CN108547250A - 模拟水电站叠梁门分层取水甩增负荷实验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种模拟水电站叠梁门分层取水甩增负荷实验系统，包括：供水装置，包括蓄水池及具有供水泵的供水管，所述供水管上具有控制所述供水管开关的第一开关阀；实验水箱；实验模拟装置，包括分层取水结构、引水管、第二开关阀及第一控制柜，所述第二开关阀用于控制所述引水管的开关；回水装置，包括回水槽、回水池及量水堰。第一开关阀与第二开关阀的同步通断实现机组甩增负荷非恒定流过程的模拟，实现模拟水电站发电机组甩增负荷过程时间的精准控制，保证实验过程水位的持续稳定，为电站进水口和叠梁门结构的设计、运行提供可靠的实验数据，确保工程运行安全。本发明还提供一种模拟水电站叠梁门分层取水甩增负荷实验系统的实验方法。

Description

模拟水电站叠梁门分层取水甩增负荷实验系统及方法

技术领域

本发明涉及水利水电工程技术领域，特别是涉及一种模拟水电站叠梁门分层取水甩增负荷实验系统及方法。

背景技术

目前，国内已建成许多大型水电站，创造了巨大的经济和社会效益，但与此同时，大量水利工程的建设也改变了工程所在地河道的自然环境，产生一定的生态和环境问题，如水库蓄水后，下泄低温水可能影响水生生物如鱼类、爬行类、两栖类动物的产卵与生长，甚至导致物种的消失。分层取水是减缓上述不利影响的主要手段，尤其叠梁门分层取水技术在水电站建设中广泛被采用。因此，通过原型观测、数值模拟、模型试验等手段研究水库水温分层变化以及各类分层取水设施的运用效果和运行安全已成为工程设计、建设和运行中的重要研究手段。

针对电站进水口叠梁门分层取水设施在机组甩荷增荷过程中所受水力荷载问题，采用模型实验则是其中一种最为可靠的研究手段。但在有关电站进水口分层取水模型实验研究中，大多以研究机组正常发电运行恒定流条件的相关水力学问题为主，水流控制条件相对简单。对于机组增荷和甩荷过程快速变化的非恒定流问题，对增甩负荷进行精确控制是试验成功的关键，目前还缺少相关的模拟系统和方法来实现非恒定流过程时间和水位的精确控制和模拟。

另外，在电站进水口分层取水叠梁门增甩负荷的快速非恒定流变化过程中，部分采用启闭机或调频电机带动百叶阀模拟机组增甩负荷的试验中，经常由于模型进水口实验水箱的来流量和出流量在短时间内的不匹配，导致实验过程中水箱内的水位快速上涨和下降的幅度超过10mm，时间误差超过0.5s，水流条件与原型电站存在不相似问题，对实验结果的精度和准确性造成较大影响，难于合理评估对电站进水口结构及叠梁门安全运行的影响。

发明内容

基于此，有必要针对目前模拟机组甩增负荷时间与水位误差较大导致实验数据准确性低的问题，提供一种能够减少甩增负荷时间和水位误差，提高实验数据准确性的模拟水电站叠梁门分层取水甩增负荷实验系统，同时还提供一种应用于上述模拟水电站叠梁门分层取水甩增负荷实验系统的实验方法。

上述目的通过下述技术方案实现：

一种模拟水电站叠梁门分层取水甩增负荷实验系统，包括：

供水装置，包括蓄水池及具有供水泵的供水管，所述供水管的一端伸入所述蓄水池中，所述供水管上具有控制所述供水管开关的第一开关阀；

实验水箱，所述供水管的另一端伸入所述实验水箱的进水口；

实验模拟装置，包括分层取水结构、引水管、第二开关阀及第一控制柜，所述分层取水结构设置于所述实验水箱的出水口，所述引水管的一端与所述分层取水结构的出水口连接，所述第二开关阀设置于所述引水管上，用于控制所述引水管的开关，所述第一开关阀及所述第二开关阀分别与所述第一控制柜连接，所述控制柜用于控制所述第一开关阀与所述第二开关阀的同步动作；

回水装置，包括回水槽、回水池及量水堰，所述引水管的另一端与所述回水槽的进水口连接，所述量水堰设置于所述回水槽中，所述回水槽的出水口与所述回水池连通。

在其中一个实施例中，所述实验模拟装置还包括传感器及第二控制柜，所述第二控制柜中集成数据采集分析系统，所述传感器与所述第二控制柜传输连接，所述传感器用于测量所述实验模拟装置的进水口分层取水结构关键部位的动水压力与水位波动数据，所述数据采集分析系统自动采集与存储所述动水压力和水位波动数据。

