基于CFD技術(shù)—避免機(jī)組功率振蕩的明渠消能坎水力設(shè)計(jì)

魏加達(dá)，程遠(yuǎn)楚，郭欣然，羅倚天，張雨晗

（1.武漢大學(xué)水力機(jī)械過(guò)渡過(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430072；2.武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院，武漢430072）

0 引 言

某電站裝機(jī)容量為4×200 MW，尾水系統(tǒng)采用明渠流道，其中3、4 號(hào)機(jī)組共用一尾水出口，雙機(jī)帶負(fù)荷后出現(xiàn)有功功率波動(dòng)問(wèn)題，功率振蕩幅值達(dá)7.5 MW，振蕩周期約為18 s，與西南電網(wǎng)異步聯(lián)網(wǎng)后可能出現(xiàn)發(fā)散的全網(wǎng)頻率振蕩的特征頻率0.06 Hz 非常接近，對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行影響極大，需盡快加以解決。近年來(lái)，南方電網(wǎng)曾出現(xiàn)超低頻振蕩事件，其與水電站的特性和水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)特性有密切關(guān)系［1］。現(xiàn)有研究表明：超低頻振蕩現(xiàn)象通常與調(diào)速系統(tǒng)控制參數(shù)、勵(lì)磁系統(tǒng)有關(guān)，少數(shù)與水力作用相關(guān)［2-5］。文獻(xiàn)［6］介紹了引水系統(tǒng)水力不穩(wěn)定流引起的機(jī)組功率振蕩現(xiàn)象。為找出該電站超低頻功率振蕩的原因，開(kāi)展了大量的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試工作。測(cè)試表明，該電站有功功率波動(dòng)問(wèn)題與勵(lì)磁系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)無(wú)關(guān)。通過(guò)大量的試驗(yàn)與歷史運(yùn)行資料分析，該電站只在有特定的下游水位時(shí)（1 401.6～1 405.2 m）才出現(xiàn)功率振蕩現(xiàn)象，當(dāng)下游水位低于1 401.6 m 或高于1 405.2 m 時(shí)，振蕩消失。因此，確定其功率振蕩現(xiàn)象與電站尾水系統(tǒng)密切相關(guān)。本文分析了機(jī)組功率振蕩現(xiàn)象，提出了解決措施；詳細(xì)討論了避免機(jī)組功率振蕩的消能坎水力設(shè)計(jì)，并給出了最終的工程實(shí)施效果。

1 功率振蕩現(xiàn)象與解決措施

該電站尾水系統(tǒng)流道如圖1所示。

其中，a 段為有壓流，分別由3、4 號(hào)機(jī)組尾水管至明渠入口處，3、4號(hào)機(jī)組尾水閘門(mén)處于有壓流的末端；b段為為明渠流，3、4 號(hào)機(jī)組尾水明渠分別流至分岔處交匯，匯流后再由尾水主渠流至下游河道。

雙機(jī)滿負(fù)荷時(shí)，測(cè)得的有功功率波動(dòng)與尾水閘門(mén)水位波動(dòng)如圖2所示。

由圖2知，兩臺(tái)機(jī)組的有功功率波動(dòng)與尾水閘門(mén)處水位波動(dòng)的周期相近，兩者呈反相狀態(tài)。機(jī)組功率與有效工作水頭成正比，當(dāng)閘門(mén)處水位高時(shí)，工作水頭小，機(jī)組功率小；反之，亦成立。這說(shuō)明機(jī)組功率波動(dòng)是因?yàn)槲菜徊▌?dòng)引起的。

為研究相應(yīng)的解決措施，采用水力阻抗法對(duì)尾水系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，計(jì)算得到的尾水閘門(mén)處水位變化結(jié)果如圖3所示。

圖3（a）為模擬出的與電站實(shí)際類(lèi)似的功率振蕩現(xiàn)象，其振蕩周期為14 s；圖3（b）為增加尾水閘門(mén)后明渠岔管局部阻尼后的系統(tǒng)仿真結(jié)果，由圖知增加阻尼后尾水閘門(mén)處的水位波動(dòng)現(xiàn)象已消失。這說(shuō)明：增加機(jī)組尾水明渠流道的水頭損失可消除機(jī)組在穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下的有功功率波動(dòng)問(wèn)題。在本例中，增加的水頭損失約為0.1 m。

