阻抗孔位置及直径对含长连接管调压室阻抗特性和三维流场影响研究

含长连接管的调压室可通过在连接管内设置小于其管径的阻抗孔来增强调压室的阻抗特性。为研究长连接内阻抗孔的位置及直径两种因子对此类调压室阻抗特性的影响规律,以水头损失系数和流量系数为优化目标,以位置和直径为优化变量,基于正交优化设计方法和CFD数值模拟软件,计算分析了各组合方案下的调压室阻抗系数和三维流场的变化规律。结果表明,阻抗孔前后水流湍流强度增幅明显,距离连接管两端端部越近,对调压室大井和管道系统内流场影响程度越大;当阻抗孔位于连接管顶部与调压室大井连接处,可最大程度发挥阻抗孔的阻抗效果,以阻抗孔与连接管管径比0.8为例,水头损失系数增幅约30%;连接管直径增大有效降低调压室局部流场压强最值浮动范围;阻抗孔位于靠近连接管顶部且不在大井连接处时,水流流出调压室时连接管及下游隧洞总体湍流强度较小,流场更稳定。

两机一洞尾水调压室阻抗损失系数模型试验研究

水电站引水发电系统中调压室的阻抗损失系数是影响机组过渡过程计算结果的重要因素,目前阻抗损失系数一般在行业规范推荐的范围内进行取值,往往与试验值有所偏差,不利于调压室体型的优化设计。通过采用大比尺的调压室水工模型,对两机一洞型式的水电站阻抗式尾水调压室进行大流量条件下的水力学试验,研究不同水流流态和分流比对调压室阻抗损失系数的影响,分析控制工况下调压室的流入和流出阻抗损失系数,给出了调压室阻抗损失系数与分流比的拟合公式和关系曲线。研究结果填补了两机一洞型式的水电站尾水调压室阻抗损失系数试验的空白,可为此类调压室的水力计算分析提供依据。

水电站水力过渡过程研究

为确保水电站安全运行,开展水电站水力过渡过程计算分析至关重要.采用特征线法建立水力瞬变模型,分析了有压引水系统水压、调压井水位、导叶开度、机组转速的水力过渡过程.研究结果表明:(1) 3台机组同时在甩负荷条件下,机组飞逸转速升高率最大为0.40,蜗壳水压升高率最大为0.28;机组最大飞逸转速发生在水库死水位工况,蜗壳最大水头为99.5 m,调压井最高水位为1 116.3 m,发生在水库校核洪水位.(2) 3台机组同时从空载增至满负荷,蜗壳水压降低率大于-0.19,蜗壳最小水头为57.2 m,调压井最低水位为1 076.3 m;水轮机上游引水系统中最小水头均大于15 m,调压井最低水位高于隧洞顶7 m以上,不会将空气带入隧洞和压力钢管中.(3)水轮机导叶关闭及开启情况下,机组飞逸转速、管道水压、调压井水位波动均满足设计规范要求.

在倾倒边坡中建设地下调压室的工程地质研究

扎拉水电站调压室建在山体倾倒边坡内,对该边坡及围岩稳定性的系统研究至关重要。根据岩体结构和变形破坏类型的差异,采用岩体结构、岩层转角、风化等定性因素结合波速比定量因素进行综合分区;通过现场超常规原位试验,结合反演计算,综合提出各区适宜的岩体抗剪强度参数;采用数值分析法模拟倾倒边坡变形破坏模式,并通过多种解析法校验边坡稳定性。结果表明:边坡倾倒岩体可分为层状弯曲区、碎裂拉张区、散体坠覆区;厂后倾倒边坡的主要失稳形式为拉裂-滑移-剪断和块体卸荷崩落;在倾倒边坡稳定性评价中,安全系数应取现行技术标准规定范围内的较大值,有利于保障倾倒边坡滑移稳定和坡内洞室围岩变形稳定。研究成果解决了地质条件局限和水工结构要求之间的突出矛盾,在中国水利水电建设中具有开创意义,可为倾倒边坡中工程建设提供参考。