在其中一个实施例中，所述供水管上还设置第一调节阀，所述第一调节阀用于调节所述供水管的流量；所述引水管上还设置第二调节阀，所述第二调节阀用于调节所述引水管的流量。

在其中一个实施例中，所述模拟水电站叠梁门分层取水甩增负荷实验系统还包括稳水装置，所述稳水装置设置于所述实验水箱中；

所述稳水装置包括至少一个消能孔板，至少一个所述消能孔板设置于所述实验水箱中，所述消能孔板用于稳定所述实验水箱进水口处的水流。

在其中一个实施例中，所述稳水装置还包括可升降的稳水栅，所述稳水栅用于调节所述实验水箱中的水位高度，所述稳水栅上具有溢流口，所述实验水箱中超出所述稳水栅溢流面的水通过所述溢流口流出。

在其中一个实施例中，所述回水装置还包括回水沟，所述回水沟连通所述回水池与所述蓄水池。

在其中一个实施例中，所述供水装置还包括分水管及设置于所述分水管上的第三开关阀，所述分水管的一端与所述供水管连接，所述分水管的另一端与所述蓄水池连通，所述第三开关阀用于控制所述分水管的开关；

所述第一开关阀关闭所述供水管时，所述第三开关阀打开，所述供水管中的水通过所述分水管回流至所述蓄水池。

在其中一个实施例中，所述第一开关阀、所述第二开关阀及所述第三开关阀为可调控开关时间的气动球阀；

所述第一调节阀与所述第二调节阀为蝶阀或球阀；

所述传感器包括水位波动传感器和动水压力传感器。

一种模拟水电站叠梁门分层取水甩增负荷实验方法，应用于如上述任一技术特征所述的模拟水电站叠梁门分层取水甩增负荷实验系统，所述方法包括如下步骤：

形成初始稳定水流：调节实验水箱中的进水量和稳水栅的高度，并使所述实验水箱中的水流平稳均匀，达到实验需要的水位；调节所述实验水箱的出水量，并根据量水堰计算过流流量，以达到实验要求过流量；

形成甩荷水流：调节第一开关阀、第二开关阀和第三开关阀的开启和关闭时间，达到实验需要的值，操作所述第一开关阀与所述第二开关阀同时关闭，并开启所述第三开关阀；

形成增荷水流：机组甩荷实验完成水流完全平稳后，操作所述第一开关阀与所述第二开关阀同时开启，并关闭所述第三开关阀；

采集数据：采集实验模拟装置进水口分层取水结构关键部位的动水压力和水位波动数据。

所述方法还包括实验测试步骤；所述实验测试步骤至少包括如下步骤：

调节所述实验水箱的进流量与出流量；

调节所述实验水箱中的水位高度；

调节所述分层取水结构的高度；

调节所述第一开关阀、所述第二开关阀及所述第三开关阀的开启和关闭时间。

采用上述技术方案后，本发明的有益效果为：

本发明的模拟水电站叠梁门分层取水甩增负荷实验系统及方法，通过第一开关阀与第二开关阀分别实现实验水箱的供水管与引水管的同步通断，实现模拟水电站发电机组甩增负荷非恒定流过程的模拟，第一开关阀与第二开关阀可以实现模拟水电站发电机组甩增负荷过程时间的精准控制，以及保证在该非恒定流过程中实验水箱水位的持续稳定，有效的解决目前模拟机组甩增负荷时间与水位误差较大导致实验数据准确性低的问题，为电站进水口处叠梁门的结构设计以及运行提供可靠的实验数据，确保工程运行安全。

附图说明

图1为本发明一实施例的模拟水电站叠梁门分层取水甩增负荷实验系统的俯视示意图；

图2为图1所示的模拟水电站叠梁门分层取水甩增负荷实验系统的剖视示意图；

图3为图2所示的模拟水电站叠梁门分层取水甩增负荷实验系统中消能孔板的结构示意图；

图4为模拟水电站发电机组在甩荷过程中快速事故闸门门井水位波动过程曲线图；

图5为模拟水电站发电机组在甩荷过程中分层取水结构的叠梁门门体压力变化曲线图；

图6为模拟水电站发电机组在增荷过程中快速事故闸门门井水位波动过程曲线图；

图7为模拟水电站发电机组在增荷过程中分层取水结构的叠梁门门体压力变化曲线图；

其中：

100-模拟水电站叠梁门分层取水甩增负荷实验系统；

110-供水装置；

111-蓄水池；

112-供水管；

113-供水泵；

114-第一开关阀；

115-第一调节阀；

116-分水管；

117-第三开关阀；

120-实验水箱；

130-实验模拟装置；

131-分层取水结构；

132-引水管；

133-第二开关阀；

134-传感器；1341-动水压力传感器；1342-水位波动传感器；

135-第二调节阀；

140-回水装置；

141-回水槽；

142-量水堰；

143-回水池；

144-回水沟；

150-稳水装置；

151-消能孔板；

152-稳水栅；

160-控制台。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本发明的模拟水电站叠梁门分层取水甩增负荷实验系统及方法进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

