫數(shù)學(xué)模型

分層取水效果數(shù)值計算研究采用Fluent 6.3進行。

2.1 邊界條件

1）表面綜合散熱系數(shù)。水面熱交換包括凈太陽短波輻射、凈長波輻射、蒸發(fā)和傳導(dǎo)四個方面。本項研究采用水面蒸發(fā)系數(shù)和水面綜合散熱系數(shù)表示。

2）進出口邊界。上游進口給定流速邊界，y方向和z方向無速度分量，壓力假設(shè)為靜水壓，根據(jù)實際運行調(diào)度編輯流量-時間關(guān)系；進口邊界的水溫分布采用庫區(qū)實測水溫分布。

假定下游出口斷面為充分發(fā)展的紊流，出口邊界上各變量均取零梯度條件，從而消除下游對上游水流的影響。

初始條件庫區(qū)給定零流速，水溫分布根據(jù)不同工況采用不同月份實測水溫分布，壓力為靜水壓，水面采用“剛蓋假定”，庫底和壩體采用無滑移邊界條件，且為絕熱邊界。

2.2 計算區(qū)域和網(wǎng)格

1）計算區(qū)域。數(shù)值計算范圍包括上游庫區(qū)、老壩、新壩以及疊梁門進水口段。庫區(qū)上游至壩前1.5 km處，庫區(qū)寬1.8 km左右，深80 m左右；老壩缺口高程為237.5 m，長594 m；計算范圍下游至取水管末端水平段。

2）計算網(wǎng)格。計算網(wǎng)格的尺度首先應(yīng)能反映出水工建筑物構(gòu)造及地形等對模擬水域細(xì)部流場和溫度場的影響，同時適當(dāng)考慮計算工作量的經(jīng)濟合理性。上游庫區(qū)，計算網(wǎng)格單元在主流方向上尺寸為5～30 m，在水深方向上為0.25 m；在取水口附近，計算網(wǎng)格最小尺寸為0.25 m×0.5 m×0.5 m，最大尺寸為1 m×1 m×1 m。計算區(qū)域內(nèi)，計算網(wǎng)格為50多萬個。

3）計算工況。豐滿水庫在4月下旬開江，5—8月水庫處于明顯的分層狀態(tài)，垂向溫差主要集中在表層一定深度內(nèi)，9月以后進入降溫期?；谪S滿庫區(qū)溫度分層特性，研究取5月至8月為典型月份開展數(shù)值計算。根據(jù)豐滿水庫豐、平、枯典型年份運行水位變化情況及下泄流量調(diào)度情況，結(jié)合疊梁門方案運行原則，建立計算工況如表1所示。

表1 數(shù)值計算工況表

3 取水效果分析

3.1 豐水年取水效果分析

5月份有、無疊梁門方案取水水溫基本一致，均為8.1～8.2℃，最大溫差為0.24℃。通過沿水深積分計算熱通量發(fā)現(xiàn)，豐水年5月份兩種方案下由豐滿庫區(qū)進入取水口區(qū)域的熱通量基本相等，因此電站取水水溫基本相同。

6月至8月份，隨著老壩上游庫區(qū)內(nèi)水溫垂向分布梯度逐漸增大，有、無疊梁門情況下取水水溫逐漸出現(xiàn)差異。6月、7月和8月份，與其它傳統(tǒng)疊梁門方案工程不同，部分時段豐滿電站無疊梁門取水水溫反而略高于有疊梁門方案下取水水溫，疊梁門方案提取高溫水的作用不能體現(xiàn)。6月至8月，有、無疊梁門方案最大溫差僅為0.6℃。