某水电站“以阀代井”方案研究

调压井是水电站工程中最常用的调压设施,但在某些工程中受地形地质条件限制,施工较为困难或工程造价高,常需研究设置调压阀作为电站的调节保证措施。以贵州某电站工程为例,为促进电站尽快产生发电效益,研究分析了仅在3号机组支管旁布置1台调压阀来解决电站调保问题的技术可行性。

驼峰式长距离输水管线单向调压塔水锤防护研究

驼峰式管线作为长输水系统的典型布置方式,中间凸起管段的局部水锤特性及其水锤防护问题复杂。通过驼峰式管线高点下游侧管线坡度与水力坡度的比较分析,阐明了单向调压塔对驼峰式长距离输水管线的防护机理,并推导了单向调压塔设置高度的近似解析公式。进一步基于有压输水管道特征线法,融合单向调压塔和调流阀等水力边界,建立了相应的输水系统水锤分析模型,开展了系统的水锤防护及其优化研究。分析表明,基于建立的单向调压塔设置分析方法,在驼峰式管线合理设置单向调压塔,能够有效实现系统的水锤防护,并可考虑管线布置特性进一步优化,数值计算和理论分析一致;单向调压塔直径和阻抗孔直径是评估单向调压塔水锤防护效果的重要参数,均存在一最优数值解,继续增大单向调压塔直径或阻抗孔直径对改善水锤防护效果作用很小。

上游调压室理想阻抗孔面积选择的影响因素分析

针对设置上游阻抗式调压室的引水发电系统,利用特征线法进行大波动过渡过程计算,模拟并分析了引水隧洞长度、两种导叶关闭规律、输水管道糙率以及机组转动惯量对水力过渡过程中调压室理想阻抗孔面积取值的影响。结果表明:在保证其他条件不变的情况下,引水隧洞长度、机组转动惯量以及管道糙率的取值越大,理想阻抗孔的面积越小;先慢后快的导叶关闭规律对阻抗孔面积取值的影响较先快后慢的关闭规律更大。结论对实际工程设计具有参考价值。

基于ABAQUS的断层破碎带对调压室轴线布置影响分析

为研究断层破碎带对调压室轴线布置的影响,以金沙江昌波水电站调压室工程为例,开展了基于ABAQUS的有限元模拟计算,分析了两条断层破碎带对调压室洞室变形、应力、屈服破坏及稳定性的影响,以及随调压室轴线布置的变化,该地质弱带对调压室的影响情况;基于断层破碎带的影响变化规律,提出了受其影响小的调压室轴线布置方案。结果表明:位于该电站1号调压室下游边墙外侧的断层破碎带FC4对该调压室变形、应力、屈服和稳定性等指标的影响较大;位于调压室右端墙外的断层破碎带FC5力学参数值较高,对调压室影响很小;敏感性计算结果显示,靠近断层破碎带的调压室变形、应力、屈服和稳定性对断层破碎带的力学参数变化较敏感。随调压室轴线方位角变化,断层破碎带对调压室的影响相应变化,沿N86°E轴线布置的方案受断层破碎带影响最小。研究成果可为调压室轴线布置方案优选提供参考。

打鱼凼水库调压井衬砌结构三维数值模拟分析

针对打鱼凼水库调压井空间结构复杂、受力荷载组合多和内水压力变幅大等特点,为确保其衬砌结构安全,采用理正软件构建断面形式连续变化的三维数值模型,模拟分析不同荷载组合条件下的断面受力和应力分布情况。计算结果表明,矩形断面为调压井结构中最不利截面,所需满足抗剪的截面最大。以矩形断面参数来确定衔接结构尺寸,并根据断面受力状况分段配筋,衬砌结构设计合理和钢筋选配经济。分析成果可为复杂结构调压井设计和运行管理提供参考。

