CN103821115A - 一种解决水电站无压引水隧洞出现明满流的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种解决水电站无压引水隧洞出现明满流的方法，充分利用水电站无压引水隧洞的进水闸进行调度，当机组甩负荷时，机组所需流量减少，进水闸同时关闭到相应开度，以减少进入隧洞中的流量，避免了隧洞中出现明满流。当机组增负荷时，机组所需流量增加，进水闸提前开启到相应开度，以增加进入隧洞中的流量，从而避免前池出现漏空现象，本发明还在常规隧洞末端采用逐渐扩大断面连接压力前池，可避免机组甩负荷时长隧洞末端出现水流封顶的情况。

Description

一种解决水电站无压引水隧洞出现明满流的方法
技术领域
本发明涉及一种解决水电站无压引水隧洞出现明满流的方法，属于水利水电工程领域。
背景技术
在水电站的引水隧洞中, 经常会在明流与满流之间出现过渡流态-明满流，是一种复杂且不稳定的水流，在明满流过程中出现的过大压力会对无压隧洞造成较大危害，常规方法是在压力前池处增设溢流堰，并且须在相应位置额外修建溢水渠道。当机组甩负荷时，机组所需流量快速减少，而隧洞中的流量变化较缓慢，因而隧洞中水流会慢慢雍高，当水位超过溢流堰堰顶高程，水流从溢流堰上流出，从而避免了隧洞中出现明满流现象，保护了隧洞。然而，设置溢流堰必须在相应位置额外修建溢水渠道，另外，由于溢流堰靠近电站厂房，如果地质条件不好，溢出的水流会对厂房造成巨大威胁。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中设置溢流堰所存在的不足，本发明提供一种解决水电站无压引水隧洞出现明满流的方法。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的一种解决水电站无压引水隧洞出现明满流的方法，所述引水隧洞的进口处设有进水闸，所述引水隧洞的出口处连接压力前池，当机组甩负荷时，进水闸同时关闭到相应开度，以减少进入隧洞中的流量；当机组增负荷时，进水闸提前开启到相应开度，以增加进入隧洞中的流量。
作为优选，为了避免机组甩负荷时长隧洞末端出现水流封顶的情况，在所述引水隧洞的出口处与压力前池之间设有引水隧洞扩散段，即常规隧洞末端与压力前池之间的断面是逐渐扩大的，经过这样的处理，可避免机组甩负荷时长隧洞末端出现水流封顶的情况。
由于不同类型闸门的过流特性均不同，闸门的过流量对应的水位及闸门开度可由闸门厂家提供。具体实施时，可建立机组不同引用流量与闸门开度的对应关系，输入控制系统，当机组引用流量变化时，闸门自动调节到对应的开度。
对于机组开启工况，上游闸门提前开启到对应的开度。由于不同水电站引水隧洞长度不同，水流到达前池的时间也不相同，因此上游闸门提前开启的时间也不同，一般可以利用前池设置的水位监测装置，当前池水位开始持续上升时，则可以开启机组。
使用时，充分利用水电站无压引水隧洞进口处的进水闸进行调度，当机组甩负荷时，机组所需流量减少，进水闸接收调度信号后自动关闭到相应开度，以减少进入隧洞中的流量，避免了隧洞中出现明满流。当机组增负荷时，机组所需流量增加，进水闸接收调度信号后提前开启到相应开度，以增加进入隧洞中的流量，从而避免前池出现漏空现象。
有益效果：本发明成功地解决了水电站无压引水隧洞中出现的明满流现象，避免了明满流对引水隧洞的破坏。本发明在实际工程中完全可以替代压力前池处增设溢流堰以及在相应位置额外修建溢水渠道的传统方案，避免了溢流堰溢出的水流会对厂房造成的巨大威胁。避免了修建溢流堰以及溢水渠道所造成的工期长、投资大的缺点，降低了建造费用，而且可以缩短工期，节省工程投资，操作简单，安全可靠，具有非常大的应用前景。
附图说明
图1为传统水电站解决无压引水隧洞中出现明满流的方法结构示意图；
图2为本发明的一种解决水电站无压引水隧洞中出现明满流的方法结构示意图；
图3为进水闸不参与调度时机组全甩负荷后不同时刻隧洞中的水面线；
图4为进水闸参与调度时机组全甩负荷后不同时刻隧洞中的水面线；
图5为进水闸提前开启时间对应的前池水深变化；
图中标记为：进水闸1，引水隧洞2，引水隧洞扩散段3，压力前池4，溢流堰5。
具体实施方式
如图1所示的传统水电站解决无压引水隧洞中出现明满流的方法与结构，是在引水隧洞2的输入端也设有进水闸1，但是该进水闸1仅在检修和事故紧急关闭时发挥常规功能。避免明满流通过设与引水隧洞2的输出端与压力前池4之间的溢流堰5，还需要在相应位置额外修建溢水渠道，溢流堰5溢出的水流会对厂房造成的巨大威胁。