通過對老壩缺口全斷面高度、流速、水溫等積分計算可知，老壩缺口處的熱通量值無疊梁門相比較大，即無疊梁門方案下取水口從上游庫區(qū)取得的熱量多，取水水溫值更高。由此可見，與傳統(tǒng)水工建筑物不同，豐滿水電站由于存在老壩及新、老壩之間庫區(qū)等特殊結(jié)構(gòu)，從而改變了近壩區(qū)的流速和水溫分布，出現(xiàn)了無疊梁門方案熱通量值更高的現(xiàn)象，疊梁門提取表層高溫水的效果已不再明顯，也就是說前置老壩已基本起到提取表層高溫水的作用。

3.2 平水年取水效果分析

平水年為間歇性發(fā)電，受開機-停機-開機作用影響，典型月份絕對取水水溫與豐水年有所不同，絕對水溫相差1～2℃。這是由于豐水年為連續(xù)發(fā)電，水體的紊動主要受主流影響，垂向速度梯度較小，易形成穩(wěn)定的水溫分層；而對于平水年而言，發(fā)電過程中近壩區(qū)水溫分布基本穩(wěn)定，但由于停止發(fā)電后，庫區(qū)內(nèi)水體垂向紊動擴散起主導(dǎo)作用，于是水溫垂向分布被重新調(diào)整，當(dāng)再次發(fā)電時，取水水溫發(fā)生改變；平水年發(fā)電站運行過程中，水溫分布重新調(diào)整過程24 h內(nèi)有6次，且每次發(fā)電持續(xù)運行時間過短，因此24 h內(nèi)取水水溫發(fā)生了變化。

雖然取水水溫受開機-停機作用影響明顯，但計算結(jié)果表明，有、無疊梁門方案取水溫度差異不大，5月份取水水溫基本一致，6月、7月和8月份最大溫差也僅為0.5℃，個別時間段取水水溫相等。

3.3 枯水年取水效果分析

由于枯水年電站運行方式和平水年類似，因此受開機-停機-開機作用影響，24 h內(nèi)取水水溫發(fā)生了變化，但同樣有、無疊梁門方案取水水溫差異不大。與豐水年及平水年水溫變化規(guī)律不同，枯水年部分時段疊梁門取水水溫高于無疊梁門取水水溫。這是由于枯水年運行水位較低，老壩缺口水深僅10 m左右，有、無疊梁門方案對近壩區(qū)流速及水溫分布影響較小，和無疊梁門相比，疊梁門在一定程度上發(fā)揮了提取表層高溫水的作用。但受小庫水溫分布不穩(wěn)定的影響，不同時段，疊梁門取水效果不同，如7月份，t=2 h時，有疊梁門取水水溫高于無疊梁門取水水溫，溫升0.16℃，而在t=5 h時，無疊梁門取水水溫則高于有疊梁門取水水溫，溫差為0.15℃，當(dāng)再一次停機運行后，有疊梁門方案下取水溫度則再一次較高，溫差為0.35℃。

綜上所述，在枯水年典型月份下，部分時間段內(nèi)疊梁門方案提取高溫水取得了一定效果，但最大溫升也僅為0.35℃。

4 結(jié)語

1）豐水年和平水年工況下，有、無疊梁門方案對新老壩之間庫區(qū)及取水口附近流速影響顯著?？菟晁惠^低，疊梁門對新老壩之間庫區(qū)流速影響減小，庫底流速增大。

2）計算結(jié)果分析顯示，老壩缺口位置主流區(qū)內(nèi)斷面流速受疊梁門影響較大，但缺口處溫度分布受疊梁門影響較小。

3）分析表明，新老壩之間區(qū)域水溫分布與壩前庫區(qū)溫度分布有明顯不同。隨著發(fā)電機組的持續(xù)運行，該區(qū)域水溫垂向分層減弱，庫表與庫底溫差逐步變小。該水體的存在，對疊梁門進水口的取水效果有直接影響。

4）計算表明，該工程疊梁門進水口提取表層高溫水的作用不甚明顯。豐水年、平水年及枯水年在5至8月份，有、無疊梁門取水水溫基本相同，取水溫差絕對值均不高于0.3℃。

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2017-05-04