抽水蓄能電站進(jìn)出水口分流墩不同布置形式的水頭損失分析

金津麗 呂勛博

【摘要】抽水蓄能是提高供電質(zhì)量及提高電力系統(tǒng)本身經(jīng)濟(jì)性最經(jīng)濟(jì)和運用最方便的手段。抽水蓄能電站進(jìn)出水口的水力特性比較復(fù)雜，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。針對工程中采用較多的側(cè)式進(jìn)出水口擴(kuò)散段分流墩布置形式進(jìn)行了數(shù)值模擬進(jìn)研究，研究結(jié)果可為進(jìn)出水口分流墩布置的優(yōu)化設(shè)計提供參考依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】抽水蓄能電站；進(jìn)出水口；分流墩；水頭損失

1、引言

抽水蓄能電站的進(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，因此，進(jìn)出水口水力特性的研究一直以來都得到設(shè)計者和研究人員的重視。分流墩的布置是否得當(dāng)是影響進(jìn)出水口阻力系數(shù)大小的關(guān)鍵，分流墩可調(diào)整擴(kuò)散段內(nèi)平面流速分布，調(diào)整各孔道流量使之盡可能均勻分配。在分流墩的布置形上已建和待建電站主要有兩種方式兩墩三孔道式和三墩四孔道式。

2、分流墩布置

本次模擬研究抽水蓄能電站的進(jìn)出水口擴(kuò)散段分流墩分別采用凸形、平齊、凹形布置，這三種布置中，在中邊墩共同起作用的斷面（a-a、b-b、c-c），中孔與邊孔寬度比依次為0.6297、0.6983、0.7858（見圖1）。

3、數(shù)學(xué)模型建立

3.1 數(shù)學(xué)模型建立

采用比尺為1：60的抽水蓄能電站上庫進(jìn)/出水口模型進(jìn)行數(shù)值模擬，模型呈對稱布置。為了避免計算邊界對計算結(jié)果準(zhǔn)確性的影響，對進(jìn)/出水口前的上水庫作了適當(dāng)?shù)难娱L，引水管道也作了延伸，使管道長度滿足大于20倍的管徑。進(jìn)/出水口擴(kuò)散段是研究的主要對象，流態(tài)較復(fù)雜，對此段網(wǎng)格加密，采用的是四面體和鍥形體混合網(wǎng)格，共剖分42萬網(wǎng)格。庫區(qū)水流對進(jìn)/出水口內(nèi)部流態(tài)的影響較小且水流較平穩(wěn)，采用六面體網(wǎng)格剖分，網(wǎng)格尺寸較進(jìn)/出水口擴(kuò)散段大。水流入口采用速度進(jìn)口，給定速度大小，v=3.5m/s，且初始流場速度假設(shè)為入流流場。

3.2 水頭損失計算

水體的水頭損失包括沿程水頭損失和局部水頭損失兩類。進(jìn)出水口的水頭損失主要是局部水頭損失，其水頭損失的大小是衡量進(jìn)出水口水流條件優(yōu)劣的重要指標(biāo)。進(jìn)出水口擴(kuò)散段出流水頭損失為：

式中：分別表示斷面平均流速；為斷面測壓管水頭（m）；為斷面流速分布系數(shù)；為進(jìn)水口段水頭損失。

4、計算結(jié)果分析

根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果，電站抽水工況下，同一流量條件下（42.22m3/s、49.26m3/s、56.30m3/s）水頭損失隨上庫水位（18.8m、23.1m、27.6m）遞增而線性遞減，同一水位水頭損失也隨流量增加而線性遞增，最大流量最小上庫水深工況水頭損失相對最大，最小流量最大上庫水深工況水頭損失相對最??；發(fā)電工況水頭損失隨流量增大而增加，隨上庫水深增大而增加，三種布置形式水頭損失變化規(guī)律一致。最小流量最小上庫水深工況水頭損失最小，最大流量最大上庫水深工況水頭損失最大；抽水蓄能電站進(jìn)出水口承受雙向水流作用，蓄能機組每一個運行循環(huán)水流要以兩種方式通過進(jìn)出水口，哪一個流向的損失增大都將影響蓄能電站的總效率，因此必須綜合考慮抽水工況與發(fā)電工況，得出較好的擴(kuò)散段分流墩布置形式使總水頭損失減到最低。根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果，凸形布置水頭損失相對最小，平齊布置居中，凹形布置水頭損失最大。

5、結(jié)語

抽水蓄能電站中側(cè)式進(jìn)出水口的應(yīng)用較為普遍，收縮流狀態(tài)和擴(kuò)散流狀態(tài)下進(jìn)出水口中的流速分布、水頭損失存在著明顯差別。蓄能機組每一個運行循環(huán)水流要以兩種方式通過進(jìn)出水口，哪一個流向的損失增大都將影響蓄能電站的總效率，因此必須綜合考慮抽水工況與發(fā)電工況，得出較好的擴(kuò)散段分流墩布置形式使總水頭損失減到最低。文中通過對三種分流墩布置形式運行情況下進(jìn)出水口抽水與發(fā)電總水頭損失的研究對比，以凸形布置水頭損失相對最小，平齊居中，凹形布置水頭損失相對最大。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張挺，張平.抽水蓄能電站的電量效益[J].多泥沙河流水電站運行與管理專題研討會論文集，71-73.

[2] 趙士和.抽水蓄能電站上網(wǎng)電價現(xiàn)狀與展望[J].中國水電顧問集團(tuán)公司，39-41.

[3] Anwar，H.O.，Weller，J.A.，and Amphlett，M.B.，Similarity of Free-ortex at Horizontal Intake，Journal of Hydraulic Research，Vol.16，No.2，1978，95-105.