CN109056672A - 一种改善抽水蓄能电站下水库进出水口水力学特性的方法 - Google Patents
一种改善抽水蓄能电站下水库进出水口水力学特性的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种改善抽水蓄能电站下水库进出水口水力学特性的方法。本发明通过设置防窝梁段、调整段、扩散段、圆变方渐变段等一些列工程措施,从而改善进出水口处的流场分布状态,控制流速不均匀系数、流量分配系数及水头损失和水头损失系数等水力学参数在合理范围内,消除有害回流、环流及断面负压,使得断面压力沿程变化平稳,改善进出口处水力学条件。
Description
技术领域
本发明涉及一种改善抽水蓄能电站下水库进出水口水力学特性的方法,属于水力发电工程流体力学技术领域。
背景技术
抽水蓄能电站是一种利用电力负荷低谷时的电能将水抽至上水库,在电力负荷高峰期再放水至下水库发电的水电站。由于抽水蓄能电站能够起到调频、调相,稳定电力系统的周波和电压,且可以用于事故备用,因此抽水蓄能电站正在我国大范围的兴建。由于抽水蓄能电站的特殊功能性,即这种水电站具有抽水工况和发电工况,因此抽水蓄能电站下库进水口和出水口是一体的,发电工况下即为出水口,抽水工况下则为进水口,水流在进出水口处在电站不同运行工况下是可以进行双向流动的,这就导致了进出水口的复杂性。
由于抽水蓄能电站下水库进出水口的复杂性,且抽水蓄能电站下水库进出水口处的水流状态易受体型轮廓的影响,倘若下库进出水口体型设计不当,在下库进出水口处易发生水流分离区、反向流速、有害旋涡、断面负压及水流扩散不均匀等现象,直接影响电站的运行效率及电站的安全稳定性。而目前国内各抽水蓄能电站的下水库进出水口,普遍存在流速不均匀系数偏大、流量不均匀程度及流量分配系数偏大、水头损失及水头损失系数较大的一些列不利的水力学问题。急待解决
发明内容
针对上述存在的问题,本发明的目的是给出一种改善抽水蓄能电站下水库进出水口水力学特性的方法,为此,本发明采用以下技术方案:
一种改善抽水蓄能电站下水库进出水口水力学特性的方法,其特征在于通过在抽水蓄能电站下水库设置一种侧式进出水口结构的方法来改善进出水口处的水力学特性,按照下水库进水方向,该侧式进出水口结构由下游往上游方向依次为防涡梁段、拦污栅、调整段、扩散段、圆变方渐变段以及引水隧洞段。
在采用上述技术方案的基础上,本发明还可采用以下进一步的技术方案或对这些进一步的技术方案组合使用:
在下水库进出水口最下游侧设置防涡梁,通过防涡梁来削弱水流回流及降低不良的水流流态,大大改善进出水口处的水流水力学条件。
在进出水口结构顶部垂直水流方向设置防涡梁,所述防涡梁具有多根,顺水流方向排列。
在紧邻防涡梁上游侧设置拦污栅,所述拦污栅为网格状不锈钢金属可升降结构,所述拦污栅在抽水工况下可以杜绝下水库垃圾浮草等漂浮物进入下水库进出口,另外通过设置拦污栅的方法来均化抽水工况及发电工况的水流,调整流道断面的流速不均匀系数,优化流道水力特性。
通过在紧邻拦污栅的上游侧设置调整段的方法来调整水流状态,所述调整段内设置调整分流中墩及调整分流边墩,将调整段分成多个水流流道。
通过在紧邻调整段上游侧设置扩散段的方法来调整水流状态,所述扩散段为水平和竖直方向从上游侧往下游侧四向扩散。
扩散段内设置扩散分流中墩及扩散分流边墩,将进出水口分成多个水流流道,且扩散段内的水流流道与调整段内的水流通道相对应连通。
通过设置扩散分流中墩及扩散分流边墩的方法调整扩散段内各水流流道的断面尺寸,进而达到来改善水流水力学特性的目的,其中边孔流道宽度大于中孔流道宽度。
所述扩散分流中墩将水流导入4个以上的多个水流流道内,其中在扩散段内的扩散分流中墩中,位于中间的扩散分流中墩的上游墩头较两侧的扩散分流中墩上游墩头缩进一定距离,各个扩散分流中墩上游墩头迎水面为圆弧曲线形状,各个扩散分流中墩及扩散分流边墩墩头迎水面采用包角钢衬,且包角钢衬之间采用筋板连接加固。