基于特征值分析法的含双调压室抽水蓄能电站小波动稳定分析

为研究含上、下游双调压室的抽水蓄能电站输水发电系统小波动稳定性,基于状态空间法推导了系统稳定分析的状态矩阵方程,运用相关因子分析法确定了系统的特征值与状态变量的对应关系,结合状态矩阵特征值研究了系统小波动振荡特性。结果表明:状态矩阵特征值存在4对共轭复根,表明系统存在4个振荡环节,共轭复根实部反映了振荡环节的衰减趋势,虚部反映了系统振荡环节的振荡角频率;上、下游调压室内水位波动共同引起机组转速尾波低频振荡,增大两调压室面积可以降低转速尾波振荡角频率,增加尾波振荡衰减指数,有利于系统低频振荡稳定性;系统小波动振荡稳定性与调速器参数密切相关,较小调速器参数组合导致导叶开度变化和压力管道流量变化之间产生相位差,在调节过程中不断放大,系统振荡失稳,增大调速器参数可以增大机组转速主波振荡衰减指数,降低主波振荡角频率,提高系统高频振荡稳定性。

水电站调压室托马临界稳定断面公式再认识

托马临界稳定断面公式通常被认为是含调压室的水电站输水发电系统运行稳定性判别的重要依据。本文首先从理论上论证了刚性水体假设与等出力调节方式下,系统不可能稳定运行;之所以能够得到托马临界稳定断面公式,是由于推导过程中忽略了调压室后压力管道与机组后尾水道的水体惯性,而这恰是导致系统不稳定的关键因素。其次针对实际弹性水体,理论上论证了等出力调节方式下,真实的水力发电系统也不可能稳定运行;同时指出含调压室的水电站输水发电系统稳定性主要取决于水轮机上下游侧的水锤反射系数;无论是调压室前引水道还是调压室后的压力管道与尾水道,管道内的摩阻均有利于稳定,调压室面积大小对稳定影响相对较小;等出力调节模式下,无论是采用刚性水体假设还是针对实际弹性水体,含调压室的水电站输水发电系统一定是不稳定的,一个不稳定的系统不可能存在稳定断面,托马临界稳定断面在理论上是不成立的。

基于水力过渡计算的双向运行调压池方案优化研究

某水利工程具有供水、发电及抽水的功能,抽水和发电共用的尾水(前池)系统,尾水流道布置复杂、运行水头变幅大。为了满足工程安全运行,对流道布置系统进行了水力过渡计算,发现大波动最不利工况下的尾水池最高涌浪水位高于尾水闸平台设计高程,可能出现尾水闸平台涌水现象,导致工程存在一定安全隐患。针对计算结果的最不利工况,设计不同方案进行深入研究,经多方案比较,最终对双向过流的尾水池出口进行了溢流堰及过渡池设计调整,并按照溢流式调压池模型对流道系统又进行水力过渡计算复核,计算结果表明,工程问题基本得到合理解决。该布置系统虽然复杂,但运行安全性高、可操作性强,管理便捷,且工程已建成投入使用,总体运行状态良好。

城门洞型输水隧洞明满流计算与试验

无压输水隧洞中受到闸门启闭而引起的明满交替流水力瞬变现象,通常会造成洞内的压力剧增,对工程安全运行造成威胁。为了探究城门洞型隧洞的明满交替流和明流过渡过程,实测了模型隧洞沿线断面水深或压力变化曲线,基于窄缝法原理,使用扩散法对实测工况进行数值模拟计算,将实测数据与计算结果进行了对比分析。研究表明:在下游初始水深逼近城门洞直墙高时,下游闸门突然关闭后,在大来流量下管路中出现压力瞬间陡增的完全明满流现象,水流向上游传播并伴随剧烈的掺气,在小来流量下表现为不掺气压力突升的临界明满交替流,回波造成二次压力剧增,断面压力达到峰值。窄缝扩散法对于从明流完全转化成满流的明满流过渡过程模拟效果较好,而对于临界明满流的模拟有较大的误差。无压流水力过渡过程数值模拟计算结果与实测值基本一致,反映了明渠水力过渡过程数学模型的合理性。研究成果可为深入研究这一复杂水力现象提供借鉴和参考。

