燕軍樂，吳亞軍，萬繼偉

0 引言

我國西南地區(qū)的中小水電站多采用引水式電站，水電站的水力過渡問題不可避免，涉及水力學、水輪機和電氣系統(tǒng)的相互影響和相互制約，關乎引水系統(tǒng)的優(yōu)化設計和水電站的安全運行[1]，因此往往在水電站建設前期，需要對水電站的水力過渡過程進行論證。其目的主要是論證壓力管道系統(tǒng)的合理性，通過確定最危險工況下有壓引水系統(tǒng)最大、最小內力壓力等，尋求優(yōu)化的體型、合理的工程措施、最佳的調節(jié)規(guī)律，把過渡過程造成的危險減小到最低程度[2][3]。

對于引水式電站而言，目前采用較多的為單進水口、一管多機的模式。但對于單一進水口水電站，當引流量不能滿足設計發(fā)電要求，而要加大水電站發(fā)電量或者要求提高機組出力時，可采用多進口或增加水電站進水口的工程措施來實現[4]。在研究計算水電站水力過渡的過程時，將存在大量的非線性問題，較為復雜。對于單一進口電站的水力過渡已有大量研究，本文則主要以雙進口引水式電站為計算模型，對雙進口水電站水力過渡過程進行數值模擬研究。

1 電站引水系統(tǒng)形式和基本參數

本文以某雙進口引水電站為例進行研究，采用雙進口、一管兩機布置形式，為無調壓井沖擊式電站。引水管道概化為圓形管道，分上游支管、主壓力管道和下游岔管三部分，管道系統(tǒng)布置示意圖如圖1所示，管道系統(tǒng)特性參數見表1。

圖1 管道系統(tǒng)布置簡圖

表1 管道系統(tǒng)特性參數表

進水口為高程不同的兩個底格欄柵壩，其中水庫1設計水位為3388.03 m，水庫2設計水位為3389.1 m；機組安裝高程為3014.5 m；其對應的靜水頭分別為373.53 m和374.6 m，機組采用直線關閉。水電站設計總裝機容量為22MW，引用流量為7.6 m3/s，額定水頭為348 m。

2 數值計算

有壓引水系統(tǒng)水力過渡過程大波動的控制方程主要為有壓引水系統(tǒng)非恒定流的圣維南方程組。

2.1 管道瞬變流計算

管道瞬變流計算基本方程為運動方程和連續(xù)方程，即圣維南方程組，采用特征線法求解。

運動方程：

連續(xù)方程：

式中：H為測壓管水頭壓頭；V為斷面平均流速；x為沿管軸線的距離；D為管道斷面直徑；a為水擊波傳播速度；g為重力加速度；t為時間；α為管道傾斜角；f為摩阻系數。由于引水隧洞平均坡度為0.07，通過計算法分析，管道傾斜對計算影響很小，因此本次計算時均忽略此項。由方程（1）、（2）可得普遍應用的特征線方程。

式中：HA、QA分別為t-Δt時刻管段第i-1節(jié)點處的壓頭和流量；HB、QB分別為t-Δt時刻管段第i+1節(jié)點處的壓頭和流量；Δx為相鄰兩節(jié)點的距離；R為阻力系數；CP，CM分別與t-Δt時刻的壓頭和流量有關，對t時刻是已知量。

2.2 計算方法

雙進口引水式電站不同于單進口，在進行水力過渡過程計算時，需已知上游兩條支線管道的初始流量Q1與Q2。本次計算采用Fortran語言進行計算，先采用試算法，假設兩個支管內的流量Q1與Q2，然后沿上游支管1和上游支管2至上岔管分別列能量方程和整體連續(xù)性方程。在岔管的節(jié)點上，根據兩個分支的測壓管水頭相等，修正兩個支管的流量，進一步調整岔管節(jié)點上兩個分支的測壓管水頭，使其差值在一定誤差范圍內，從而確定兩個支管的流量和岔管節(jié)點處的測壓管水頭，計算框圖如圖2所示。

圖2 計算框圖

3 成果分析

3.1 低水位水庫進水口處逆流的有關問題

大波動兩臺機組同時甩額定負荷數值模擬時，發(fā)現約在關閉時間五分之三時，較低庫水位進口處開始出現了逆流現象。

3.1.1 逆流量與機組關閉時間的關系

為了驗證機組關閉時間與逆流量的關系，分別計算了原始條件下機組關閉時間為30 s、40 s和60 s時，兩支管進口處水流流量變化情況，變化曲線如圖3所示?？梢钥闯?，從機組完全關閉時起，受水擊波來回反射影響，進水口的逆流量圍繞某一值上下浮動振蕩。逆流量的變化周期與幅值受機組關閉時間影響明顯，當關閉時間越長，逆流量浮動周期變長，浮動值減小。

