引氣管線尾管控制工況的確定

引氣管線尾管控制工況的確定

根據(jù)目前的技術(shù)和經(jīng)濟條件，中國標準要求，尾水處理的最大允許深度為8.0mo柱高度高度（約2m的安全距離）。過大的尾水管真空度會導致尾水管進口處發(fā)生鋼襯失穩(wěn)和水柱分離,使機組不能正常運行甚至要采取工程補救措施。雖然規(guī)范中規(guī)定了尾水管進口真空度的允許值,但并沒有給出尾水管真空的計算工況。隨著西部水電的大力開發(fā),一座座巨型水電站相繼進入了規(guī)劃、設(shè)計和施工建設(shè)階段。這些電站多為地下廠房,具有很長的尾水道,使得尾水管真空很難滿足要求。怎樣擬定尾水管真空度的控制工況,并計算其最大值,往往影響到電站的安全運行、機組安裝高程的確定、流道設(shè)計甚至是整個方案的成立。本文結(jié)合某大型地下水電站四個方案的過渡過程計算,從理論和數(shù)值計算角度闡述了尾水管真空度的計算工況擬定和尾水管最大真空度的計算。1對尾水管道的理論分析和當前形勢的制定1.1尾收井仿真結(jié)果為了改善長尾水道水電站的調(diào)節(jié)保證計算參數(shù),常設(shè)置尾水調(diào)壓室或變頂高尾水洞,其簡圖見圖1和圖2。以調(diào)壓室水位或尾水位為基準面,列出斷面1至斷面2的一維非定常不可壓縮流體的伯努利方程如下:P1γ+Z1+α1v212g=Paγ+Z2+α2v222g+1g∫s0?v?tds+h1?2(1)Ρ1γ+Ζ1+α1v122g=Ρaγ+Ζ2+α2v222g+1g∫0s?v?tds+h1-2(1)式中,P為壓力;γ為水容重;Z為斷面高程;α為動能校正系數(shù);v為斷面平均流速;g為重力加速度;h1-2為斷面1至斷面2的水頭損失,斷面1為尾水管進口斷面,斷面2為下游自由水面斷面,各斷面參數(shù)用下標表示;s為斷面1與斷面2間的軸線長度。由于斷面平均流速v=Q/A,Q為斷面過流量,A為斷面面積。如果忽略閘門井的影響,由連續(xù)性方程得Q1=Q2,記為Q,以相對壓力表示,Pa/γ=0,則式(1)可變?yōu)?Hb=?P1γ=(Z1?Z2)+(α1A21?α2A22)Q22g?h1?2?1g∫s0?v?tds(2)Ηb=-Ρ1γ=(Ζ1-Ζ2)+(α1A12-α2A22)Q22g-h1-2-1g∫0s?v?tds(2)式(2)即為尾水管真空度的表達式。從式中可知,尾水管真空度由三部分組成,第一項為靜力真空,第二項和第三項為動力真空,第四項為慣性水頭。對于一個既定的水電站設(shè)計方案,Z1為定值,則Z2越小,靜力真空也越大;由于尾水管進口斷面1的流速分布遠不如斷面2均勻,所以α1>α2,又A1<A2,水頭損失h1-2對減小尾水管的真空度有利,但其值相對很小,可忽略,因此Q越大,動力真空越大;在機組甩負荷過程中,斷面平均流速隨時間而減小,即?v?t＜0?v?t＜0,因此慣性水頭會增大尾水管真空度。若導葉關(guān)閉時間一定,機組的初始流量越大,流量變化也越大,∣∣?v?t∣∣|?v?t|則越大,尾水管真空度越大。1.2初支機組初始流量q由上述分析可知,尾水管真空度最大值的計算工況是下游尾水位Z2最低,機組初始流量Q最大的工況。在實際計算中,應(yīng)分以下幾種情況擬定計算工況。1.2.1機組流量不能同時達到a.若下游最低尾水位(與Z2最低對應(yīng))、機組額定流量能同時達到,則擬定此條件下機組甩全負荷的工況。b.若下游最低尾水位(與Z2最低對應(yīng))、機組額定流量不能同時達到,由于流量與時間有關(guān),Z2與流量有關(guān),設(shè)存在下述函數(shù)關(guān)系:Q=Q(t),Z2=f1(Q),h1-2=f2(Q),代入式(2),兩邊對時間求導,即可得出尾水管真空度極值發(fā)生的時間,從而求出最大值。由于沒有具體的函數(shù)表達式,無法直接求解,實際只能通過數(shù)值計算對水位、流量等作敏感性分析。