含上、下游双调压室的抽水蓄能电站小波动涌浪特性研究

为研究含上、下游双调压室的抽水蓄能电站小波动涌浪特性,基于状态空间法推导了该布置类型的抽水蓄能电站小波动数学模型,通过数值模拟求解上、下游调压室涌浪时域过程,采用快速傅里叶变换(FFT)得到了上、下游调压室涌浪频域过程,在不考虑调速系统和调压室系统发生水力耦合的情况下,建立压力管道流量与调压室水位之间的传递函数,进而得到了调压室系统幅频特性。结果表明,上、下游调压室涌浪幅值最大时对应的输入信号频率与调压室系统固有频率相近,调压室涌浪振荡频率对应机组转速尾波振荡频率;调压室涌浪特性与调压室面积和输水隧洞水头损失系数密切相关,增大两调压室面积可降低上、下游调压室涌浪的频率和幅值,系统稳定性增强;输水隧洞水头损失系数变化对上、下游调压室涌浪振荡频率无影响,对上、下游调压室涌浪幅值影响较大,且水头损失系数越大涌浪幅值越小,系统稳定性越好。

垣曲抽水蓄能电站引水调压井边坡稳定分析

山西垣曲抽水蓄能电站装机4×300 MW,额定水头457 m,在系统中承担调峰、填谷、储能、调频、调相和紧急事故备用等任务,保证电网的安全、稳定、经济运行。引水调压井是垣曲抽水蓄能电站中重要的配套部位,其边坡稳定对工程建设、安全有重大影响。该边坡存在倾向坡外的陡倾角节理及比较缓的顺坡岩石层理,较为危险,且垣曲抽水蓄能电站地震基本烈度为Ⅶ度,因此文中使用GeoStudio边坡计算软件进行边坡稳定分析,预判边坡存在的风险,并采取工程措施予以保证边坡安全,可为类似工程设计提供参考。

滇中引水工程四华道班弃渣场规划研究

为减少水土流失,做好环境保护与水土保持工作,把生态文明建设和弃渣场规划施工(同时设计、同时施工、同时验收)紧密结合。以滇中引水工程四华道班弃渣场为例,分析了弃渣场拦挡设施、排水及植被恢复规划,介绍了弃渣场实施过程中弃渣施工方案以及环保和水土保持方案,阐明了弃渣场弃渣规划和防护措施配置不当对生态环境的影响和危害。结果表明:工程的实施可有效防治水土流失,减轻生态环境的恶化,确保弃渣场安全运行。研究结果为类似工程弃渣场的规划实施提供参考。

大型尾水调压室底部交汇型式CFD分析与优化

多机共用尾水调压室的底部管道交汇型式对调压室布置和运行时流态和水头损失有重要影响,是设计中需认真对待的问题。为研究交汇型式与水头损失的规律性并为工程设计提供参考,本文应用最新计算流体动力学技术对一系列交汇型式进行了以减小水头损失为主要目标的分析、优化。首先介绍了数学模型和计算方法;然后通过与典型流道水头损失经验公式和具体工程模型试验数据对比来验证计算模型;在确认模型精度的基础上,对两机共用一室、三机共用一室的各种可能交汇型式的水头损失系数和水流流态进行比较分析,给出优化的体型;最后总结体型优化的规律,指出交汇型式设计中应注意的事项。

水电站引水系统模型试验研究中若干问题的探讨

本文对水电站引水系统模型试验中的若干问题作了探讨．重点论述了调压室涌浪试验的模型律及差动式调压室特有的问题，并对能否在同一模型中同时进行涌浪模型试验和水击模型试验作了探讨。

超大直径异型调压井开挖施工和稳定控制技术

赞比亚下凯富峡水电站调压井设计为圆形+扇形结构的异形断面,最大开挖跨度62.42 m,具有断面面积大、结构复杂等特点,开挖施工和稳定控制难度大。根据有限元分析,提出了井口预固结灌浆和井口混凝土锁口加固措施,大井扩挖采取浅层开挖、随层支护的方法,在平面环向和立面纵向上钻爆、出渣、支护工序无缝衔接,实现了围岩及时支护加固,保证了调压井的成型精度和开挖施工过程中的稳定和安全。

两机共用的尾水调压室水力特性试验研究

针对两台机组共用的尾水调压室进行了水力特性试验，研究了尾水调压室流量比、阻抗孔口中水流方向及孔口形状对尾水调压室水头损失系数的影响．试验结果表明，阻抗式尾水调压室的水头损失系数并不是现有文献所描述的那种仅与孔口形状和水流方向有关的常数，而是一个与流量比有关的变量．