引气管线尾管控制工况的确定

引气管线尾管控制工况的确定

根据目前的技术和经济条件，中国标准要求，尾水处理的最大允许深度为8.0mo柱高度高度（约2m的安全距离）。过大的尾水管真空度会导致尾水管进口处发生钢衬失稳和水柱分离,使机组不能正常运行甚至要采取工程补救措施。虽然规范中规定了尾水管进口真空度的允许值,但并没有给出尾水管真空的计算工况。随着西部水电的大力开发,一座座巨型水电站相继进入了规划、设计和施工建设阶段。这些电站多为地下厂房,具有很长的尾水道,使得尾水管真空很难满足要求。怎样拟定尾水管真空度的控制工况,并计算其最大值,往往影响到电站的安全运行、机组安装高程的确定、流道设计甚至是整个方案的成立。本文结合某大型地下水电站四个方案的过渡过程计算,从理论和数值计算角度阐述了尾水管真空度的计算工况拟定和尾水管最大真空度的计算。1对尾水管道的理论分析和当前形势的制定1.1尾收井仿真结果为了改善长尾水道水电站的调节保证计算参数,常设置尾水调压室或变顶高尾水洞,其简图见图1和图2。以调压室水位或尾水位为基准面,列出断面1至断面2的一维非定常不可压缩流体的伯努利方程如下: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为压力;γ为水容重;Z为断面高程;α为动能校正系数;v为断面平均流速;g为重力加速度;h1-2为断面1至断面2的水头损失,断面1为尾水管进口断面,断面2为下游自由水面断面,各断面参数用下标表示;s为断面1与断面2间的轴线长度。由于断面平均流速v=Q/A,Q为断面过流量,A为断面面积。如果忽略闸门井的影响,由连续性方程得Q1=Q2,记为Q,以相对压力表示,Pa/γ=0,则式(1)可变为: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)即为尾水管真空度的表达式。从式中可知,尾水管真空度由三部分组成,第一项为静力真空,第二项和第三项为动力真空,第四项为惯性水头。对于一个既定的水电站设计方案,Z1为定值,则Z2越小,静力真空也越大;由于尾水管进口断面1的流速分布远不如断面2均匀,所以α1>α2,又A1<A2,水头损失h1-2对减小尾水管的真空度有利,但其值相对很小,可忽略,因此Q越大,动力真空越大;在机组甩负荷过程中,断面平均流速随时间而减小,即∂v∂t＜0∂v∂t＜0,因此惯性水头会增大尾水管真空度。若导叶关闭时间一定,机组的初始流量越大,流量变化也越大,∣∣∂v∂t∣∣|∂v∂t|则越大,尾水管真空度越大。1.2初支机组初始流量q由上述分析可知,尾水管真空度最大值的计算工况是下游尾水位Z2最低,机组初始流量Q最大的工况。在实际计算中,应分以下几种情况拟定计算工况。1.2.1机组流量不能同时达到a.若下游最低尾水位(与Z2最低对应)、机组额定流量能同时达到,则拟定此条件下机组甩全负荷的工况。b.若下游最低尾水位(与Z2最低对应)、机组额定流量不能同时达到,由于流量与时间有关,Z2与流量有关,设存在下述函数关系:Q=Q(t),Z2=f1(Q),h1-2=f2(Q),代入式(2),两边对时间求导,即可得出尾水管真空度极值发生的时间,从而求出最大值。由于没有具体的函数表达式,无法直接求解,实际只能通过数值计算对水位、流量等作敏感性分析。1.2.2混合式反应器内冷机组,混负荷基承载力差时机组设计方案或者高度随机组移动正负荷实际机组一机一洞,无符合负荷放若引水发电系统内存在不同性质的波动(如水击波、重力波或质量波)时,必然存在波动叠加现象,从而需要考虑叠加工况。通常叠加工况是在常规工况拟定的上、下游水位和机组边界条件的基础上拟定的。为求尾水管真空度最大值,拟定的叠加工况在波动叠加前必定要使得Z2减小或Q增大,因此分下述两种情况:a.一机一洞。机组从空载开度增至最大开度,在某一最不利时刻突甩全负荷。b.两机一洞。同单元满负荷运行的两台机组,一台突甩或突增全负荷,另一台在某一最不利时刻突甩全负荷。在既定设计方案和导叶关闭规律下,叠加工况时,调压室水位或变顶高尾水洞明流水位均会进一步降低,因此尾水管真空度的最大值必定出现在前一工况的水位Z2达到最低或机组流量Q达到最大时叠加后一工况的情况,而且数值必定比非叠加工况的大。2计算数值的理论2.1尾集的拟线性双曲面偏微分方程对于非棱柱体管道,有压非恒定流基本方程包括连续方程和动量方程,两方程组成一组拟线性双曲型偏微分方程组,可采用特征线法求解管道内点的流量Q和测压管水头H,亦即可求出尾水管真空度,参见文献。2.2调压室水体特性分析以一底部无分岔管的阻抗式调压室为例,其他形式的调压室,如简单式、差动式及气垫式等,参见文献。阻抗式调压室边界共有五个未知数,即调压室底部测压管水头Hp、上游管道流量Qp1、下游管道流量Qp2、阻抗孔流量QTP及调压室水位Z,忽略调压室内水体惯性和沿程损失,则可通过两个特征线方程C+、C-及以下三个方程计算得出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为下游水库水位;ζ为阻抗损失系数;F为调压室断面积;-Δt表示Δt时段前的数值。2.3明渠非恒流的计算变顶高尾水洞中的流态比较复杂,明流和满流交替存在,在数值计算中采用虚设狭缝方法便可将这种明满流的计算转化成明渠非恒定流的计算,参见文献。3叠加工况敏感性分析某大型水电站有四个对比方案:一机一洞尾水调压室方案和变顶高方案、两机一洞尾水调压室方案和变顶高方案,均选取一个水力单元的机组作为研究对象,四个方案均能在最低尾水位时达到额定流量。在选定的导叶关闭规律下,机组甩(增)全负荷。常规工况以一机一洞变顶高方案为例,叠加工况以四个方案为例,对叠加时间进行了敏感性分析,结果见表1和表2。从表1、表2的计算结果可知:a.最低尾水位、额定流量甩全负荷时机组的尾水管真空度最大,其他尾水位、机组流量或出力时较小。b.尾水管真空度最大值发生在叠加工况前一动作下调压室水位或尾水洞界面最小值和机组流量最大值之前,相对于调压室水位或尾水洞界面最小值,时间间隔最小3.4s,最大6.3s。c.尾水管真空度最大值在叠加工况下的数值明显大于常规工况,最小相差2.16m·水柱,最大相差5.31m·水柱,存在水力干扰时相继甩全负荷时的真空度最大。因此尾水管真空度在常规工况下能满足规范要求,在叠加工况下极有可能不满足要求。d.两机一洞的叠加工况中,以相继甩负荷工况的尾水管真空度最大。4尾水位及机组流量敏感性分析a.尾水管真空度的控制工况通常是下游最低尾水位、最大引用流量,机组甩全负荷;若下游最低尾水位(与Z2最低对应)、机组额定流量不能同时达到,必须进行下游尾水位、机组流量的敏感性分析。b.在引水发电系