抽水蓄能電站進(jìn)出水口水力性能優(yōu)化

高亞楠

(中國(guó)電建集團(tuán) 華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州 311122)

1 概 述

抽水蓄能電站不同于常規(guī)水電站，其進(jìn)水口與出水口合一，呈雙向運(yùn)行，進(jìn)出水口的水力特性較為復(fù)雜，入流時(shí)易產(chǎn)生渦旋、出流時(shí)各通道流速分布和流量分配不均勻。進(jìn)出水口水頭損失的大小直接關(guān)系到電站的經(jīng)濟(jì)效益[1-3]，進(jìn)出水口的水力性能研究一直以來都被設(shè)計(jì)者所關(guān)注。隨著計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的進(jìn)步和計(jì)算機(jī)硬件性能的不斷提高，三維數(shù)值模擬越來越精確，在水電站的設(shè)計(jì)、優(yōu)化中已得到廣泛應(yīng)用，數(shù)值模擬技術(shù)己經(jīng)成為水電站開發(fā)、設(shè)計(jì)及優(yōu)化的有力工具[4-5]。本文采用三維數(shù)值模擬，對(duì)某抽水蓄能電站進(jìn)出水口從流速分布、流量分配、水頭損失等方面進(jìn)行水力性能優(yōu)化及對(duì)比研究，詳細(xì)分析各體型進(jìn)出水口的流速不均勻系數(shù)、孔口流量分配系數(shù)、水頭損失系數(shù)，為類似優(yōu)化設(shè)計(jì)問題提供參考。

2 體型優(yōu)化設(shè)計(jì)

某抽水蓄能電站初步布置為：三洞六機(jī)布置，發(fā)電工況額定單機(jī)流量為57.8 m3/s，抽水工況單機(jī)最小揚(yáng)程抽水流量為48.76 m3/s。上庫進(jìn)出水口采用岸邊側(cè)式，3個(gè)進(jìn)出水口體型相同，平行布置。每個(gè)進(jìn)出水口的防渦梁段長(zhǎng)10 m，共設(shè)5道防渦梁，斷面尺寸為1.0 m×1.5 m，梁間距1.0 m；設(shè)2個(gè)分流墩，將進(jìn)出水口分成3孔，孔口尺寸為5.5 m×9.0 m，分流墩寬度為1.5 m，每孔凈寬5.5 m，分流墩墩頭迎水面為圓弧曲線；擴(kuò)散段長(zhǎng)34.5 m，平面為雙向?qū)ΨQ擴(kuò)散，總擴(kuò)散角24.212°，立面為單向擴(kuò)散，頂板擴(kuò)散角4.965°，起點(diǎn)凈空為3×5.5×9.0 m，末端凈空為4.7×6.0 m，邊墩、底板、分流墩厚均為1.5 m，頂板厚1.0 m，每個(gè)擴(kuò)散段內(nèi)由3個(gè)分流墩分成3個(gè)流道，每個(gè)流道的擴(kuò)散角均小于10°。

若按以上體型設(shè)計(jì)，雖滿足規(guī)范要求并符合推薦設(shè)置范圍，但水流流速分布仍不夠均勻、流場(chǎng)分布不夠平順。針對(duì)這種情況，擬采用三維數(shù)值模擬方法，局部?jī)?yōu)化進(jìn)出水口體型，以工程量調(diào)整少為標(biāo)準(zhǔn)，在局部調(diào)整后，對(duì)比分析哪種優(yōu)化體型的水力性能更優(yōu)。

擬優(yōu)化體型共3種，分別為：①體型一：中孔縮小為5 m；②體型二：中孔分流比由0.32升至0.34，墩尾間距為1.598 m；③體型三：分流墩尾部向上庫移動(dòng)0.5 d=2.35 m。

3 數(shù)值模擬

3.1 控制方程

紊流是黏性流體在一定條件下所產(chǎn)生的一種運(yùn)動(dòng)方式，因而描述黏性流體運(yùn)動(dòng)的Navier—Stokes方程適用于紊流。由于紊流運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，試圖求解整個(gè)流場(chǎng)的全部流動(dòng)細(xì)節(jié)既不經(jīng)濟(jì)也沒有可能，有意義的只是紊流的統(tǒng)計(jì)平均值。按雷諾的時(shí)間平均法簡(jiǎn)要介紹紊流的連續(xù)方程和運(yùn)動(dòng)方程，不可壓縮流體的連續(xù)方程為：

不可壓縮流體的運(yùn)動(dòng)方程為：

計(jì)算選用由Launder Spalding提出的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，是基于求解紊動(dòng)能k和紊動(dòng)擴(kuò)散率ε的輸運(yùn)方程而建立起來的半經(jīng)驗(yàn)的紊流模型。紊動(dòng)能k的輸運(yùn)方程是由精確方程推導(dǎo)得到的，而紊動(dòng)擴(kuò)散率ε的輸運(yùn)方程就存在著一定的近似處理。在推導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的過程中，認(rèn)為紊流是充分發(fā)展的，而且忽略了分子的粘性作用。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的輸運(yùn)方程，紊動(dòng)能k的輸運(yùn)方程：

Gk+Gb-ρε+Sk

(3)

