白鶴灘尾水隧洞明滿流對水電站穩定性的影響

孫洪亮 楊飛 李高會 陳益民 倪紹虎

摘要：白鶴灘水電站單機容量為1 000 MW，規模居世界第二。對于水電站而言，引水發電系統的穩定性尤為重要，而該水電站的尾水隧洞存在著明滿流現象，嚴重影響到了引水發電系統的穩定性。為此，采用特征隱格式下的虛擬狹縫法，分析了尾水隧洞內不同流態對機組穩定性及尾水調壓室水位波動的影響。分析結果表明：當明滿流段流態為明流時，可以加速調壓室水位波動收斂，有利于輸水系統的穩定;當流態為明滿過渡流時，其壓力脈動現象會導致機組調節品質變差，不利于輸水系統的穩定。此外，明滿流段的長度對機組調節品質影響很小，長度的選取不受輸水系統穩定性限制。研究成果可為類似輸水系統設計和研究提供參考。

關 鍵 詞：輸水系統穩定性; 明滿過渡流; 尾水隧洞; 數值模擬; 白鶴灘水電站

白鶴灘水電工程為金沙江下游4個水電梯級中的第二個梯級，水庫總庫容為206.27 億m3。電站采用地下首部開發方式，左、右岸各布置8臺1 000 MW混流式水輪發電機組，總裝機容量為16 000 MW，單機額定流量為547.8 m3/s。引水隧洞采用單洞單機、尾水隧洞采用兩機一洞的布置方式。由于尾水隧洞較長，左、右岸各布置了4座圓筒形尾水調壓室。2～6號尾水隧洞末尾部分洞段由導流洞改建而成，在立面上采用了緩坡段后接陡坡段（銜接段）、然后接平坡段（明滿流段）的布置方式，如圖1所示，總長997.6～1 744.9 m，尾水位較低時存在明滿流現象。

針對變頂高尾水隧洞明滿流小波動方面的研究較多。褚寶鑫和樊紅剛等[1]對三峽水電站變頂高尾水隧洞進行了研究;邵年等[2]對彭水電站變頂高尾水隧洞進行了研究;周建旭和張建等[3]、李修樹和胡鐵松[4]、王建華和李修樹等[5]、薛阿強和黃國兵等[6]，均對變頂高尾水洞小波動問題進行了研究。上述研究結論均認為與有壓隧洞相比，變頂高尾水洞有利于機組穩定，可以代替尾水調壓室[7]。陳剛等[8]對某長明滿流尾水隧洞的小波動穩定性問題進行了分析，程永光和張師華分析了長尾水明渠波動對機組調節參數的影響[9]，然而他們的研究均沒有考慮到明滿流滯氣等現象，只考慮到了明流波動的影響。

白鶴灘水電站尾水隧洞較長且明滿流段為平坡。與變頂高尾水洞不同，平坡明滿流尾水洞存在滯留氣團現象[10]，可能會引起壓力突變，從而影響到機組出力不穩定。有鑒于此，為了保證水電機組的安全穩定運行，本文以該工程6號水力單元為研究對象，采用數值模擬方法，展開了尾水隧洞明滿流對輸水系統穩定性的影響分析。

1 明滿流模擬方法

關于明滿流問題的數值模擬常用算法有激波擬合法[11-12]、剛性水柱法[13]和虛擬狹縫法[14]。其中，虛擬狹縫法最常用，該方法是利用明渠非恒定流和有壓流非恒定物理方程的相似性，假設管道頂部存在一條狹縫，對有壓流和明渠流統一用明渠非恒定流方程（Saint-Venant方程）描述，對于無壓流，計算壓力為洞內水深，對于有壓流則為洞內壓強水頭，從而有效解決了明滿流交界面隨時間變化難以確定的問題。對以上偏微分方程經常采用特征線法和Preissmann四點隱格式差分法求解。以上差分方法在求解明滿流問題時，由于明流和滿流分界處流動波速會發生突變，特征線法受Courant條件限制，有時無法協調有壓流和無壓流時間步長的巨大差異，所以存在一個計算速度與穩定性矛盾問題[15]。為了解決以上問題，練繼建和王俊等提出了變時步特征線法[16]，樊紅剛、 陳乃祥常采用特征隱格式法[17-18]，鈕新強和楊建東等[19]、樹錦和袁健[20]及張宗溥和花玉龍[21]等，通過模型實驗證明了特征隱格式法收斂性較好，計算精度高。特征隱格式法具體描述如下。

