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(jì)條件，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)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(huì)導(dǎo)致尾水管進(jìn)口處發(fā)生鋼襯失穩(wěn)和水柱分離,使機(jī)組不能正常運(yùn)行甚至要采取工程補(bǔ)救措施。雖然規(guī)范中規(guī)定了尾水管進(jìn)口真空度的允許值,但并沒有給出尾水管真空的計(jì)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(jìn)入了規(guī)劃、設(shè)計(jì)和施工建設(shè)階段。這些電站多為地下廠房,具有很長(zhǎng)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(jì)算其最大值,往往影響到電站的安全運(yùn)行、機(jī)組安裝高程的確定、流道設(shè)計(jì)甚至是整個(gè)方案的成立。本文結(jié)合某大型地下水電站四個(gè)方案的過渡過程計(jì)算,從理論和數(shù)值計(jì)算角度闡述了尾水管真空度的計(jì)算工況擬定和尾水管最大真空度的計(jì)算。1對(duì)尾水管道的理論分析和當(dāng)前形勢(shì)的制定1.1尾收井仿真結(jié)果為了改善長(zhǎng)尾水道水電站的調(diào)節(jié)保證計(jì)算參數(shù),常設(shè)置尾水調(diào)壓室或變頂高尾水洞,其簡(jiǎn)圖見圖1和圖2。以調(diào)壓室水位或尾水位為基準(zhǔn)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(dòng)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(jìn)口斷面,斷面2為下游自由水面斷面,各斷面參數(shù)用下標(biāo)表示;s為斷面1與斷面2間的軸線長(zhǎng)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(duì)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(dá)式。從式中可知,尾水管真空度由三部分組成,第一項(xiàng)為靜力真空,第二項(xiàng)和第三項(xiàng)為動(dòng)力真空,第四項(xiàng)為慣性水頭。對(duì)于一個(gè)既定的水電站設(shè)計(jì)方案,Z1為定值,則Z2越小,靜力真空也越大;由于尾水管進(jìn)口斷面1的流速分布遠(yuǎn)不如斷面2均勻,所以α1>α2,又A1<A2,水頭損失h1-2對(duì)減小尾水管的真空度有利,但其值相對(duì)很小,可忽略,因此Q越大,動(dòng)力真空越大;在機(jī)組甩負(fù)荷過程中,斷面平均流速隨時(shí)間而減小,即?v?t＜0?v?t＜0,因此慣性水頭會(huì)增大尾水管真空度。若導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間一定,機(jī)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(jī)組初始流量q由上述分析可知,尾水管真空度最大值的計(jì)算工況是下游尾水位Z2最低,機(jī)組初始流量Q最大的工況。在實(shí)際計(jì)算中,應(yīng)分以下幾種情況擬定計(jì)算工況。1.2.1機(jī)組流量不能同時(shí)達(dá)到a.若下游最低尾水位(與Z2最低對(duì)應(yīng))、機(jī)組額定流量能同時(shí)達(dá)到,則擬定此條件下機(jī)組甩全負(fù)荷的工況。b.若下游最低尾水位(與Z2最低對(duì)應(yīng))、機(jī)組額定流量不能同時(shí)達(dá)到,由于流量與時(shí)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(duì)時(shí)間求導(dǎo),即可得出尾水管真空度極值發(fā)生的時(shí)間,從而求出最大值。由于沒有具體的函數(shù)表達(dá)式,無(wú)法直接求解,實(shí)際只能通過數(shù)值計(jì)算對(duì)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(jī)組,混負(fù)荷基承載力差時(shí)機(jī)組設(shè)計(jì)方案或者高度隨機(jī)組移動(dòng)正負(fù)荷實(shí)際機(jī)組一機(jī)一洞,無(wú)符合負(fù)荷放若引水發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)存在不同性質(zhì)的波動(dòng)(如水擊波、重力波或質(zhì)量波)時(shí),必然存在波動(dòng)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(jī)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(dòng)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(jī)一洞。機(jī)組從空載開度增至最大開度,在某一最不利時(shí)刻突甩全負(fù)荷。b.兩機(jī)一洞。同單元滿負(fù)荷運(yùn)行的兩臺(tái)機(jī)組,一臺(tái)突甩或突增全負(fù)荷,另一臺(tái)在某一最不利時(shí)刻突甩全負(fù)荷。在既定設(shè)計(jì)方案和導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律下,疊加工況時(shí),調(diào)壓室水位或變頂高尾水洞明流水位均會(huì)進(jìn)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(dá)到最低或機(jī)組流量Q達(dá)到最大時(shí)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(jì)算數(shù)值的理論2.1尾集的擬線性雙曲面偏微分方程對(duì)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(dòng)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(diǎn)的流量Q和測(cè)壓管水頭H,亦即可求出尾水管真空度,參見文獻(xiàn)。2.2調(diào)壓室水體特性分析以一底部無(wú)分岔管的阻抗式調(diào)壓室為例,其他形式的調(diào)壓室,如簡(jiǎn)單式、差動(dòng)式及氣墊式等,參見文獻(xiàn)。阻抗式調(diào)壓室邊界共有五個(gè)未知數(shù),即調(diào)壓室底部測(cè)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(gè)特征線方程C+、C-及以下三個(gè)方程計(jì)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(kù)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(shí)段前的數(shù)值。2.3明渠非恒流的計(jì)算變頂高尾水洞中的流態(tài)比較復(fù)雜,明流和滿流交替存在,在數(shù)值計(jì)算中采用虛設(shè)狹縫方法便可將這種明滿流的計(jì)算轉(zhuǎn)化成明渠非恒定流的計(jì)算,參見文獻(xiàn)。3疊加工況敏感性分析某大型水電站有四個(gè)對(duì)比方案:一機(jī)一洞尾水調(diào)壓室方案和變頂高方案、兩機(jī)一洞尾水調(diào)壓室方案和變頂高方案,均選取一個(gè)水力單元的機(jī)組作為研究對(duì)象,四個(gè)方案均能在最低尾水位時(shí)達(dá)到額定流量。在選定的導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律下,機(jī)組甩(增)全負(fù)荷。常規(guī)工況以一機(jī)一洞變頂高方案為例,疊加工況以四個(gè)方案為例,對(duì)疊加時(shí)間進(jìn)行了敏感性分析,結(jié)果見表1和表2。從表1、表2的計(jì)算結(jié)果可知:a.最低尾水位、額定流量甩全負(fù)荷時(shí)機(jī)組的尾水管真空度最大,其他尾水位、機(jī)組流量或出力時(shí)較小。b.尾水管真空度最大值發(fā)生在疊加工況前一動(dòng)作下調(diào)壓室水位或尾水洞界面最小值和機(jī)組流量最大值之前,相對(duì)于調(diào)壓室水位或尾水洞界面最小值,時(shí)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(shí)相繼甩全負(fù)荷時(shí)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(jī)一洞的疊加工況中,以相繼甩負(fù)荷工況的尾水管真空度最大。4尾水位及機(jī)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(jī)組甩全負(fù)荷;若下游最低尾水位(與Z2最低對(duì)應(yīng))、機(jī)組額定流量不能同時(shí)達(dá)到,必須進(jìn)行下游尾水位、機(jī)組流量的敏感性分析。b.在引水發(fā)電系