通过在紧邻扩散段的上游侧设置圆方渐变段的方法来改善水流水力学特性,所述圆方渐变段衔接进出水口扩散段和上游侧的引水隧洞段,其中,扩散段为矩形段。
调整圆方渐变段上游侧引水隧洞的底坡坡度,将引水隧洞设置为平坡的方法来进一步改善水流流态。
所述方法控制流速不均匀系数,使其保持在2以内;调整进出口内各流道的流量分配系数,并控制在0.9‐1.1,起到减少水头损失及降低水头损失系数的效果。
本发明的有益效果为:
(1)本发明通过设置防涡梁段、拦污栅、调整段、扩散段、圆方渐变段及引水隧洞等一系列相互衔接的结构改善下水库进出水口处的水流状态,提高电站运行稳定性和安全性;
(2)本发明所采用的具有针对性工程设计措施,能够将下水库进出水口处的流速不均匀系数控制在2以内,能够保证进出水口各个流道的流量分配系数控制在1左右,另外,各个结构建筑的合理衔接,能够大大地降低水头损失和水头损失系数;
(3)本发明所设置的防涡梁能够防止涡流产生,所设置的拦污栅能够均化水流,各个结构物的协同工作,能够杜绝下水口进出水口处产生水流分离区、反向流速、有害旋涡、断面负压及水流扩散不均匀等现象,大大提高了工程的安全性。
附图说明
图1是本发明进出水口结构平面图;
图2是本发明进出水口结构剖面图;
图3是调整段剖面图;
图4是分流墩结构图;
图5是圆变方渐变段剖面图;
其中,1.防涡梁、2.拦污栅、3.调整段、4.调整分流中墩、5.调整分流边墩、6.扩散段、7.扩散分流中墩、8.扩散分流边墩、9.扩散分流中墩上游墩头、10.包角钢衬、11.筋板、12.圆变方渐变段、13.引水隧洞段。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
参照附图。本发明所述的一种改善抽水蓄能电站下水库进出水口水力学特性的方法,其主要思路在于采取工程措施改善和优化抽水蓄能电站下水库进出水口的一系列水力学参数:控制流速不均匀系数,使其保持在2以内;调整进出口内各流道的流量分配系数,并控制在1左右;减少水头损失及降低水头损失系数。通过一套系统的结构方法,优化进出水口流场分布,改善抽水蓄能电站下水库进出水口的水力学特性。
本发明通过在抽水蓄能电站下水库进出水口设置工程措施的方法,即通过在抽水蓄能电站下水库设置一种特殊侧式进出水口结构的方法来改善进出水口处的水力学特性,该特殊侧式进出水口结构由下游往上游方向依次为防涡梁段1、拦污栅2、调整段3、扩散段6、圆变方渐变段12以及引水隧洞段13,防涡梁段1、拦污栅2、调整段3、扩散段6的横截面皆为矩形。在该抽水蓄能电站下水库侧式进出水口结构中水流可以双向流动,抽水工况作为进水口,发电工况下则作为出水口。
首先在下水库进出水口最下游侧结构顶部垂直水流方向设置4根防涡梁1。所述的防涡梁1为矩形梁,矩形断面尺寸为1.2mx2.0m(宽x高),长度为11m,通过防涡梁1来削弱水流回流及降低不良的水流流态,大大改善进出水口处的水流水力学条件。
在紧邻防涡梁上游侧设置拦污栅2,所述拦污栅2为网格状不锈钢金属可升降结构。通过拦污栅2在抽水工况下杜绝下水库垃圾浮草等漂浮物进入下水库进出口,另外通过设置拦污栅2的方法来均化抽水工况及发电工况的水流,调整流道断面的流速不均匀系数,优化流道水力特性。
然后在紧邻拦污栅2的上游侧设置调整段3来调整水流状态,所述调整段3长度为15m,所述调整段3内设置3个调整分流中墩4及两个调整分流边墩5,3个调整分流中墩4将调整段3分成4个水流流道,每个流道的断面尺寸为5.0mx10.0m(宽x高)。
接着在紧邻调整段3上游侧设置扩散段6来调整水流状态。所述扩散段6为水平和竖直方向从上游侧往下游侧四向扩散,水平方向的扩散角为11°,竖直方向的扩散角为5°。