3 結果分析

3.1 原布置方案分析

原布置方案：尾水隧洞總長為1 516.28 m，其中明滿流段長為586.18 m，設有尾水調壓室。3種工況下的計算結果分別如表2和圖2所示。從各調節指標和機組轉速變化曲線來看，工況X1的各調節指標比工況X2和X3略差，工況X2和X3機組轉速變化曲線前3個“半波”基本重合，調節品質基本相同。以上對比說明：尾水隧洞明流對機組的穩定性影響很小。而尾水隧洞內發生明滿過度流時對機組的穩定是不利的。但是從各調節指標值來看， 各工況均滿足小波動調節指標的要求，證明原布置方案是合理的。

尾水調壓室水位波動過程對比如圖3所示，尾水隧洞明滿流起點水位（壓力）波動對比如圖4所示。由圖3可以發現，在工況X2下，調壓室水位和尾水隧洞水位（壓力）波動很快收斂，說明尾水隧洞明流對調壓室水位波動穩定是有利的。主要是因為調壓室會對尾水隧洞內的明滿流水力波產生反射作用，尾水調壓室與尾水洞明滿流段之間水力波相互疊加削弱，有利于調壓室水位和尾水隧洞明流波動的快速穩定，所以尾水隧洞明流可以減弱由于調壓室水位振蕩所引起的機組轉速變化尾波段振蕩，有利于機組及整個輸水系統的穩定。

3.2 明滿流段長度影響分析

為了研究小波動調節品質是否對明滿流段長度的選取起到限制性作用，保持尾水隧洞總長度不變，取不同明滿流段的長度L值，分析了工況X1下機組的調節品質。

L=1 186.18，586.18m和186.18 m的計算結果對比如圖5和圖6所示。由圖5可知，明滿流段不同長度時，機組相對轉速過程線前兩個波動基本是重合的，尾波差別也較小，證明明滿流段長度對機組的調節品質幾乎沒有影響，均滿足小波動調節指標要求。

由圖6可知，明滿流段越長，尾水調壓室水位波動振幅越小，說明尾水調壓室與明滿流水位波相互疊加作用越明顯。整體來看，水位波動差異較小，均能收斂。所以小波動調節品質對明滿流段長度的選取不起限制作用。

4 結 論

白鶴灘大型水電工程尾水隧洞部分洞段由導流洞改建而成，尾水位較低時會發生明滿流現象。為此，展開了專項研究，得到以下結論。

（1） 當明滿流段流態為明流時，尾水調壓室與尾水洞明滿流段之間的水力波相互疊加削弱，有利于調壓室水位和尾水隧洞明流波動的快速穩定，對輸水系統穩定是有利的。

（2） 由于明滿流段為平坡段，當流態為明滿過渡流時，會發生壓力脈動現象，進而引起尾水調壓室水位波動的第一個半波局部振蕩，從而導致機組調節品質略差，說明平坡尾水隧洞內發生明滿過渡流時將對機組的穩定調節產生不利的影響。但是整體來看，無論尾水隧洞為明流、有壓流或明滿過渡流，均能滿足小波動調節品質的要求。

（3） 明滿流段的長度對機組的調節品質影響很小，小波動的調節品質對明滿流段長度的選取不起限制作用。

需要說明的是，白鶴灘水電工程尾水系統的布置方案主要是根據線路布置和大波動計算結果而確定的。

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（編輯：趙秋云）