CN116842859A - 一种潮汐电站机组过流概化模拟的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种潮汐电站机组过流概化模拟的方法，属于水利水电工程技术领域，本发明利用MIKE软件，在潮汐电站方案前期研究中能够较为准确的模拟潮汐电站水轮发电机组过流，解决潮汐电站机组过流难以较为准确模拟的问题，并且能够模拟潮汐电站机组前后水流流场等，为水动力分析提供技术依据，同时能够节省物理模型试验耗费的大量人力物力财力、场地、时长的等问题。
Description
技术领域
本发明属于水利水电工程技术领域，具体涉及一种潮汐电站机组过流概化模拟的方法。
背景技术
潮汐能作为一种可再生、无污染的能源，具有资源分布广、开发潜力大、环境影响小、可永续利用的特点，是有利于人与自然和谐发展的能源资源，发展前景广阔。
目前，国内外情况潮汐发电技术已基本成熟，潮汐电站进入商业发展阶段。我国从20世纪50年代中期开始建设潮汐电站，江厦电站是目前中国正常运行的双向发电最大的潮汐电站。
潮汐电站是利用海湾开发潮汐能的一种非常有效的方式，另外潮汐电站建设能够合理控制海湾湾内水位，提升海湾周边城镇防洪排涝标推，进海湾周边综合开发与系统治理，实现人与自然和谐共生。
潮汐电站的建设会造成湾区潮位、潮流的改变，对通航、水质以及生态环境等也有一定的潜在影响。如何能够较为准确的模拟潮汐电站运行过程，对确定潮汐电站调度方案以及分析潮汐电站产生的影响等至关重要。目前，潮汐电站运行研究方法主要是通过开展数学模型计算或物理模型试验。由于潮汐电站一般地处海湾，涉及区域范围较大，物理模型试验需要耗费较多的人力物力财力，且建设周期长，需要一定的场地条件，因此，在前期研究中采用二维数学模型计算更为经济适用。
在利用数学模型计算时，要尽可能准确模拟潮汐电站水轮发电机组过流，这关系着电站调度运行模拟的可靠性以及潮汐电站机组前后的水动力模拟的准确性，而目前的二维数学模型研究中也缺少相关的技术手段。
在mike软件中可通过设置虚拟结构物来控制水流的流通，基于此，本发明设计了一种潮汐电站机组过流概化模拟的方法，以保证能够较为准确的模拟潮汐电站机组过流。
发明内容
(1)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种潮汐电站机组过流概化模拟的方法，具体包括以下步骤：
S1：收集潮汐电站平面设计图与剖面设计图等资料，潮汐电站所在海湾的实测地形资料，潮位资料以及潮汐电站不同运行工况等基础资料；
S2：根据收集到的海湾实测地形资料、潮汐电站布置方案，绘制潮汐电站所在海湾数学模型陆地边界以及拟建潮汐电站建筑物的边界，利用mike软件前处理功能划分三角形网格，生成网格文件；
S3：将实测地形数据制作成软件所需的文件格式，然后将其导入网格文件，并对地形数据插值生成海湾地形网格文件；根据潮汐电站布置方案，在网格文件中设置潮汐电站各枢纽部分的高程；
S4：根据收集到的潮位资料，通过水文分析计算，结合工程特点，设置模型上、下游边界条件；
S5：根据海湾水深及相关手册，确定海湾的糙率、涡粘系数等参数取值；对取值随时间或空间变化的参系数制作相关参数文件；
S6：将生成的网格、相关参数文件导入模型计算文件中，并合理设置初始条件及各项参系数，在模型计算文件中Structures项增加虚拟结构物Culverts(涵洞)用来模拟潮汐电站机组过流管道，增加虚拟结构物Gates(闸门)用来控制潮汐电站机组运行和关闭；
