CN115354630A - 一种抽水蓄能电站输水系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种抽水蓄能电站输水系统，包括上游进/出水口、输水管道、下游进/出水口；上游进/出水口、下游进/出水口通过所述输水管道连通，所述输水管道包括与上游进/出水口连通的引水隧洞；所述引水隧洞通过平面转弯段与直线段连通；所述直线段通过扩散段与下游进/出水口连通；所述扩散段包括多个分流墩；所述直线段通过偏转段与平面转弯段连通；所述偏转段的偏转角度θ即平面转弯段弦线与水平线的夹角。本发明有效的解决了侧式进/出水口输水管弯道引起的偏流问题。

Description

一种抽水蓄能电站输水系统
技术领域
本发明涉及水力发电工程水力学领域，特别是一种抽水蓄能电站输水系统。
背景技术
进出水口是抽水蓄能电站的咽喉，是连接库区与电站机组的重要水工建筑物，目前我国抽水蓄能电站多采用侧式进出水口，具有双向过流的特点，对上库而言，发电时作为出水口，处于收缩流状态；抽水时作为进水口，处于扩散流状态。侧式进出水口通常采用横向扩散为主的布置型式，进水口段内采用分流墩形成二隔墩三流道或三隔墩四流道的布置格局，衡量侧式进出水口水力特性优劣的主要指标包括拦污栅平均流速、流道分流比、水头损失系数等。《抽水蓄能电站设计导则》(DL/T5208-2005抽水蓄能电站设计导则[S].北京：中国电力出版社，2005，38-41.)规定，抽水蓄能电站进/出水口平均过栅流速宜为0.8～1.0m/s，同时建议相邻流道边、中孔流道的流量不均匀程度不宜超过10％，但研究表明该推荐值难于满足，而小于20％更符合工程实际(高学平，李建国，孙博闻，等.利用多岛遗传算法的侧式进/出水口体型优化研究[J].水利学报,2018,49(2):9.)。
抽水蓄能电站输水系统通常由上游进/出水口、输水管道、下游进/出水口三部分组成。由于受到工程地质条件、枢纽建筑物总体布置、施工条件及工程投资等方面的限制，引水隧洞通常需要平面转弯连接上下游输水管道。当输水管道存在弯管时，流道外侧/凹岸流速显著高于内侧/凸岸流速，弯道断面流速分布不均匀，进而造成相邻流道流量分配比、拦污栅断面流速等设计指标不能满足规程规范的要求。扩散段内各流道分流不均，会增大拦污栅运行的风险，增大扩散段的水头损失，甚至导致出口底部或库岸被淘刷。
当明渠存在弯道时，通常在弯道处设置调整池，以改变弯道水流流态，但对于有压输水系统，调整池很难改变其流态分布。同时在电站抽水和发电运行状态下，由于调整池的存在大大增加了水头损失，影响电站的运行效益。因此当侧式进/出水口输水管道存在弯管时，如何设计侧式电站进/出水口结构体型解决弯管偏流问题，保证进/出流平顺，分流均匀，同时尽量减小水头损失，是抽水蓄能电站进/出水口设计中需要解决的主要技术问题。
发明专利申请CN111666618A公开了一种侧式进/出水口扩散段体型的设计方法，在现有导则和规范的基础上引入了宽裕度系数KLi、过流面积分配系数KA两个新的设计参数，并对参数的取值进行了规定。然而，该设计过程对引水隧洞存在平面转弯无法适用，无法解决弯道引起的偏流问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种抽水蓄能电站输水系统，保证进/出流平顺，分流均匀的同时，尽量减小水头损失，解决弯管偏流问题。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种抽水蓄能电站输水系统，包括上游进/出水口、输水管道、下游进/出水口；上游进/出水口、下游进/出水口通过所述输水管道连通，所述输水管道包括与上游进/出水口连通的引水隧洞；所述引水隧洞通过平面转弯段与直线段连通；所述直线段通过扩散段与下游进/出水口连通；所述扩散段包括多个分流墩；所述直线段通过偏转段与平面转弯段连通；所述偏转段的偏转角度θ即平面转弯段弦线与水平线的夹角。