在扩散段6内设置3个宽度为1.4m的扩散分流中墩7及两个扩散分流边墩8,将进出水口分成4个水流流道,调整段的4个水流流道和扩散段的4个水流流道相对应延伸接通。通过设置扩散分流中墩7及扩散分流边墩8的方法调整扩散段6内各水流流道的断面尺寸,进而达到改善水流水力学特性的目的,其中边孔流道宽度大于中孔流道宽度(即中间两孔流道),中孔流道宽度和边孔流道的宽度比为0.22:0.28。
扩散段6中的扩散分流中墩7将水流导入4个水流流道内,其中在扩散段6内的扩散分流中墩7中,位于中间的扩散分流中墩7的上游墩头9较其两侧的扩散分流中墩7的上游墩头9缩进3m,各个扩散分流中墩7的上游墩头9迎水面为圆弧曲线形状,各个扩散分流中墩7的上游墩头9及扩散分流边墩8墩头迎水面采用包角钢衬10,材料选择Q235B不锈钢,衬砌钢板厚度为8mm,且包角钢衬10之间采用筋板(11)连接加固。
接着在紧邻扩散段6的上游侧设置圆方渐变段12来改善水流水力学特性,所述圆方渐变段12衔接进出水口扩散段6和上游侧的隧洞段13,圆方渐变段12长度为10m。
最后调整圆方渐变段12上游侧引水隧洞段13的底坡坡度,将引水隧洞段13设置为平坡的方法来进一步改善水流流态。
通过以上采取的工程措施,主要包括防涡梁段1、拦污栅2、调整段3、扩散段6、圆变方渐变段12及引水隧洞段13,以及通过拦污栅均化水流流速、通过设置分流墩控制各流道水流流量以及优化各建筑物的体型特征等一套系统措施,从而优化进出水口处的流场分布状态,控制流速不均匀系数、流量分配系数及水头损失和水头损失系数等水力学参数在合理范围内,消除有害回流、环流及断面负压,使得断面压力沿程变化平稳,改善进出口处水力学条件。
基于以上实施例给定的设计参数,假设流经下库进出水口的水流为紊流,采用k-ε紊流数学模型,采用水流连续方程、动量方程和k、ε方程对进出水口进行分析。
连续方程、动量方程和k、ε方程如下:
连续方程:
动量方程:
k方程:
ε方程:
式中,ρ和μ分别为水体的密度和粘性系数。P为修正压力;μt为紊流粘性系数,μt可由紊动能k和紊动耗散率ε求出:
其中,Cμ为经验常数;g为重力加速度。σk和σε分别为k和ε的紊流普朗特数。C1ε和C2ε为ε方程常数。
G为由平均速度梯度引起的紊动能产生项,可由下式定义:
采用控制体积法求解以上方程,通过离散计算区域,然后在每个控制体积中对微分方程进行积分,再把积分方程线性化,得到各未知变量如速度、压力、紊动能k等的代数方程组,最后求解方程组即可求出各未知变量。
通过计算可知,断面流速不均匀系数控制在1.8左右,小于要求的2;孔口流量分配系数均在(0.9~1.1)区间,满足接近于1的要求;各工况下计算所得的水头损失和水头损失系数均较小;工各况下水流分布均匀性较好,无有害回流及环流出现,水面波动小,进出水口附近未产生有害旋涡。
基于本发明提出的改善抽水蓄能电站下水库进出水口水力学性的方法并经具体实施例及计算方法的验证,可知该方法优化了进出水口处的流场分布状态,能够控制流速不均匀系数、流量分配系数及水头损失和水头损失系数等水力学参数在合理范围内,能够消除有害回流、环流及断面负压,使得断面压力沿程变化平稳,改善进出口处水力学条件。
以上所述仅为发明的具体实施案例,本发明的技术特征并不局限于此,任何相关领域的技术人员在本发明的领域内,所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的保护范围之中。
Claims (12)
1.一种改善抽水蓄能电站下水库进出水口水力学特性的方法,其特征在于通过在抽水蓄能电站下水库设置一种侧式进出水口结构的方法来改善进出水口处的水力学特性,按照下水库进水方向,该侧式进出水口结构由下游往上游方向依次为防涡梁段(1)、拦污栅(2)、调整段(3)、扩散段(6)、圆变方渐变段(12)以及引水隧洞段(13)。
2.根据权利要求1所述的一种改善抽水蓄能电站下水库进出水口水力学特性的方法,其特征在于在下水库进出水口最下游侧设置防涡梁(1),通过防涡梁(1)来削弱水流回流及降低不良的水流流态,大大改善进出水口处的水流水力学条件。