S7：利用虚拟结构物涵洞模拟潮汐电站机组过流管道，涵洞坐标即为拟建潮汐电站发电机组管道中心线两端坐标，根据机组管道样式选择涵洞的几何形状(包括圆形、方形和特殊形状)并设置尺寸；根据机组管道位置设置上游底标高、下游底标高、涵洞长度、涵洞内部糙率、涵洞个数等参数；涵洞过流情况设置为正向流和逆向流均可发生的无限制情况、涵洞断面类型选择为封闭断面；根据涵洞类型设置涵洞正向流和逆向流水头损失系数；
S8：潮汐电站机组过流管道前端设置虚拟结构物闸门，控制电站机组的的开关；在潮汐电站机组上下游设置潮位监测点W1和W2，电站最小发电水头差为h，根据监测点的水位差控制潮汐电站机组的开关；
具体地，为方便模型自动控制，设置当W1和W2水位差h1大于(h+0.01m)时，电站机组发电，此时虚拟结构物闸门打开，机组过流；设置当W1和W2水位差h2小于(h-0.01m)时，电站机组不发电，虚拟结构物闸门关闭，机组不过流；设置完成后启动计算，可得到潮汐电站运行时机组管道的过流情况。
(2)有益效果
本发明的有益效果：本发明利用MIKE软件，在潮汐电站方案前期研究中能够较为准确的模拟潮汐电站机组过流，解决潮汐电站机组过流难以较为准确模拟的问题，并且能够模拟潮汐电站机组前后水流流场，为水动力分析提供技术依据，同时能够节省物理模型试验耗费的大量人力物力财力、场地、时长的等问题。
附图说明
图1为潮汐电站所在海湾二维数学模型网格划分；
图2为潮汐电站网格示意图；
图3为虚拟结构物涵洞、闸门以及潮位监测点位置示意图；
图4为潮汐电站所在海湾数学模型地形；
图5为计算文件虚拟结构物涵洞设置；
图6为计算文件虚拟结构物闸门设置；
图7潮汐电站机组过流时水动力流场；
图8潮汐电站机组1部分时段过流量。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明实施例中的技术方案进行进一步清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例一
本发明提供一种潮汐电站机组过流概化模拟的方法，计算某一潮汐电站发电机组过流能力。具体地，本实施案例以某一拟建潮汐电站为例进行说明，该潮汐电站设置有船闸、过流闸以及电站机组等。
第一步，收集潮汐电站平面设计图与剖面设计图等资料，潮汐电站所在海湾的实测地形资料，潮位资料以及潮汐电站不同运行工况等基础资料；根据收集到的海湾实测地形资料、潮汐电站布置方案，利用mike软件建立二维水动力数学模型，绘制潮汐电站所在海湾数学模型陆地边界以及拟建潮汐电站建筑物的边界，利用软件前处理功能进行网格划分，生成网格文件，如图1所示，潮汐电站的船闸、过流闸以及电站机组划分如图2所示；
第二步：将实测地形数据制作成软件所需的文件格式，然后将其导入网格文件，并对地形数据插值生成海湾地形网格文件；根据潮汐电站布置方案，在网格文件中设置潮汐电站各部分高程，如图3所示；
第三步：根据收集到的潮位资料，通过水文分析计算，结合工程特点，设置模型上、下游边界条件，本实例中模型上边界为海湾周边入海河流枯水期平均径流量，下边界为一小潮潮位过程；
第四步：根据海湾水深及相关手册，确定海湾的糙率、涡粘系数等参数取值；对取值随时间或空间变化的参系数制作相关参数文件；
第五步：将生成的网格、相关参数文件导入模型计算文件中，并合理设置初始条件及各项参系数，在模型计算文件中Structures项增加虚拟结构物Culverts(涵洞)用来模拟潮汐电站机组过流管道，增加虚拟结构物Gates(闸门)用来控制潮汐电站机组运行和关闭，如图4所示；