参见图1和图2，本发明提供一种模拟水电站叠梁门分层取水甩增负荷实验系统100，具体的，模拟水电站进水口叠梁门分层取水甩增负荷实验。水电站进水口处设置叠梁门分层取水结构后，发电机组在甩荷(水轮机导叶突然关闭)和增荷(水轮机导叶突然开启)过程中产生的高频冲击载荷大小直接关系叠梁门分层取水结构的设计及运行安全。采用本发明的模拟水电站叠梁门分层取水甩增负荷实验系统100能够模拟水电站进水口处叠梁门分层取水结构的甩增负荷实验，通过模型试验进行分析测量，以获取甩增负荷实验过程中的水位波动与动水压力变化情况，为叠梁门分层取水结构的设计及运行提供可靠的实验数据，确保实际电站工程运行安全。

在本发明中，模拟水电站叠梁门分层取水甩增负荷实验系统100包括供水装置110、实验水箱120、实验模拟装置130及回水装置140。实验水箱120具有进水口及出水口，供水装置110与实验水箱120的进水口连通，实验模拟装置130设置于实验水箱120的出水口，实验模拟装置130与回水装置140连通。供水装置110为模拟水电站叠梁门分层取水甩增负荷实验系统100的水源，为水箱供水，以保证甩增负荷实验顺利进行。实验水箱120模拟水电站的水库，并实现水位调节。回水装置140用于回收从实验水箱120流出的水，测量实验模拟装置130的过流量。供水装置110向实验水箱120提供水，实验水箱120中的水通过实验模拟装置130流出，并进入到回水装置140中。对应实际水电站结构，实验水箱120为水库，供水装置110为水库上游部分，回水装置140为水库下游部分。

具体的，供水装置110包括蓄水池111及具有供水泵113的供水管112，供水管112的一端伸入蓄水池111中，供水管112上具有控制供水管112开关的第一开关阀114。供水管112的另一端伸入实验水箱120的进水口。实验模拟装置130包括分层取水结构131、引水管132、第二开关阀133及第一控制柜，分层取水结构131设置于实验水箱120的出水口，引水管132的一端与分层取水结构131的出水口连接，第二开关阀133设置于引水管132上，用于控制引水管132的开关，第一开关阀114及第二开关阀133分别与第一控制柜连接，第一控制柜用于控制第一开关阀114与第二开关阀133的同步动作(开启或关闭)。回水装置140包括回水槽141、回水池143及量水堰142，引水管132的另一端与回水槽141的进水口连接，量水堰142设置于回水槽141中，回水槽141的出水口与回水池143连通。量水堰142用于实现堰顶水头的测量，以计算实验过流量。

蓄水池111为本发明的模拟水电站叠梁门分层取水甩增负荷实验系统100的水源，通过供水泵113将蓄水池111中的水抽出，并经供水管112输送到实验水箱120中。可选地，供水泵113为变频水泵。分层取水结构131为按照一定比例缩小电站进水口叠梁门分层取水结构的模型。实验水箱120中的水从出水口的分层取水结构131处流出，并通过引水管132进入回水槽141中。回水槽141中的水会通过量水堰142的堰顶溢出进入回水池143，此时可以通过量水堰142堰顶水头的测量，计算实验过流量。可选地，回水装置140还包括回水沟144，回水沟144连通回水池143与蓄水池111。这样回水池143中的水可以通过回水沟144回到蓄水池111中，使得水被循环重复利用。

第一开关阀114打开时，蓄水池111中的水能够通过供水管112进入实验水箱120，第一开关阀114关闭后，蓄水池111中的水无法通过供水管112进入实验水箱120。第二开关阀133打开时，实验水箱120中的水能够通过引水管132流出，第二开关阀133关闭后，实验水箱120中的水无法通过引水管132流出。本发明的模拟水电站叠梁门分层取水甩增负荷实验系统100模拟发电机组甩增负荷实验通过第一开关阀114与第二开关阀133的开关实现。具体的，第一开关阀114与第二开关阀133同时关闭，模拟发电机组甩荷实验；第一开关阀114与第二开关阀133同时开启，模拟发电机组增荷实验。而且，由于发电机组甩增负荷的时间过程较短，为了保证实验精度，需要控制实验水箱120在短时间内的流入量与流出量相匹配，以使得实验水箱120的水位稳定。此时，通过第一开关阀114与第二开关阀133的同时快速开启与快速关闭保证实验水箱120在短时间内的流入量与流出量相匹配。