由于抽蓄输水管道水流流速较低，很难通过边界的突变去改变水流的流速分布，同时边界的突变会引起很大水头损失，因此本发明对进/出水口扩散段后至弯管起始段的直线段进行偏转，即将直线段通过偏转段与平面转弯段连通，偏转段的偏转角度为θ，该偏转角度等于弯管(平面转弯段)的弦线与水平线夹角。平面转弯角度越大，偏流时直线段斜角越大。水流受到相反的作用力，促使水流在弯道逐步调整，内侧/凸岸具有压力减小的趋势，削弱了水流向弯道外侧/凹岸挤压的趋势，进而增加了内侧边流道的过流量，减小了外侧边流道的过流量。因此，本发明解决了弯管偏流问题，在保证进/出流平顺，分流均匀的同时，尽量减小了水头损失。
为确保进/出流平顺，所述偏转角度θ＝α/2，α为平面转弯段的圆心角。
位于扩散段中部的分流墩的最小断面沿该最小断面切线方向朝扩散段起始位置延伸，延伸后的中部分流墩墩头截面形状为圆弧曲线。通过圆弧形闸墩的分流作用可以增大内侧/凸岸过流量，减小外侧/凹岸的过流量。同时由于闸墩的前移(墩头延伸，相当于闸墩前移了)，中间两个流道的分流会更加稳定。
本发明中，当d2≤x时，延伸后的扩散段中部的分流墩墩头圆弧曲线半径
Figure BDA0003779445060000021
圆弧曲线水平长度
Figure BDA0003779445060000022
当d2＞x时，将圆弧曲线调整为半圆形，使d2＝x，半圆形半径
Figure BDA0003779445060000023
其中，d2为圆弧曲线在垂直方向投影长度，x为流道中心线到中隔墩末端的距离，所述中隔墩即扩散段中部的分流墩；D为所述最小断面宽度处两条切线延伸后与扩散段起始位置两个交点之间的距离；α为平面转弯段的圆心角；L为扩散段起始断面的宽度。
本发明中，当β＝0、ε＝90°时，墩头为半圆形；当β＝0、ε＝45°时，墩头为尖圆形；其中，β为中部分流墩的边壁与中心线的夹角，ε为圆弧曲线的切线与中心线的夹角。
所述圆弧曲线的切线与中心线的夹角等于所述偏转角度θ，即ε＝θ。由于圆弧弦线与水平线的夹角θ与平面转弯段偏转角度相同，闸墩引流更加顺畅，进一步减小了水头损失。
所述中间流道最小断面宽度设置为a1和b1中的最小值，边流道的最小断面宽度设置为a2和b2的最小值，且
Figure BDA0003779445060000031
其中，a1为边流道最小断面宽度，a2为中间流道最小断面宽度，b1为扩散段起始位置边流道宽度，b2为中流道宽度，h1为边墩高度，h2为中间墩高度。本发明可以调整各流道的过流量，使得各流道在收缩流的情况下分流均匀。调整后保证了收缩流时中间流道和边流道过流量差值不会超过20％，同时减小了内侧/凸岸侧的中间流道引流量与相邻流道偏差。
所述分流墩数量为3。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：
(1)本发明有效的解决了侧式进/出水口输水管弯道引起的偏流问题，可避免因为弯道后流道的严重偏流导致进/出水口流道过流的不均匀性，防止增加拦污栅运行的风险；
(2)本发明在中隔墩前增加圆弧引流墙(墩头截面为圆弧曲线)，解决了恒定有压扩散流在中间两个流道分流的波动性，可增加中间两流道分流的稳定性；
(3)本发明实现了进/出水口双向流的情况下，扩散流和收缩流各流道过流量偏差均小于20％；
(4)本发明在侧式进/出水口机组不同运行状态下均可实现均匀分流，解决了单台机组抽水流量低时，外侧/凹岸流道水流贴壁流情况；
(5)本发明结构简单，适应性好，对原进/出水口的结构调整较小，减少了因为偏流引起的水头损失，增大了电站效益。
附图说明
图1为本发明实施例带平面转弯的侧式进、出水口示意图；
图2为本发明实施例直线段偏转示意图；
图3为本发明实施例圆弧引流墙示意图；
图4为本发明实施例衔接墩头示意图；