第六步：利用虚拟结构物涵洞模拟潮汐电站机组过流管道，涵洞坐标即为拟建潮汐电站发电机组管道中心线两端坐标，根据机组管道样式选择涵洞的几何形状为圆形并根据最小过流断面设置直径尺寸7m；根据机组管道位置设置根据上游底标高-10m、下游底标高-10m、涵洞长度20m、涵洞内部糙率0.013s/m1/3、涵洞个数1；涵洞过流情况设置为正向流和逆向流均可发生的无限制情况(none)、涵洞断面类型选择为封闭断面(Closed)；根据涵洞类型设置涵洞正向流和逆向流水头损失系数设为默认，如图5所示；
第七步：潮汐电站机组过流管道前端设置虚拟结构物闸门，控制电站机组的的开、关，在潮汐电站机组上下游设置潮位监测点W1和W2，如图4所示。本实例中潮汐电站最小发电水头差为1.5m，根据监测点的水位差控制潮汐电站机组的开关。具体地，为方面模型自动控制，设置当W1和W2水位差h1大于1.51m时，电站机组发电，虚拟结构物闸门打开，机组过流；设置当W1和W2水位差h2小于1.49m时，电站机组不发电，虚拟结构物闸门关闭，机组不过流。机组1具体控制方式见图6，其余机组设置方法相同。设置完成后启动计算，可得到潮汐电站运行时机组管道的过流情况。模拟计算发电时电站机组水动力流场如图7所示，部分时段机组1过流能力如图8所示，图中流量为0的时段内电站内湾水头差小于1.5m。
以上所述实施例仅表达了本发明的优选实施方式，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、改进及替代，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 (1)
1.一种潮汐电站机组过流概化模拟的方法，其特征是，具体包括以下步骤：
S1：收集潮汐电站平面设计图与剖面设计图等资料，潮汐电站所在海湾的实测地形资料，潮位资料以及潮汐电站不同运行工况等基础资料；
S2：根据收集到的海湾实测地形资料、潮汐电站布置方案，绘制潮汐电站所在海湾数学模型陆地边界以及拟建潮汐电站建筑物的边界，利用mike软件前处理功能划分三角形网格，生成网格文件；
S3：将实测地形数据制作成软件所需的文件格式，然后将其导入网格文件，并对地形数据插值生成海湾地形网格文件；根据潮汐电站布置方案，在网格文件中设置潮汐电站各枢纽部分的高程；
S4：根据收集到的潮位资料，通过水文分析计算，结合工程特点，设置模型上、下游边界条件；
S5：根据海湾水深及相关手册，确定海湾的糙率、涡粘系数等参数取值；对取值随时间或空间变化的参系数制作相关参数文件；
S6：将生成的网格、相关参数文件导入模型计算文件中，并合理设置初始条件及各项参系数，在模型计算文件中Structures项增加虚拟结构物Culverts用来模拟潮汐电站机组过流管道，增加虚拟结构物Gates用来控制潮汐电站机组运行和关闭；
S7：利用虚拟结构物涵洞模拟潮汐电站机组过流管道，涵洞坐标即为拟建潮汐电站发电机组管道中心线两端坐标，根据机组管道样式选择涵洞的几何形状并设置尺寸；根据机组管道位置设置上游底标高、下游底标高、涵洞长度、涵洞内部糙率、涵洞个数等参数；涵洞过流情况设置为正向流和逆向流均可发生的无限制情况、涵洞断面类型选择为封闭断面；根据涵洞类型设置涵洞正向流和逆向流水头损失系数；
S8：潮汐电站机组过流管道前端设置虚拟结构物闸门，控制电站机组的开关，在潮汐电站机组上下游设置潮位监测点W1和W2，电站最小发电水头差为h，根据监测点的水位差控制潮汐电站机组的开关，为方便模型自动控制，设置当W1和W2水位差h1大于(h+0.01m)时，电站机组发电，此时虚拟结构物闸门打开，机组过流；设置当W1和W2水位差h2小于(h-0.01m)时，电站机组不发电，虚拟结构物闸门关闭，机组不过流；设置完成后启动计算，可得到潮汐电站运行时机组管道的过流情况。
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