可以理解的是，第一开关阀114原则上不受限制，只要能够保证供水管112快速打开与快速关闭即可；第二开关阀133原则上不受限制，只要能够保证引水管132快速打开与快速关闭即可。示例的，第一开关阀114与第二开关阀133均为可调控开关时间的气动球阀，以提供快速瞬变水流条件。通过调节气动球阀气压大小可调节第一开关阀114与第二开关阀133的开启与关闭时间，以达到精确模拟发电机组甩增负荷的时间。第一控制柜能够同时控制第一开关阀114与第二开关阀133的开启和关闭，而且，第一控制柜可显示和数据输出第一开关阀114与第二开关阀133开启和关闭过程的时间，方便后期数据计算。通过第一控制柜同时实现实验水箱120的进水口处的第一开关阀114和出水口的分层取水结构131处的第二开关阀133的同步开启和关闭，实现模拟发电机组增甩负荷非恒定流水流过程的精确模拟和实验水箱120水位的持续稳定，避免实验水箱120中水位波动幅度大，确保实验数据的准确可靠。当然，在本发明的其他实施方式中，第一开关阀114与第二开关阀133也可为其他能够实现快速开启与快速关闭的结构。

可选地，供水装置110还包括分水管116及设置于分水管116上的第三开关阀117，分水管116的一端与供水管112连接，分水管116的另一端与蓄水池111连通，第三开关阀117用于控制分水管116的开关。第一开关阀114关闭供水管112时，通过第一控制柜同时打开第三开关阀117，供水管112中的水通过分水管116回流至蓄水池111。为保证甩增负荷实验过程流量的稳定性，供水泵113需要一直处于工作状态。但是，当第一开关阀114关闭进行甩荷实验时，若供水泵113一直运行可能会导致供水管112爆管或供水泵113损坏等问题。因此，在供水管112上引出分水管116，并在分水管116上设置第三开关阀117，在第一开关阀114关闭的同时，开启第三开关阀117，供水泵113向供水管112输送的水通过分水管116回流至蓄水池111中，此时模拟发电机组甩荷过程实验；甩荷实验完成后，在打开第一开关阀114的同时，关闭第三开关阀117，供水泵113向供水管112输送的水不再进入分水管116而是进入实验水箱120中，此时模拟发电机组增荷过程实验。在本实施例中，分水管116的另一端与回水沟144连通，经回水沟144与蓄水池111连通。可以理解的是，第三开关阀117的结构可与第一开关阀114相同。示例的，第三开关阀117也为气动球阀，通过调节气压大小调节第三开关阀117的开关时间并通过第一控制柜同步进行关闭和开启操作。

进一步地，实验模拟装置130还包括传感器134及第二控制柜，第二控制柜中集成数据采集分析系统，传感器134与第二控制柜传输连接，传感器134用于测量实验模拟装置130的进水口分层取水结构131的关键部位的动水压力与水位波动数据，数据采集分析系统自动采集与存储动水压力与水位波动数据。传感器134的数量为多个，多个传感器134分别设置在分层取水结构131的关键部位，以测量分层取水结构131的关键部位数据。可以理解的是，分层取水结构131包括叠梁门结构，分层取水结构131的关键部位是指叠梁门、闸墩等结构的关键部位，即传感器134测量叠梁门关键部位的动水压力与门井水位波动数据。第二控制柜向多个传感器134供电，以使多个传感器134能够采集数据，通过数据采集分析系统采集动水压力数据与水位波动数据，并存储于数据采集分析系统中，而且，数据采集分析系统还能实现数据的后续分析。具体的，传感器134布置在分层取水结构131的叠梁门门体及闸墩边墙等部位，传感器134还布置在分层取水结构131的检修闸门井、事故闸门井和通气孔孔口上方，传感器134与数据采集分析系统组成测量分析系统。可选地，传感器134为高频传感器，数据采集分析系统为高频动态数据采集分析系统。发电机组增甩负荷时间过程较短，动态水压力荷载变化频率高，需采用高频传感器及高频动态数据采集分析系统才能准确完整记录相关的试验数据。在本实施例中，第一控制柜与第二控制柜集成在一起形成控制台160。

可选地，传感器134包括水位波动传感器1342和动水压力传感器1341等测量传感器。动水压力传感器1341布置在分层取水结构131的叠梁门门体及闸墩边墙等部位，水位波动传感器1342布置在分层取水结构131的检修闸门井、事故闸门井和通气孔孔口上方。水位波动传感器1342和动水压力传感器1341等为高频动态传感器，与数据采集分析系统配合后，能够实现非恒定流过程动态瞬变响应数据的自动采集与存储。

作为一种可实施方式，供水管112上还设置第一调节阀115，第一调节阀115用于调节供水管112的流量；引水管132上还设置第二调节阀135，第二调节阀135用于调节引水管132的流量。通过第一调节阀115与第二调节阀135能够调节实验水箱120的进水量与出水量，这样能够改变甩增负荷实验的实验流量，以形成不同的测试条件，实现不同条件的水电站的模拟，适用范围广。可以理解的是，第一调节阀115原则上不受限制，只要能够实现供水管112流量的调节即可；第二调节阀135原则上不受限制，只要能够实现引水管132流量的调节即可。示例的，第一调节阀115与第二调节阀135为蝶阀或球阀等。当然，在本发明的其他实施方式中，第一调节阀115与第二调节阀135还可为其他能够实现流量调节的结构。