图5为本发明实施例中隔墩头部圆弧曲线计算参数示意图；
图6为本发明实施例圆弧引流墙计算参数示意图；
图7(a)和图7(b)四台机抽水工况Q＝261.6m3/s，图7(a)现有方案抽水工况流速分布，图7(b)本发明实施例方案抽水工况流速分布；
图8(a)和图8(b)两台机抽水工况Q＝130.8m3/s，图8(a)现有方案抽水工况流速分布，图8(b)本发明实施例方案抽水工况流速分布；
图9(a)和图9(b)四台机抽水工况Q＝304m3/s，图9(a)现有方案抽水工况流速分布，图9(b)本发明实施例方案抽水工况流速分布。
具体实施方式
由于侧式进/出水口输水管道存在平面转弯，当进/出水口为扩散流时，平面转弯引起的偏流现象，会导致进/出水口各流道分流不均，内侧/凸岸侧引流量较小，尤其是内侧/凸岸侧的中间流道引流量与相邻流道偏差最大。因此为了满足相邻流道流量分配比、拦污栅断面过栅流速和水头损失等设计指标，本发明实施例提供了一种消除侧式进/出水口弯道偏流影响的结构。
本发明实施例的抽水蓄能电站输水系统如图1所示，包括上游进/出水口、输水管道、下游进/出水口；上游进/出水口、下游进/出水口通过所述输水管道连通，所述输水管道包括与上游进/出水口连通的引水隧洞；所述引水隧洞与直线段连通；所述直线段通过扩散段与下游进/出水口连通；所述扩散段包括多个分流墩。
如图2，输水管道平面转弯中心角(即平面转弯段圆心角)为α，扩散起始断面(即扩散段起始位置，即起始断面)的宽度为L，边流道最小断面宽度为a1，中间流道最小断面宽度为a2，扩散起始段边流道宽度(边墩距边墙)为b1，中流道宽度(中墩距边墩)为b2，中隔墩于中间流道最小断面宽度处A1和A2切线交于扩散段起始C1和C2点的距离为D。
本发明实施例中，中隔墩、中墩即位于扩散段中间位置的分流墩，边墩是相对中间墩而言的其余分流墩。中间流道即中间墩两侧的流道。
由于抽蓄输水管道水流流速较低，很难通过边界的突变去改变水流的流速分布，同时边界的突变会引起很大水头损失，因此本发明实施例对进/出水口扩散段后至弯管起始段的直线段进行偏转，偏转角度为θ，该角度等于弯管(平面转弯段)的弦线与水平线夹角，此时水流受到相反的作用力，促使水流在弯道逐步调整，内侧/凸岸有压力减小的趋势，削弱水流向弯道外侧/凹岸挤压的趋势，进而增加内侧边流道的过流量，减小外侧边流道的过流量。当平面转弯角度越大，偏流此时直线段斜角越大。
如图3，本发明另一实施例将中隔墩(即多个分流墩中位于扩散段中间位置的分流墩)于中间流道最小断面宽度处A1和A2做切线延伸至扩散起始段。从扩散段起始段(即扩散段起始位置，扩散段与直线段相交的位置)衔接圆弧型闸墩(即中间墩的墩头)，圆弧向弯管外侧/凹岸偏转，弦线与水平线的夹角θ，通过圆弧形闸墩的分流作用可以增大内侧/凸岸过流量，减小外侧/凹岸的过流量。同时由于闸墩的前移，中间两个流道的分流会更加稳定。由于圆弧弦线与水平线的夹角θ与直线段偏转角度相同，闸墩引流更加顺畅，减小了水头损失。
本发明实施例中，分流墩个数为奇数个，例如分流墩个数为3。
本发明实施例中，延伸后的闸墩墩头部形状采用圆弧曲线，可使流道内的水流更加均匀、稳定及水头损失更小。设闸墩(中隔墩)的边壁(靠近中间流道的壁)与中心线的夹角为β，两段圆弧曲线的切线与中心线的夹角均为ε。当β＝0、ε＝90°时，墩头为半圆形；当β＝0、ε＝45°时，墩头形状为尖圆形(或称流线型)。为保证墩头最大程度顺应水流方向，可取β＝0、ε＝θ＝α/2，通过计算可得到圆弧曲线参数设计公式：
Figure BDA0003779445060000051
Figure BDA0003779445060000052
上述计算公式推导如下(见图4和图5)。
设：圆弧曲线半径AO＝Rd，圆弧曲线水平长度CB＝Ld，∠AOD＝θ1，∠ABC＝θ2。
Figure BDA0003779445060000053