1.2.2混合式反應(yīng)器內(nèi)冷機組,混負荷基承載力差時機組設(shè)計方案或者高度隨機組移動正負荷實際機組一機一洞,無符合負荷放若引水發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)存在不同性質(zhì)的波動(如水擊波、重力波或質(zhì)量波)時,必然存在波動疊加現(xiàn)象,從而需要考慮疊加工況。通常疊加工況是在常規(guī)工況擬定的上、下游水位和機組邊界條件的基礎(chǔ)上擬定的。為求尾水管真空度最大值,擬定的疊加工況在波動疊加前必定要使得Z2減小或Q增大,因此分下述兩種情況:a.一機一洞。機組從空載開度增至最大開度,在某一最不利時刻突甩全負荷。b.兩機一洞。同單元滿負荷運行的兩臺機組,一臺突甩或突增全負荷,另一臺在某一最不利時刻突甩全負荷。在既定設(shè)計方案和導葉關(guān)閉規(guī)律下,疊加工況時,調(diào)壓室水位或變頂高尾水洞明流水位均會進一步降低,因此尾水管真空度的最大值必定出現(xiàn)在前一工況的水位Z2達到最低或機組流量Q達到最大時疊加后一工況的情況,而且數(shù)值必定比非疊加工況的大。2計算數(shù)值的理論2.1尾集的擬線性雙曲面偏微分方程對于非棱柱體管道,有壓非恒定流基本方程包括連續(xù)方程和動量方程,兩方程組成一組擬線性雙曲型偏微分方程組,可采用特征線法求解管道內(nèi)點的流量Q和測壓管水頭H,亦即可求出尾水管真空度,參見文獻。2.2調(diào)壓室水體特性分析以一底部無分岔管的阻抗式調(diào)壓室為例,其他形式的調(diào)壓室,如簡單式、差動式及氣墊式等,參見文獻。阻抗式調(diào)壓室邊界共有五個未知數(shù),即調(diào)壓室底部測壓管水頭Hp、上游管道流量Qp1、下游管道流量Qp2、阻抗孔流量QTP及調(diào)壓室水位Z,忽略調(diào)壓室內(nèi)水體慣性和沿程損失,則可通過兩個特征線方程C+、C-及以下三個方程計算得出Z=Hp+Z2?ζQTP|QTP|∑Qp=0Z=Z?Δt+QTP+QTP?Δt2ΔtFΖ=Ηp+Ζ2-ζQΤΡ|QΤΡ|∑Qp=0Ζ=Ζ-Δt+QΤΡ+QΤΡ-Δt2ΔtF其中,Z2為下游水庫水位;ζ為阻抗損失系數(shù);F為調(diào)壓室斷面積;-Δt表示Δt時段前的數(shù)值。2.3明渠非恒流的計算變頂高尾水洞中的流態(tài)比較復雜,明流和滿流交替存在,在數(shù)值計算中采用虛設(shè)狹縫方法便可將這種明滿流的計算轉(zhuǎn)化成明渠非恒定流的計算,參見文獻。3疊加工況敏感性分析某大型水電站有四個對比方案:一機一洞尾水調(diào)壓室方案和變頂高方案、兩機一洞尾水調(diào)壓室方案和變頂高方案,均選取一個水力單元的機組作為研究對象,四個方案均能在最低尾水位時達到額定流量。在選定的導葉關(guān)閉規(guī)律下,機組甩(增)全負荷。常規(guī)工況以一機一洞變頂高方案為例,疊加工況以四個方案為例,對疊加時間進行了敏感性分析,結(jié)果見表1和表2。從表1、表2的計算結(jié)果可知:a.最低尾水位、額定流量甩全負荷時機組的尾水管真空度最大,其他尾水位、機組流量或出力時較小。b.尾水管真空度最大值發(fā)生在疊加工況前一動作下調(diào)壓室水位或尾水洞界面最小值和機組流量最大值之前,相對于調(diào)壓室水位或尾水洞界面最小值,時間間隔最小3.4s,最大6.3s。c.尾水管真空度最大值在疊加工況下的數(shù)值明顯大于常規(guī)工況,最小相差2.16m·水柱,最大相差5.31m·水柱,存在水力干擾時相繼甩全負荷時的真空度最大。因此尾水管真空度在常規(guī)工況下能滿足規(guī)范要求,在疊加工況下極有可能不滿足要求。d.兩機一洞的疊加工況中,以相繼甩負荷工況的尾水管真空度最大。4尾水位及機組流量敏感性分析a.尾水管真空度的控制工況通常是下游最低尾水位、最大引用流量,機組甩全負荷;若下游最低尾水位(與Z2最低對應(yīng))、機組額定流量不能同時達到,必須進行下游尾水位、機組流量的敏感性分析。b.在引水發(fā)電系