作为一种可实施方式，模拟水电站叠梁门分层取水甩增负荷实验系统100还包括稳水装置150，稳水装置150设置于实验水箱120中。稳水装置150能够使实验水箱120中水形成稳定的水位和流场。

参见图1至图3，进一步地，稳水装置150包括至少一个消能孔板151，至少一个消能孔板151设置于实验水箱120中，消能孔板151用于稳定实验水箱120进水口处的水流。从供水管112经实验水箱120进水口集中的水流通过消能孔板151消能后，能够在实验水箱120内形成平稳的初始流场，方便后续的甩增负荷实验的进行。可以理解的是，为了使水流进入实验水箱120后平稳，可以根据实验水箱120的进流量大小设置格栅、孔板等消能设施。本实施例中，采用消能孔板151稳定水流。具体的，消能孔板151为具有多个通孔的平板，多个通孔均匀设置，且通孔孔径在50mm～150mm之间。而且，多个通孔的面积和为平板面积的30％～90％。消能孔板151的数量可以为一个，一个消能孔板151设置于实验水箱120进水口处；当消能孔板151的数量为多个时，多个消能孔板151可以平行设置(相邻的消能孔板151间距在300mm～500mm之间为宜)，也可交错设置，还可交错平行设置。

再进一步地，稳水装置150还包括可升降的稳水栅152，稳水栅152用于调节实验水箱120中的水位高度，稳水栅152上具有溢流口，实验水箱120中超出稳水栅152溢流面的水通过溢流口流出。稳水栅152能够调节实验水箱120中的水位高度，通过稳水栅152高度的调节获得试验水位，实验水箱120中多余的水可以通过稳水栅152流出。可以理解的是，稳水栅152流出的水可以回到蓄水池111中，实现循环利用。本实施例中，稳水栅152流出的水通过回水沟144回流至蓄水池111中。而且，稳水栅152高度的调节可通过丝杆结构、气缸结构、同步带结构或者其他能够实现上下移动的结构实现。当然，本发明的模拟水电站叠梁门分层取水甩增负荷实验系统100还可通过调节分层取水结构131的叠梁门的高度(增减叠梁门高度)，调节相应的实验水位和流量，形成初始稳定的水位-流场分布状态。

本发明的模拟水电站叠梁门分层取水甩增负荷实验系统100设置第一调节阀115与第二调节阀135及量水堰142的目的是通过第一调节阀115与第二调节阀135开度的调节水流量以及量水堰142过堰水头的测读，获得发电机组的过流量。通过稳水栅152高度的调节获得实验水位，实验水箱120内多余的水体可通过稳水栅152溢流到回水沟144内。实验过程中根据测量的需要，在模型电站进水口增减叠梁门的高度，调节相应的实验水位和流量，形成初始稳定的水位-流场分布状态。本发明的模拟水电站叠梁门分层取水甩增负荷实验系统100通过第一开关阀114、第二开关阀133及第三开关阀117的同步开关，实现水电站发电机组增甩负荷非恒定流过程的相似模拟。

本发明的模拟水电站叠梁门分层取水甩增负荷实验系统100在实验中利用调节第一调节阀115与第二调节阀135的开度和稳水栅152的高度以及分层取水结构131的叠梁门的层数，达到实验所需的水位和流场。通过调节第一开关阀114、第二开关阀133与第三开关阀117气压的大小，改变第一开关阀114、第二开关阀133与第三开关阀117关闭和开启的时间，实现与原型水电站机组增甩负荷过程相似的水流过程。与现有技术相比，本发明模拟水电站叠梁门分层取水甩增负荷实验系统100可以实现机组增甩负荷过程时间的精准控制以及保持库水位的持续稳定，克服了目前模拟机组增甩负荷过程中时间和库水位误差较大，试验数据准确性降低的问题，为电站进水口叠梁门结构设计及运行提供可靠的实验数据，确保工程的运行安全。

本发明还提供一种模拟水电站叠梁门分层取水甩增负荷实验方法，应用于上述任一实施例中的模拟水电站叠梁门分层取水甩增负荷实验系统，该方法包括如下步骤：

形成初始稳定水流：调节实验水箱120中的进水量和稳水栅152的高度，并使实验水箱120中的水流平稳均匀；调节实验水箱120的出水量，并根据量水堰142计算过流流量，以达到实验要求过流量；

形成甩荷水流：调节第一开关阀114、第二开关阀133和第三开关阀117的开启和关闭时间，达到实验需要的值，操作第一开关阀114与第二开关阀133同时关闭，并开启第三开关阀117；