考慮到工程實(shí)施的經(jīng)濟(jì)性與便捷性要求，具體解決措施擬在電站尾水明渠流道增設(shè)一道消能坎。

2 方案設(shè)計(jì)

如何進(jìn)行消能坎設(shè)計(jì)，目前對(duì)于明渠流計(jì)算尚無(wú)成熟計(jì)算與設(shè)計(jì)方法，通常進(jìn)行模型試驗(yàn)來(lái)確定消能坎的幾何參數(shù)。考慮到工程實(shí)施的緊迫性和經(jīng)濟(jì)性，擬采用數(shù)值模擬的方法取代模型試驗(yàn)來(lái)完成消能坎的水力設(shè)計(jì)。消能坎的作用在于將急流變成緩流，抬高水位以造成局部水頭損失，查閱參考文獻(xiàn)［7］，擬采用斜坡式進(jìn)口，設(shè)為30°，為增強(qiáng)消能坎對(duì)反向水擊波的抑制作用，需加大出口坡度，設(shè)為60°。初步選擇不同坎的高度分別為1、2 m，坎的形狀及平面尺寸如圖4所示。

3 數(shù)值計(jì)算

基于數(shù)值模擬技術(shù)，進(jìn)行明渠流動(dòng)仿真計(jì)算，以驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的消能坎能有效增大所需水頭損失，為具體工程實(shí)施提供設(shè)計(jì)依據(jù)。數(shù)值模擬計(jì)算的主要步驟包括前處理、求解器求解、后處理。前處理工作主要就是對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，本文采用ICEM CFD進(jìn)行網(wǎng)格劃分。選擇Fluent作為求解器，由于涉及自由水面的計(jì)算和調(diào)整，屬氣液兩相流，在計(jì)算中選擇分離式壓力修正法作為流場(chǎng)的數(shù)值求解方法。為了提高計(jì)算效率，采用欠松弛方法加速程序的迭代速度和收斂速度，以殘差和質(zhì)量守恒作為判斷收斂的依據(jù)。最后利用Fluent自帶的后處理功能對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。

3.1 網(wǎng)格劃分

選定整個(gè)模型作為計(jì)算區(qū)域，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，綜合考慮計(jì)算區(qū)域邊界的規(guī)則性、網(wǎng)格的質(zhì)量以及計(jì)算收斂等因素，整個(gè)計(jì)算區(qū)域都劃分六面體網(wǎng)格。由于消能坎安裝處的水流狀況復(fù)雜，可能出現(xiàn)較強(qiáng)紊動(dòng)，故在該處局部對(duì)網(wǎng)格實(shí)行加密，以提高計(jì)算精度。劃分疏密程度不同的網(wǎng)格，經(jīng)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，最終選用計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格總數(shù)約為45 萬(wàn)，如圖5（a）所示，局部加密網(wǎng)格如圖5（b）所示，網(wǎng)格質(zhì)量整體在0.65 以上，可以滿足計(jì)算收斂要求。

3.2 模型邊界條件

（1）入流邊界。電站尾水明渠底面高程為1 393.2 m，雙機(jī)帶負(fù)荷產(chǎn)生功率振蕩時(shí)，水面高程為1 403.2 m，故自由水面高度為10m。計(jì)算涉及氣液兩相流，自由水面以下為液相，設(shè)為速度入口；自由水面以上氣相，設(shè)為壓力入口。

速度入口入流流量Q=333.72 m3/s，以此得出模型入口平均流速V=Q/A；選擇標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型與VOF 多相流模型，在速度進(jìn)口條件中選擇湍動(dòng)能k和紊流耗散率ε。故入流邊界采用以下公式計(jì)算：

湍動(dòng)能k：

式中：I為湍流強(qiáng)度，表示以水力直徑計(jì)算得到的雷諾數(shù)。

紊流耗散率ε：

式中：Cμ為常數(shù)；l為湍流尺度，l=0.07D，D為管道入口直徑。

壓力入口選定多相流，設(shè)置自由水面高度為10 m，為加快計(jì)算收斂，給定與液相相同初速度V。

（2）出流邊界。電站尾水出口為明渠出口，出流邊界定為明渠邊界，出口邊界條件設(shè)置為壓力出口，如上所述自由水面高度為10 m。

（3）壁面邊界。根據(jù)電站實(shí)際，設(shè)置壁面粗糙常數(shù)為0.014，壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，定義為無(wú)滑動(dòng)邊界條件：