圖3 不同進水口水流流量隨機組關閉時間變化曲線

3.1.2 逆流量隨支管管道參數的敏感性分析

以機組關閉時間30 s為例，進行逆流量隨支管管道參數變化的敏感性分析。

以表1中管徑參數進行初始條件下計算的流量隨時間變化曲線如圖4所示。可知，在機組關閉后，兩個進水口通過叉管連通，由于夾雜著水擊波，進水口流量產生波動現象，且兩進水口流量變化曲線呈反對稱分布。表現為當進水口2流入水量最大時，進水口1出水量最??；當進水口2流入流量最小時，進水口1流出水量最大；此時其流量均在2.04 m3/s左右浮動。

為測試支管長度對流量變化影響的敏感性，改變支管1長度，使其分別為111.61 m、220 m和289.95 m，其他支管和總管的長度以及所有管的管徑均不變，支管1進口處逆流量隨時間變化曲線如圖5所示?？梢钥闯?，進口的逆流量與支管的管道長度無關，但逆流周期隨著管道長度的增加而略有增加。

圖4 初始條件下流量隨時間變化曲線

圖5 不同長度時支管1進口水流量變化曲線

當支管1采用同支管2相同管徑和長度，其他管徑和長度均不變時，兩進水口流量隨時間的變化曲線如圖6所示?？梢园l(fā)現，在機組關閉以后，兩進水口流量變化曲線也呈反對稱分布，此時其流量均在2.24 m3/s左右浮動，略大于初始條件狀態(tài)（圖4）。

對上支管1與上支管2的管道參數（管徑和管道長度）交換后，兩進水口流量隨時間變化曲線如圖7所示。通過該參數條件下的計算結果與初始條件下的結果（圖4）對比，可見，當高庫水位采用小管徑、低庫水位采用大管徑時（圖7），較高庫水位對應大管徑、低庫水位對應小管徑時，平衡時逆流量的值略小，前者約在1.68 m3/s左右浮動。

圖6 上支管1管道參數同上支管2時進口流量隨時間變化曲線

圖7 上支管1與支管2參數交換后進口流量隨時間變化曲線

3.2 上游岔管瞬間壓降

當進行大波動1臺→2臺或1臺→2臺→0臺此類增負荷工況模擬時，在水擊波第一次傳到上游岔管處時（約第5秒），產生壓力瞬間下降的情況，其中上游岔管壓力隨時間變化曲線如圖8所示。可以看出，機組開啟時間在30 s、40 s和60 s時，岔管處壓力隨時間變化趨勢基本一樣，隨著時間的推移，壓力降的波動幅值減小，在足夠時間后（約80s）壓力逐漸趨于穩(wěn)定。第一次水擊波傳到上游岔管處時的壓降值大小與機組開啟時間無關，而其后的壓力值與機組開啟時間有關，且開啟時間越短，其后的壓力值相對較小。

對上游支管管徑進行改變后進行計算，可得上游支管參數對岔管處壓力變化的影響，壓力變化曲線如圖9所示?？梢钥闯?，隨著支管管徑的增大，上游岔管處的第一次水擊波來臨時的瞬時壓降值減小，且這種現象在各體型各水位下均出現，與管徑和水位無關。這種壓降值雖然有時不是很大，但是為瞬時壓降，易引起管道的振動等不良情況的發(fā)生。

圖8 不同機組開啟時間時上游岔管壓力隨時間變化曲線

圖9 不同管徑時上游岔管壓力隨時間變化曲線

不同上游水位時岔管處壓力變化如圖10所示，水位對岔管處壓力大小的影響，僅體現在上游水位間的差值上，而隨時間的壓力降幅度與上游水位無關。

圖10 不同水位時上游岔管壓力隨時間變化曲線

4 結論

本文對雙進口引水式電站的水力過渡進行了計算分析，主要成果有：

1）在機組關閉時間五分之三時，進口處開始出現逆流現象，逆流量隨水擊波的來回反射上下浮動，浮動值周期和幅值受機組關閉時間影響明顯，關閉時間越長，浮動周期變長，浮動值減小。

2）通過計算可知，進口逆流量大小與支管的管道長度無關，但逆流周期隨管道長度的增加而略有增加；增大管徑和管道長度時逆流量會略有增大；高庫水位采用小管徑、低水位采用大管徑時，要較低庫水位對應小管徑、高庫水位對應大管徑時，平衡時逆流量的值略小。

3）進行增負荷計算時，當機組關閉時，上游分岔處因水擊波的到達發(fā)生瞬時壓降，且壓力降的大小與開啟時間無關。

[1]張鵬.水電站水力過渡過程的數值仿真及參數優(yōu)化[J].武漢：武漢大學水利水電學院，2007.

[2]林勁松，巨江，諸亮，呂宏興.水電站水力過渡過程仿真計算的工程應用.水力發(fā)電學報[J].2010，2.29(1):31-37.

[3]巨江.工程水力學數值仿真與可視化[M].北京：中國水利水電出版社.2010.10.

[4]王魁元.淺談雙洞引水式水電站[J].東北水利水電.1992.（04）：8-10.