如图2所示，在引水隧洞2进水口处的进水闸1，其作用除了常规功能如作为检修、事故闸门外，在本发明中充分利用其可以调节进入引水隧洞2的流量的功能，引水隧洞2尾部连接引水隧洞扩散段3，引水隧洞扩散段3的具体位置需要在实际工程中经过调保计算得到，引水隧洞扩散段3初步可以根据前池内设计最高水位来确定，以前池内设计最高水位为基准，加上一定的安全超高，引水平线与原隧洞顶部的交点即可作为扩散段的起点。有条件的情况下可利用明渠非恒定流数学模型及狭缝法模拟机组在危险工况下甩负荷时的水面过程线进行复核优化在引水隧洞扩散段3末端连接压力前池4，其作用是作为引水隧洞和压力管道之间的缓冲，消除一部分因为机组出力变化产生的水锤压力。
使用时，在某一径流式引水小型电站布置如图1的结构，电站总装机容量为24MW，厂房内安装3台冲击式水轮机机组，单机容量8MW。最大水头705.7m。引水系统包括进水闸1、引水隧洞2、压力前池4和压力管道。进水闸1的闸室段长3.2m，断面尺寸2.4m×2.13m（宽×高），闸门为平板闸门。引水隧洞2设计引用流量4.26m3/s，正常水深1.3m，0+000（隧洞进口）～4+299.015（隧洞出口）段隧洞纵坡取1/1000。桩号0+000至3+026.582段，隧洞洞宽3.1m，高度为2.68m。3+026.582至隧洞出口4+299.015段隧洞洞宽3.1m，隧洞断面高度从2.68逐渐增加到出口处的4.35m。压力前池4布置于隧洞出口。
开度大小的计算方法
进水闸的过流方程为：
Figure 2014100759892100002DEST_PATH_IMAGE002
式中：
Figure 2014100759892100002DEST_PATH_IMAGE004
为通过进水闸的流量；
Figure 2014100759892100002DEST_PATH_IMAGE006
为流量系数（由闸门厂家提供）；
Figure 2014100759892100002DEST_PATH_IMAGE008
为进水闸开启面积；
Figure 2014100759892100002DEST_PATH_IMAGE010
为进水闸的压力水头。
当机组甩负荷时，剩余机组所需流量已知，进水闸进口的压力水头即为上库水位与进水闸后水头差，由此，可以求得进水闸开启面积
Figure DEST_PATH_IMAGE008A
，即可以求得进水闸的开度。对于开启工况也是相同。
提前开机时间的判断方法：可以利用前池设置的水位监测装置，当前池水位持续上升时，即可开启机组，有条件的情况下，可利用数值模拟及现场调试进一步优化开机时间。
如图3所示，当上库为正常运行水位，三台机组同时发生甩负荷时隧洞内的水位快速上升，进水闸不动作的情况下，50分钟左右隧洞中开始出现明满流现象，最终大部分隧洞都为满流，水位与上游水库水位相同。
如图4所示，当上库为正常运行水位，三台机组同时发生甩负荷时，上游进水闸接收调度信号后自动关闭到相应开度，隧洞内流量降低，水位也随之降低，整个过程隧洞中未产生明满流现象。
如图5所示，当上库为正常运行水位，两台机组额定出力运行，一台机组增负荷。为保证压力管道内为有压流，防止产生漏斗漩涡，根据《水利水电工程进水口设计规范》第B.2.1条规定，水电站有压进水口上缘淹没深度一般不小于2m，前池最低水位出现在机组增负荷工况。对于机组增负荷工况，进水闸必须开启到对应开度，以保证机组有足够的引用流量，否则会造成前池漏空。另外，由于该水电站的无压引水隧洞约4.3公里，隧洞内的水体迟滞性较明显，进水闸开启后，水流需经过一段时间后才能到达前池，如果开机过早，前池流量得不到补给，也会造成前池水位过低。因此本电站对于机组增负荷工况，进水闸须提前开启到相应的开度，当前池水位开始持续上升时，机组开启。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (2)

1.一种解决水电站无压引水隧洞出现明满流的方法，所述引水隧洞的进口处设有进水闸，所述引水隧洞的出口处连接压力前池，其特征在于：当机组甩负荷时，进水闸同时关闭到相应开度，以减少进入隧洞中的流量；当机组增负荷时，进水闸提前开启到相应开度，以增加进入隧洞中的流量。
2.根据权利要求1所述的一种解决水电站无压引水隧洞出现明满流的方法，其特征在于：在所述引水隧洞的出口处与压力前池之间设有引水隧洞扩散段。
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Denomination of invention: A method to solve the problem of open full flow in non pressure diversion tunnel of hydropower station

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