不同運行工況下電站豎井式進出口水力特性分析

高 平

(江西省建洪工程監理咨詢有限公司，江西 南昌 330000)

豎井常用于水力水電工程中取水、引水、補氣、通排風、溜渣，同時在礦山、隧道等工程施工中也較為常見，具有占地面積小、施工干擾小、安全風險系數高等特點[1- 3]。隨著能源結構改革以及電力系統的調整，對電網調峰容量的要求原來越高，而抽水蓄能電站正好具有調峰填谷、調頻調相、事故備用等各項關鍵功能，因此，在近年來抽水蓄能電站得到大力發展[4- 9]。

進出口作為抽水蓄能電站的主要結構之一，其水力特性的優劣關系著電站運行的安全與效益，通常情況下[10- 11]，抽水蓄能電站的進出口采用豎井式。張一鳴等對沂蒙抽水蓄能電站豎井式進/出水口蓋板的受力狀態進行了有限元分析，并計算得出了安全的配筋方式[12]；趙瑞存等對抽水蓄能電站同發同抽運行方式下的進出口水力特性進行了分析，認為在此運行條件下不利于機組的冷卻降溫[13]；張翰等通過數值模擬分析，得到了不同網格尺度下水頭損失系數和流速的變化特征[14]；崔溦等則對抽水工況下底板附近反向流速問題進行了研究，從水平方向擴散程度、垂直方向擴散程度及進水口流速等3種方向分析了對流速的影響[15]。

不同運行方式下豎井進出口的水力特性差別較大，對于電站的穩定運行具有重要影響，本文在前人研究理論和經驗基礎上，開展了抽水工況、發電工況以及組合工況等3種不同工況下的豎井進出口水力特性進行了數值模擬分析，可為抽水蓄能電站的運行管理提供借鑒。

1 模型建立

1.1 工程背景

某抽水蓄能電站裝機容量為4×300MW，采用立軸單級混流可逆式水輪機進行發電，額定發電水頭為442m，主要建筑物包括上、下水庫，引水系統，尾水系統以及地下廠房系統等組成。上水庫采用豎井式進出水口(共2個)，每個進出水口又分為8個孔口，進出水口主要由攔污柵段、擴散段、直管段以及彎管段組成，原設計方案彎道為90。，為改善相關水力特性，將彎道做調整，即將等直徑彎道優化為漸縮彎道，并在彎道和隧洞之間增設一段漸變段，優化前后進出水口布置方案如圖1所示。電站運行正常蓄水位為1595m，死水位為1555m，發電工況下單機流量為75.02m3/s，抽水工況下單機流量為66.5m3/s。

1.2 數值模型

利用有限元軟件建立數值分析模型，并采用無網格法中的有限點法(FPM)進行模型的求解計算，見圖2。數值模型計算區域包括進出水口向上游延伸200m，下游至庫尾、攔污柵段、擴散段、直管段、彎道段以及20倍洞徑長的引水隧洞(20×5.8=116m)；抽水工況時，以隧洞斷面末端為進流邊界(按流量設定進流的流速)，以上水庫200m處為出流邊界(按水位設定靜水壓強)，所有固壁均為

圖1 豎井式進出水口布置示意

無滑移條件；發電工況時與抽水工況時相反，即隧洞末端為出流邊界(按水位設定靜水壓強)，上水庫200m處為進流邊界(按流量設定進流的流速)，且所有固壁也為無滑移條件。在不同工況下計算區域內的粒子總數均設定為100萬。

圖2 FPM數值模型

1.3 工況設置

根據進出水口設置情況，共進行3種情況下的水力特性分析，即抽水工況(1#和2#進出水口均進流，流量均為66.5m3/s)、發電工況(1#和2#進出水口均出流，流量均為75.02m3/s)、組合工況(1#進出水口進流，進行抽水工作，流量66.5m3/s，2#進出水口出流，進行發電工作，流量75.02m3/s)，文中分析時均以1#進出水口為例，工況設置情況見表1。