紊動(dòng)擴(kuò)散率ε的輸運(yùn)方程：

3.2 邊界條件

在數(shù)值模擬計(jì)算過程中，各種紊流模型控制方程只有確定了合理的邊界條件，才可能計(jì)算出流場(chǎng)的解。本次計(jì)算采用單向流模擬進(jìn)出水口的雙向流動(dòng)，在正常蓄水位下，設(shè)置發(fā)電工況為速度進(jìn)口、自定義的梯度壓力出口；抽水工況為速度進(jìn)口、水庫斷面自由出流計(jì)算；無滑移壁面設(shè)定相應(yīng)粗糙度；利用k-ε模型減小松弛系數(shù)迭代得到流場(chǎng)。對(duì)于自由液面采用剛蓋假定，設(shè)置對(duì)稱邊界條件近似模擬自由表面平緩、波動(dòng)較小的水面。其它壁面邊界設(shè)為無滑移的固壁邊界條件。

數(shù)值模擬所建立的三維計(jì)算模型見圖1。

圖1 數(shù)模三維模型圖

4 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

根據(jù)建立進(jìn)出水口三維紊流數(shù)學(xué)模型，通過采用有限體積法對(duì)控制方程在非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格上離散，計(jì)算得出各體型的流場(chǎng)分布，并將水力性能優(yōu)化指標(biāo)進(jìn)行量化，對(duì)比分析如下：

4.1 流速不均勻系數(shù)

通過測(cè)定進(jìn)出水口的流速分布，可判斷流速分布的均勻性，流速分布不均勻系數(shù)為斷面最大流速與平均流速的比值，表征斷面流速分布的均勻程度。通常要求攔污柵門槽處流速分布能夠滿足：抽水時(shí)流速分布不均勻系數(shù)不超過1.5，發(fā)電時(shí)流速分布不均勻系數(shù)不超過2.0。

斷面1、2、3分別位于攔污柵邊孔、中孔、邊孔門槽，通過對(duì)比計(jì)算，各體型進(jìn)出水口流速不均勻度見圖2-圖3。

圖2 正常蓄水位發(fā)電工況

圖3 正常蓄水位抽水工況

較之原體型，中孔在體型改進(jìn)下均呈現(xiàn)流速增大現(xiàn)象。其中，體型一改進(jìn)后的中孔平均流速最大，不均勻系數(shù)最小；體型三的中孔平均流速較其余兩個(gè)體型增加最少，但不均勻系數(shù)卻是最大，這與縮短平方段分流墩的墩尾，不能更好引導(dǎo)水流通過收縮段有關(guān)；體型二的中孔平均流速增大幅度在3體型中位于適中位置，不均勻系數(shù)值也在兩者之間。中孔在抽水工況的平均流速最大值也出現(xiàn)在體型一，中孔不均勻系數(shù)最大值亦出現(xiàn)在體型三，體型二的參數(shù)值依舊適中，這與發(fā)電工況趨勢(shì)一致。

4.2 孔口流量分配系數(shù)

分流系數(shù)為某一流道的過流量與平均分流流量之間的比值，分流系數(shù)可表征水流在各孔流道之間分配均勻程度，一般情況下分流系數(shù)處在0.9～1.1之間。斷面1、2、3分別位于攔污柵后擴(kuò)散段中部，分別為邊孔、中孔、邊孔流道斷面。進(jìn)出水口孔口流量分配系數(shù)計(jì)算結(jié)果見圖4-圖5所示，綜合對(duì)比計(jì)算結(jié)果，比較之下體型二各孔道流量最為均勻。

圖4 正常蓄水位發(fā)電工況

圖5 正常蓄水位抽水工況

4.3 水頭損失及水頭損失系數(shù)

進(jìn)出水口水頭損失主要為局部水頭損失，其水頭損失的大小是衡量進(jìn)出水口水流條件優(yōu)劣指標(biāo)。通過計(jì)算，體型二的水頭損失系數(shù)最小，雖然受水流紊動(dòng)影響，擴(kuò)散段近壁局部區(qū)域仍有回流發(fā)生，但和其它體型相比，水流流態(tài)已經(jīng)得到明顯改善。計(jì)算對(duì)比結(jié)果見表1。

表1 水頭損失系數(shù)

5 結(jié) 論

本文采用三維數(shù)值模擬方法優(yōu)化設(shè)計(jì)抽水蓄能電站的進(jìn)出水口體型，分析不同優(yōu)化體型的水力性能，利用流速不均勻度、孔口流量分配、水頭損失等指標(biāo)分析流場(chǎng)，評(píng)估不同體型的水力特性。通過與原體型計(jì)算結(jié)果對(duì)比得出，適當(dāng)加大分流墩尾部的中孔間距可使得流速分布更均勻、水流擴(kuò)散更為平穩(wěn)。在工程設(shè)計(jì)人員對(duì)抽水蓄能進(jìn)出水口初步開展體型設(shè)計(jì)，考慮如何在滿足規(guī)范取值范圍內(nèi)優(yōu)化體型時(shí)，此優(yōu)化設(shè)計(jì)思路及方法可為水電工程設(shè)計(jì)人員遇到類似問題時(shí)提供一些參考。