根据三角函数关系有：
Figure BDA0003779445060000054
Figure BDA0003779445060000055
又因为：
Figure BDA0003779445060000056
所以：
Figure BDA0003779445060000057
将θ1、θ2代入式中，并简化得到：
Figure BDA0003779445060000058
又因为：
Figure BDA0003779445060000059
所以
Figure BDA00037794450600000510
当β＝0、ε＝θ＝α/2时，可得圆弧曲线半径
Figure BDA0003779445060000061
圆弧曲线水平长度
Figure BDA0003779445060000062
本发明实施例中，中隔墩衔接圆弧半径越大(即中隔墩墩头圆弧半径越大)，扩散流时内侧/凸岸过流量会越大，但同时应满足收缩流时中隔墩两侧过流量差距小于10％，因此当内侧/凸岸过流面积与外侧/凹岸过流面积比值为1.1时，在保证收缩流分流满足要求的情况下，可最大程度增加内侧/凸岸的过流量。
设流道(此处的流道是指中隔墩两侧的流道)中心线到中隔墩末端的距离为x，则有：
Figure BDA0003779445060000063
可得：
Figure BDA0003779445060000064
又因为
Figure BDA0003779445060000065
Figure BDA0003779445060000066
d2＝R×(1-cosα) (式5)
将(式4)和(式5)代入(式3)中可得：
Figure BDA0003779445060000067
当d2＞x时，即
Figure BDA0003779445060000068
时，此时R＜0，即不存在一个夹角为ε＝α/2的圆弧曲线满足条件。此时将圆弧曲线调整为半圆形，即d2＝x，
Figure BDA0003779445060000069
本发明另一实施例中，通过调整各流道的过流量，使得各流道在收缩流的情况下分流均匀。此时比较a1和b1、a2和b2的大小，取两者中小值作为中间流道和边流道的控制断面宽度。使得
Figure BDA00037794450600000610
由于侧式进/出水口扩散段的顶板扩散角一般仅为3～5°，所以
Figure BDA00037794450600000611
因此收缩流过流量与最小流道宽度成正比，调整后保证了收缩流时中间流道和边流道过流量差值不会超过20％，同时减小了内侧/凸岸侧的中间流道引流量与相邻流道偏差。
某抽水蓄能电站上水库布置1个侧式进/出水口，采用3隔墙4孔流道布置，扩散段宽度为9m，在管道桩号引主0+104.847m处布置了一个平面弯段，弯道圆心角a为30°，中隔墩最小断面宽度A1和A2点作切线延伸至扩散段宽度为0.20m。进/出水口各流道按进流方向从左至右依次编号为①流道、②流道、③流道、④流道，其中①流道为靠弯段内侧/凸岸流道，②、③流道为中间流道，④流道为靠弯段外侧/凹岸流道，通过数值模拟发现：如图7(a)和图7(b)所示，在低水位4台机抽水运行工况下①～④流道的流量分配比依次为0.84∶0.57∶1.30∶1.28；如图8(a)和图8(b)所示，低水位2台机抽水运行工况下①～④流道的流量分配比依次为0.83∶0.59∶1.19∶1.41，流量分配比呈现①、②流道流量分配少；③、④流道流量分配多的情况，且不满足各相邻流道流量分配不大于10％的规范要求。如图9(a)和图9(b)所示，发电工况下4台机①～④流道的流量分配比依次为1.13∶0.86∶0.86∶1.13，呈现两侧对称、中间2、3流道流量偏低的分布。
按照本发明实施例对进/出水口的结构体型进行计算，求得：直线段偏转角θ为15°，由于
Figure BDA0003779445060000071