形成增荷水流：机组甩荷实验完成水流稳定后，操作第一开关阀114与第二开关阀133同时开启，并关闭第三开关阀117；

采集数据：采集实验模拟装置130的进水口分层取水结构关键部位的水位波动数据与动水压力数据。

本发明的模拟水电站叠梁门分层取水甩增负荷实验系统100在模拟甩增负荷实验时，先形成初始稳定水流条件，然后再进行发电机组甩荷实验，甩荷实验完成后，进行发电机组增荷实验。具体的：

形成初始稳定水流：通过实验水箱120进水口第一调节阀115的开度调节实验水箱120的进流量，同时升降实验水箱120内的稳水栅152，达到分层取水结构131前需要的试验水位。利用实验水箱120内的消能孔板151消除实验水箱120进水口集中进流时的动能，使进入实验水箱120内分层取水结构131区域范围的水流均匀平稳。通过调节分层取水结构131出口处第二调节阀135的开度及测读量水堰142的过堰水头计算过流流量，达到实验要求的过流量。从分层取水结构131流出的水流经回水池143后回流进入蓄水池111中循环使用。

形成甩荷水流：在模拟水电站叠梁门分层取水甩增负荷实验系统100形成初始稳定水位、流场后，调节第一开关阀114、第二开关阀133及第三开关阀117的气压达到阀门关闭开启的实验要求值，通过第一控制柜同时快速关闭实验水箱120进水口的第一开关阀114和实验模拟装置130的第二开关阀133，同时打开分水管116的第三开关阀117，形成电站发电机组甩荷工况相似的水流条件和实现水箱水位的精确稳定控制。

形成增荷水流：在模拟水电站叠梁门分层取水甩增负荷实验系统100机组甩荷完成水流稳定后，调节第一开关阀114、第二开关阀133及第三开关阀117的气压达到阀门开启关闭的实验要求值。同时开启实验水箱120进水口的第一开关阀114和实验模拟装置130的第二开关阀133以及关闭分水管116的第三开关阀117，形成电站发电机组增荷相似的水流条件和实现水箱水位的精确稳定控制。

采集数据：通过安装在进水口分层取水结构的叠梁门关键部位处的动水压力传感器1341和水位波动传感器1342自动检测关键部位的动态数据，并通过数据采集分析系统对动态数据进行自动采集、存储以及后续的分析。

进一步地，模拟水电站叠梁门分层取水甩增负荷实验方法还包括实验测试步骤；实验测试步骤至少包括如下步骤：

调节实验水箱120的进流量与出流量；

调节实验水箱120中的水位高度；

调节分层取水结构131中叠梁门的高度；

调节第一开关阀114、第二开关阀133及第三开关阀117的开启和关闭时间。

调节实验水箱120的进流量与出流量：通过调整实验水箱120进水口的第一调节阀115和分层取水结构131的第二调节阀135相匹配的开度、实验水箱120中稳水栅152的高度、分层取水结构131的叠梁门的高度，来改变实验水位和实验流量，形成不同测试条件。通过调节第一开关阀114、第二开关阀133及第三开关阀117的气压大小调节第一开关阀114、第二开关阀133及第三开关阀117的开关时间，利用第一控制柜同时关闭和开启实验水箱120进水口处的第一开关阀114和实验模拟装置130处的第二开关阀133，以及开启和关闭分水管116的第三开关阀117，形成不同的发电机组甩荷和增荷的非恒定流水力条件。通过安装在进水口分层取水叠梁门结构关键部位的高频动态水压力传感器1341、水位波动传感器1342自动检测关键位置的动态数据，并通过数据采集分析系统对动态数据进行自动采集、存储以及后续的分析。

参见图1至图7，本发明的模拟水电站叠梁门分层取水甩增负荷实验系统100和方法，解决了模拟水电站发电机组增甩负荷过程时间的精确控制和实验过程水箱120水位的持续稳定，以及高频动态数据的自动采集存储问题，实现发电机组增甩负荷时间误差小于0.1s，水位波动误差小于2mm。通过实验水箱120进水口的第一开关阀114及第一调节阀115、分层取水结构131的第二开关阀133及第二调节阀135、第一控制柜、实验水箱120内的稳水装置150、传感器134和第二控制柜及其中的数据采集分析系统、量水堰142等设施，能够精准的实现电站进水口分层取水设施在发电机组甩荷和增荷快速变化的非恒定流过程水流条件的控制和模拟，实现实验水箱120水位过程的持续平稳和分层取水结构131关键部件的高频动态水压力、水位波动等实验数据的自动采集存储和分析，更好地指导工程设计和运行。

下面以一个模拟试验进行说明：

大型水电站电站进水口叠梁门分层取水，发电机组增甩负荷工况叠梁门门体及进水口结构水力荷载研究试验，原型中机组引水管直径9.0m，发电流量为350m³/s。每台机组进水口顺水流方向分别布置四孔拦污栅、四孔挡水叠梁闸门、一孔检修闸门、一孔快速事故闸门。分三层叠梁门取水，叠梁门孔口尺寸3.8m×42m(宽×高)，每层叠梁门高14.0m，取水水位变幅64.0m。机组增甩荷时间7.0s～12.0s。