式中：n為壁面法線方向。

3.3 結(jié)果分析

待計(jì)算收斂讀取仿真結(jié)果，得到3 種模型壓強(qiáng)分布如圖6所示。讀取明渠入口與出口橫截面底部壓強(qiáng)均值，出入口差值即為水力損失，最終得到如下仿真結(jié)果：當(dāng)明渠流道內(nèi)未加坎時(shí)水頭損失為1 749.50 Pa；當(dāng)明渠流道內(nèi)所加坎高為1 m 時(shí)，水頭損失為2 402.68 Pa；當(dāng)明渠流道內(nèi)所加坎高為2 m 時(shí)，水頭損失為4 193.43 Pa。經(jīng)計(jì)算，設(shè)置1 m 消能坎時(shí)，增加的水力損失為653.18 Pa，折合水頭損失為0.066 6 m；設(shè)置為2 m 消能坎時(shí)，增加的水力損失為1 790.75 Pa，折合水頭損失為0.182 5 m。考慮到三維仿真中存在的誤差，結(jié)合水力阻抗法得出的結(jié)論，初步認(rèn)為，在尾水明渠流道增設(shè)2 m 消能坎便可有效解決功率波動(dòng)問(wèn)題。

4 工程實(shí)施與效果

參考上述消能坎設(shè)計(jì)及數(shù)值計(jì)算結(jié)果，電站在尾水明渠流道加裝金屬消能坎，進(jìn)行了3、4 號(hào)機(jī)組各種變負(fù)荷工況下的工程試驗(yàn)，消能坎安裝位置見(jiàn)上述圖1擬安裝消能坎處所示。

為盡量降低增加尾水流道水頭損失對(duì)電站效益帶來(lái)的影響，優(yōu)先考慮安裝1 m消能坎進(jìn)行試驗(yàn)。各試驗(yàn)結(jié)果表明：安裝1 m 消能坎后，雙機(jī)滿負(fù)荷波動(dòng)時(shí)，其中一臺(tái)機(jī)組或兩臺(tái)機(jī)組同時(shí)減負(fù)荷波動(dòng)將衰減消失，但此時(shí)其中一臺(tái)機(jī)組若有微小的負(fù)荷增加，將打破平衡重新產(chǎn)生波動(dòng)。安裝1 m消能坎后，雙機(jī)波動(dòng)波形圖如圖7所示。

由圖7知，增設(shè)1 m 消能坎后，波動(dòng)幅值降低約為4.6 MW，周期基本不變?yōu)?7 s。綜上所述，安裝1 m 消能坎對(duì)于功率波動(dòng)有抑制作用，但不可完全消除，且機(jī)組處于臨界波動(dòng)敏感狀態(tài)。

增設(shè)2 m消能坎后，機(jī)組實(shí)際運(yùn)行圖如圖8所示。

由圖8知，增設(shè)2 m 消能坎后，一臺(tái)機(jī)組滿負(fù)荷，另一臺(tái)機(jī)組作升降負(fù)荷變化時(shí)，有功功率變化曲線均較為平滑，雙機(jī)均不存在功率波動(dòng)現(xiàn)象。以上工程試驗(yàn)結(jié)果表明，增設(shè)2 m 消能坎有效解決了功率波動(dòng)問(wèn)題。

5 結(jié) 論

本文模擬出了與電站實(shí)際相類(lèi)似的水位波動(dòng)現(xiàn)象，并提出了在尾水系統(tǒng)明渠流道增設(shè)消能坎來(lái)消除機(jī)組功率振蕩的方法。采用CFD 技術(shù)完成了消能坎的水力設(shè)計(jì)，并應(yīng)用于工程實(shí)際中，成功地解決了某電站有功功率振蕩問(wèn)題。說(shuō)明了在解決工程實(shí)際問(wèn)題時(shí)可采用數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行工程措施的比較、選擇與設(shè)計(jì)，所述方法較模型試驗(yàn)具有操作易、成本低、所需時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，為類(lèi)似問(wèn)題分析處理提供一種新的思路。 □