3.根据权利要求2所述的一种改善抽水蓄能电站下水库进出水口水力学特性的方法,其特征在于在进出水口结构顶部垂直水流方向设置防涡梁(1),所述防涡梁(1)具有多根,顺水流方向排列。
4.根据权利要求1所述的一种改善抽水蓄能电站下水库进出水口水力学特性的方法,其特征在于在紧邻防涡梁(1)上游侧设置拦污栅(2),所述拦污栅(2)为网格状不锈钢金属可升降结构,所述拦污栅(2)在抽水工况下可以杜绝下水库垃圾浮草等漂浮物进入下水库进出口,另外通过设置拦污栅(2)的方法来均化抽水工况及发电工况的水流,调整流道断面的流速不均匀系数,优化流道水力特性。
5.根据权利要求1所述的一种改善抽水蓄能电站下水库进出水口水力学特性的方法,其特征在于通过在紧邻拦污栅(2)的上游侧设置调整段(3)的方法来调整水流状态,所述调整段(3)内设置调整分流中墩(4)及调整分流边墩(5),将调整段(3)分成多个水流流道。
6.根据权利要求1所述的一种改善抽水蓄能电站下水库进出水口水力学特性的方法,其特征在于通过在紧邻调整段(3)上游侧设置扩散段(6)的方法来调整水流状态,所述扩散段(6)为水平和竖直方向从上游侧往下游侧四向扩散。
7.根据权利要求5所述的一种改善抽水蓄能电站下水库进出水口水力学特性的方法,其特征在于扩散段(6)内设置扩散分流中墩(7)及扩散分流边墩(8),将进出水口分成多个水流流道,且扩散段(6)内的水流流道与调整段(3)内的水流通道相对应连通。
8.根据权利要求1、6或7所述的一种改善抽水蓄能电站下水库进出水口水力学特性的方法,其特征在于通过设置扩散分流中墩(7)及扩散分流边墩(8)的方法调整扩散段(6)内各水流流道的断面尺寸,进而达到来改善水流水力学特性的目的,其中边孔流道宽度大于中孔流道宽度。
9.根据权利要求8所述的一种改善抽水蓄能电站下水库进出水口水力学特性的方法,其特征在于所述扩散分流中墩(7)将水流导入4个以上的多个水流流道内,其中在扩散段(6)内的扩散分流中墩(7)中,位于中间的扩散分流中墩(7)的上游墩头较两侧的扩散分流中墩(7)上游墩头缩进一定距离,各个扩散分流中墩(7)上游墩头迎水面为圆弧曲线形状,各个扩散分流中墩(7)及扩散分流边墩(8)墩头迎水面采用包角钢衬(10),且包角钢衬(10)之间采用筋板(11)连接加固。
10.根据权利要求1所述的一种改善抽水蓄能电站下水库进出水口水力学特性的方法,其特征在于通过在紧邻扩散段(6)的上游侧设置圆方渐变段(12)的方法来改善水流水力学特性,所述圆方渐变段(12)衔接进出水口扩散段(6)和上游侧的引水隧洞段(13),其中,扩散段(6)为矩形段。
11.根据权利要求1所述的一种改善抽水蓄能电站下水库进出水口水力学特性的方法,其特征在于调整圆方渐变段(12)上游侧引水隧洞(13)的底坡坡度,将引水隧洞(13)设置为平坡的方法来进一步改善水流流态。
12.根据权利要求1所述的一种改善抽水蓄能电站下水库进出水口水力学特性的方法,其特征在于所述方法控制流速不均匀系数,使其保持在2以内;调整进出口内各流道的流量分配系数,并控制在0.9~1.1,起到减少水头损失及降低水头损失系数的效果。
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CN114032798A (zh) * | 2021-09-26 | 2022-02-11 | 河海大学 | 保障城市排涝泵站多孔扩散分流出水箱涵出流均匀的方法 |
CN114032798B (zh) * | 2021-09-26 | 2022-07-29 | 河海大学 | 保障城市排涝泵站多孔扩散分流出水箱涵出流均匀的方法 |
CN114001920A (zh) * | 2021-10-22 | 2022-02-01 | 交通运输部天津水运工程科学研究所 | 一种深水波流模拟水池 |
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