根据试验资料，选择模型比尺为1：20，按重力相似准则进行模型的设计。模型中发电流量为0.196m³/s，蓄水池111配备1台60kw的变频水泵，水泵抽水流量在0.0m³/s～0.35m³/s可调。实验水箱120的尺寸为4.0m×4.0m-6.5m(长×宽-高)，实验水箱120进水口采用DN500mm钢管与变频水泵连接，分水管116采用DN400mm的钢管，第一调节阀115及第二调节阀135均采用与钢管配套的蝶阀，第一开关阀114、第二开关阀133及第三开关阀117均采用与钢管配套的气动球阀。实验水箱120进水口选择两道消能孔板151，孔板的开孔直径为100mm。实验水箱120中稳水栅152的溢流口尺寸为1.0m×1.0m(长×宽)，溢流口下部管径为DN150mm，稳水栅152可上下升降的高度为3.2m。在实验水箱120进水口处第一开关阀114、分层取水结构131处第二开关阀133及分水管116处第三开关阀117的开启和关闭时间在1.2s～4.0s之间可调。

分层取水结构131和传感器134等测量结构安装加固调试完成后，首先选择三层叠梁门取水工况进行实验。分层取水结构131中叠梁门总高度为2.1m，发电机组发电流量为0.196m³/s，发电机组甩荷时间为2.0s，增荷时间为2.0s，叠梁门顶水头1.05m。实验前在电站进水口叠梁门闸孔内放入三层叠梁门，在叠梁门门体及闸墩和孔口关键部位安装高频动水压力传感器1341，检修闸门井、事故闸门门井和通气孔内安装水位波动传感器1342，与数据采集分析系统连接，对传感器134的初始值进行采集和存储。对第一开关阀114、第二开关阀133及第三开关阀117的气泵压力进行调节，使第一开关阀114、第二开关阀133及第三开关阀117的开启和关闭时间均为2.0s。打开实验水箱120进水口处的第一开关阀114和分层取水结构131处的第二开关阀133，关闭分水管116的第三开关阀117。打开实验水箱120进水口处的第一调节阀115和分层取水结构131处的第二调节阀135，将实验水箱120内稳水栅152的高度调到实验水位高度。开启变频水泵，调节变频水泵的供水流量在0.22m³/s左右，调节实验水箱120进水口处第一调节阀115和分层取水结构131处第二调节阀135的开度，使引水管132的过流量达到0.196m³/s，水位稳定在试验要求水位，形成稳定的初始水位-流量关系。开启数据采集分析系统，对叠梁门和分层取水结构131的关键部件的水压力和水位波动进行高频动态采集，采集频率设置为5000Hz，数据总采集时间设置为500s。数据采集50s后，开启第一控制柜，在2.0s的时间内同时关闭实验水箱120进水口处的第一开关阀114和分层取水结构131处的第二开关阀133，并开启分水管116的第三开关阀117。数据采集完成后，该发电机组甩荷工况的试验完成。待门井水位波动完全停止，开启数据采集系统，数据采集50s后，开启气动阀门控制柜，在2.0s的时间内同时开启模型出水口和水箱进水口的气动球阀，关闭分水管116的第三开关阀117，进行机组增荷工况的数据采集。试验完成后可根据试验需要调节分层取水结构131的高度，实验水箱120水位，气动阀门(第一开关阀114、第二开关阀133及第三开关阀117)的开启和关闭时间，进行新一轮的实验研究。

可以根据上述实验中的数据可以生成水位波动过程曲线及水压力变化过程曲线，根据上述曲线可以获取模拟实验时，水位波动和压力波动的最大值、最小值等特征值。

示例的，图4和图6为模拟水电站发电机组在甩增荷过程中快速事故闸门处门井水位波动过程曲线图。根据图示波动曲线可以确定机组甩增荷时水位波动的最大幅值，这样在设计分层取水结构131的门井及通气孔高度时，可避免水电站发电机组在甩荷时水流从孔口溢出造成事故。图5和图7为模拟水电站发电机组在甩增荷过程中分层取水结构131处的叠梁门门体压力变化曲线图。根据图示波动曲线可以确定甩荷时水压力的最大值，这样在设计分层取水结构承载能力时，可避免水电站发电机组在甩荷时叠梁门的损坏。当然，还可以对分层取水结构的其他位置的水位波动与水压力的甩荷与增荷实验进行测量，获取更多实验数据。

这样，在实际工程应用中，可以根据上述数据设计叠梁门结构的尺寸以及承压能力，避免在水电站发电机组甩增负荷时门井和通气孔内水流的溢出以及进水口和叠梁门结构因承载能力不足造成破坏的问题，保证工程运行安全。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书的记载范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种模拟水电站叠梁门分层取水甩增负荷实验系统，其特征在于，包括：