2 模擬結果分析

2.1 水頭損失

水頭損失反應了進出水口在不同工況下所產生

表1 工況參數

圖3 優化前后水頭損失對比

的壓頭損失大小，一方面可以說明進出水口布置方式的合理性，另一方面可直接反應不同工況下的工作效率。對進出水口的水頭損失系數進行了計算分析，結果如圖3所示。從圖3中可以看到：優化前，進出水口的在抽水、發電以及組合工況下的水頭損失系數分別為0.585、0.502、0.581，優化后的水頭損失系數分別為0.575、0.419、0.495，較優化前分別降低約1.7%、16.5%、14.8%，這說明優化體型對發電工況和組合工況的影響較大；雖然漸縮彎道和漸變段增加了局部水頭損失，使得該段優化后的水頭損失有所增大，但是由于彎管段和漸變段對水流起到的調整作用，使得直管段以上的水頭損失相較于優化前有所降低，因此，從整體上來講，優化后的水頭損失小于優化前的水頭損失。

2.2 流速分布

對抽水工況和發電工況下的進出口攔污柵斷面(8個孔口)進行了流速分析，結果如圖4所示。從圖4中可以看到：抽水工況下，攔污柵斷面不同孔口的流速分布較廣，最大流速均出現在距底板距離2.5～3.0m處，發電工況下，攔污柵斷面不同孔口的流速分布較窄，最大流速出現在距底板距離約0.5m處，抽水工況下的最大流速大于發電工況下的最大流速；抽水工況下，出現了反向流速區，發電工況下，未出現反向流速區，在優化前，反向流速區的高度為1.5m，優化后，反向流速區的高度下降為0.9m左右，這是因為漸縮彎道和漸變段對彎道內的水流進行了有效調整，相較于等直徑彎道型式，可以有效降低攔污柵斷面的反向流速高度，降低水頭損失；抽水工況下，優化前攔污柵各孔口的平均流速為0.40～0.8m3/s，優化后的平均流速為0.51～0.66m3/s，表明優化后的孔口流速更加均勻，在發電工況下，攔污柵各孔口優化前后的平均流速相差較小，優化前為0.49～0.56m3/s，優化后為0.53～0.56m3/s，表明體型優化對于發電工況下攔污柵斷面的流速分布影響較小，對于抽水工況影響較大。

2.3 流量分配

不同工況下豎井進出口各孔口優化前后的流量分配情況如圖5所示。從圖5中可以看到：在抽水工況下，優化前攔污柵各孔口的流量分配占比范圍

圖4 流速分布模擬結果

為10.31%～14.61%，優化后的各孔口流量分配占比為10.71%～13.82%，各孔口的理論流量分配占比應為100%/8=12.5%，因此，在抽水工況下，攔污柵孔口的流量分配更加均勻，表明在抽水工況下漸縮彎道和漸變段對于流量的分配具有一定的調節作用。在發電工況下，優化前后的流量分配占比范圍分別為11.52%～13.33%和11.74%～13.29%，表明體型優化對于發電工況下的流量分配影響甚微；在組合工況下，優化前后的流量分配占比范圍分別為10.68%～13.96%和12.24%～12.86%，可見，在組合工況下，優化后的豎井進出口的流量分配最接近理論理想流量分配情況，漸縮斷和漸變段發揮了最大功效。

圖5 優化前后流量分配情況

3 結語

采用數值分析方式，對優化前后豎井進出口在不同工況下的水力特性進行了分析，得出如下結論：

(1)優化后的豎井進出口相較于優化前的水頭損失更小，在抽水、發電以及組合工況下的損失分別降低1.7%、16.5%和14.8%。

(2)優化后的平均流速更加均勻，體型優化對發電工況下攔污柵斷面的流速分布影響較小，對于抽水工況影響較大。

(3)體型優化后的流量分配更加均勻，體型優化對于抽水和組合工況的流量分配優化效果較好，對發電工況的優化效果一般。

以上分析，僅對豎井進出口水力特性而言，對整個電站運行效果的綜合影響還需做進一步探討。綜上，認為體型優化對于不同工況下豎井式進出口的水力特性有明顯改善，可在類似工程中合理應用。