此时没有满足要求的墩头圆弧曲线，将墩头调整为半圆形，此时
Figure BDA0003779445060000072
验证选取上述两组同流量不同流量运行工况进行数值模拟，4台机抽水运行工况下①～④流道的流量分配比依次为0.84∶0.57∶1.30∶1.28，各流道流量差距较大，最大差值为73％，远超20％。当2台机组运行工况下①～④流道的流量分配比依次为0.83∶0.56∶1.19∶1.42，④流道出现贴壁流现象，各流道流量差距大，且各流道拦污栅断面最大平均流速为1.15m/s，过栅流速较大。通过本发明实施例的调整，各流道在4台机组运行和2台机组运行下，各流道的分流比较均匀，解决了弯道引起的偏流问题以及小流量下的贴壁流问题。抽水工况拦污栅断面最大平均流速为0.94m/s，较原体型有明显的减小，同时发电工况也略有减小。且抽水和发电工况的水头损失均有所降低，水力学指标满足了规程规范要求且适应性强。本发明实施例提供的设计方案改善了进/出水口扩散内相邻流道流量分配比、拦污栅断面流速，减小了因为偏流引起的水头损失。
表1各工况下水力指标统计表
Figure BDA0003779445060000073
Figure BDA0003779445060000081

Claims (8)

1.一种抽水蓄能电站输水系统，包括上游进/出水口、输水管道、下游进/出水口；上游进/出水口、下游进/出水口通过所述输水管道连通，所述输水管道包括与上游进/出水口连通的引水隧洞；所述引水隧洞通过平面转弯段与直线段连通；所述直线段通过扩散段与下游进/出水口连通；所述扩散段包括多个分流墩；其特征在于，所述直线段通过偏转段与平面转弯段连通；所述偏转段的偏转角度θ即平面转弯段弦线与水平线的夹角。
2.根据权利要求1所述的抽水蓄能电站输水系统，其特征在于，所述偏转角度θ＝α/2，α为平面转弯段的圆心角。
3.根据权利要求1所述的抽水蓄能电站输水系统，其特征在于，位于扩散段中部的分流墩的最小断面沿该最小断面切线方向朝扩散段起始位置延伸，延伸后的中部分流墩墩头截面形状为圆弧曲线。
4.根据权利要求3所述的抽水蓄能电站输水系统，其特征在于，当d2≤x时，延伸后的扩散段中部的分流墩墩头圆弧曲线半径
Figure FDA0003779445050000011
圆弧曲线水平长度
Figure FDA0003779445050000012
当d2＞x时，将圆弧曲线调整为半圆形，即d2＝x，半圆形半径
Figure FDA0003779445050000013
其中，d2为圆弧曲线在垂直方向投影长度，x为流道中心线到中隔墩末端的距离，所述中隔墩即扩散段中部的分流墩；D为所述最小断面宽度处两条切线延伸后与扩散段起始位置两个交点之间的距离；α为平面转弯段的圆心角；L为扩散段起始断面的宽度。
5.根据权利要求3所述的抽水蓄能电站输水系统，其特征在于，当β＝0、ε＝90°时，墩头为半圆形；当β＝0、ε＝45°时，墩头为尖圆形；其中，β为中部分流墩的边壁与中心线的夹角，ε为圆弧曲线的切线与中心线的夹角。
6.根据权利要求3所述的抽水蓄能电站输水系统，其特征在于，所述圆弧曲线的切线与中心线的夹角等于所述偏转角度θ。
7.根据权利要求1所述的抽水蓄能电站输水系统，其特征在于，所述中间流道最小断面宽度设置为a1和b1中的最小值，边流道的最小断面宽度设置为a2和b2的最小值，且
Figure FDA0003779445050000014
其中，a1为边流道最小断面宽度，a2为中间流道最小断面宽度，b1为扩散段起始位置边流道宽度，b2为中流道宽度，h1为边墩高度，h2为中间墩高度。
8.根据权利要求1～7之一所述的抽水蓄能电站输水系统，其特征在于，所述分流墩数量为3。
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