供水装置，包括蓄水池及具有供水泵的供水管，所述供水管的一端伸入所述蓄水池中，所述供水管上具有控制所述供水管开关的第一开关阀；

实验水箱，所述供水管的另一端伸入所述实验水箱的进水口；

实验模拟装置，包括分层取水结构、引水管、第二开关阀及第一控制柜，所述分层取水结构设置于所述实验水箱的出水口，所述引水管的一端与所述分层取水结构的出水口连接，所述第二开关阀设置于所述引水管上，用于控制所述引水管的开关，所述第一开关阀及所述第二开关阀分别与所述第一控制柜连接，所述控制柜用于控制所述第一开关阀与所述第二开关阀的同步动作；

回水装置，包括回水槽、回水池及量水堰，所述引水管的另一端与所述回水槽的进水口连接，所述量水堰设置于所述回水槽中，所述回水槽的出水口与所述回水池连通。

2.根据权利要求1所述的模拟水电站叠梁门分层取水甩增负荷实验系统，其特征在于，所述实验模拟装置还包括传感器及第二控制柜，所述第二控制柜中集成数据采集分析系统，所述传感器与所述第二控制柜传输连接，所述传感器用于测量所述实验模拟装置的进水口分层取水结构关键部位的动水压力与水位波动数据，所述数据采集分析系统自动采集与存储所述动水压力和水位波动数据。

3.根据权利要求1所述的模拟水电站叠梁门分层取水甩增负荷实验系统，其特征在于，所述供水管上还设置第一调节阀，所述第一调节阀用于调节所述供水管的流量；所述引水管上还设置第二调节阀，所述第二调节阀用于调节所述引水管的流量。

4.根据权利要求1所述的模拟水电站叠梁门分层取水甩增负荷实验系统，其特征在于，还包括稳水装置，所述稳水装置设置于所述实验水箱中；

所述稳水装置包括至少一个消能孔板，至少一个所述消能孔板设置于所述实验水箱中，所述消能孔板用于稳定所述实验水箱进水口处的水流。

5.根据权利要求4所述的模拟水电站叠梁门分层取水甩增负荷实验系统，其特征在于，所述稳水装置还包括可升降的稳水栅，所述稳水栅用于调节所述实验水箱中的水位高度，所述稳水栅上具有溢流口，所述实验水箱中超出所述稳水栅溢流面的水通过所述溢流口流出。

6.根据权利要求1所述的模拟水电站叠梁门分层取水甩增负荷实验系统，其特征在于，所述回水装置还包括回水沟，所述回水沟连通所述回水池与所述蓄水池。

7.根据权利要求3所述的模拟水电站叠梁门分层取水甩增负荷实验系统，其特征在于，所述供水装置还包括分水管及设置于所述分水管上的第三开关阀，所述分水管的一端与所述供水管连接，所述分水管的另一端与所述蓄水池连通，所述第三开关阀用于控制所述分水管的开关；

所述第一开关阀关闭所述供水管时，所述第三开关阀打开，所述供水管中的水通过所述分水管回流至所述蓄水池。

8.根据权利要求7所述的模拟水电站叠梁门分层取水甩增负荷实验系统，其特征在于，所述第一开关阀、所述第二开关阀及所述第三开关阀为可调控开关时间的气动球阀；

所述第一调节阀与所述第二调节阀为蝶阀或球阀；

所述传感器包括水位波动传感器和动水压力传感器。

9.一种模拟水电站叠梁门分层取水甩增负荷实验方法，其特征在于，应用于如权利要求1至8任一项所述的模拟水电站叠梁门分层取水甩增负荷实验系统，所述方法包括如下步骤：

形成初始稳定水流：调节实验水箱中的进水量和稳水栅的高度，并使所述实验水箱中的水流平稳均匀，达到实验需要的水位；调节所述实验水箱的出水量，并根据量水堰计算过流流量，以达到实验要求过流量；

形成甩荷水流：调节第一开关阀、第二开关阀和第三开关阀的开启和关闭时间，达到实验需要的值，操作所述第一开关阀与所述第二开关阀同时关闭，并开启所述第三开关阀；

形成增荷水流：机组甩荷实验完成水流完全平稳后，操作所述第一开关阀与所述第二开关阀同时开启，并关闭所述第三开关阀；

采集数据：采集实验模拟装置进水口分层取水结构关键部位的动水压力和水位波动数据。

10.根据权利要求9所述的模拟水电站叠梁门分层取水甩增负荷实验方法，其特征在于，所述方法还包括实验测试步骤；所述实验测试步骤至少包括如下步骤：

调节所述实验水箱的进流量与出流量；

调节所述实验水箱中的水位高度；

调节所述分层取水结构的高度；

调节所述第一开关阀、所述第二开关阀及所述第三开关阀的开启和关闭时间。