兼顾调节特性和经济成本的调压室体型优化策略

过渡过程动态特性和调压室建设成本是调压室体型设计中需要关注的两个主要方面。如何选取调压室体型参数使两者均达到最优对水电站建设和运行具有重要意义。针对这一问题,基于第三代非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅲ)和优劣解距离评价方法(TOPSIS),提出了一种兼顾大小波动调节特性和工程投资最优的调压室体型优化策略。首先,基于特征线法,建立水力发电系统精细化模型。其次,以调压室断面直径、阻抗孔直径和安装位置为决策变量,分别建立以大波动动态特性(机组最大水头+机组转速最大上升率)与调压室体积为目标的大波动优化模型和以转速超调量与ITAE为目标的小波动优化模型,并引入NSGA-Ⅲ算法,得到调压室在两种优化模型下的Pareto解集。最后,基于TOPSIS评价方法,以上述4个优化目标为决策层,对Pareto解集进一步评价,得到兼顾大小波动调节特性和经济性最优的调压室体型。结果表明,与得分最低的方案相比,最优方案在牺牲较小调压室经济性的前提下,能够有效改善大小波动综合调节特性,实现平衡调压室建设成本和大小波动综合调节特性的目标。研究结果对水电站调压室结构设计具有重要指导意义。

丰宁抽水蓄能电站二期引水调压室外保温设计

丰宁抽水蓄能电站二期引水调压室的外保温设计采用了建筑行业中成熟的硬泡聚氨酯板作为主要保温结构的复合保温设计。论述了该工程中保温层设计的必要性,介绍了保温层布置并对保温效率进行了论证。该保温设计结构简单轻便、施工和运行管理方便、保温效率高,可广泛应用于水利水电工程中,为高寒地区调压室地面上室等优化布置提供了新途径。

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。

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。

旭龙电站尾水调压室洞间岩柱围岩宏细观特性分析

为了将连续和非连续分析方法耦合用于地下厂房围岩稳定性分析,提出了一种基于软硬混合平行黏结模型的细观参数快速标定法,可根据给定岩石的宏观力学参数快速给出其颗粒流模型细观接触参数;在此基础上,构建了基于颗粒离散元PFC 3D与有限差分FLAC 3D耦合的旭龙地下电站尾水调压室三维离散-连续耦合分析模型,研究了开挖期尾水调压室洞间岩柱围岩变形与破坏宏细观特性,以及检修期间侧向水压力对洞间岩柱稳定性的影响。结果表明:检修期间尾水调压室水压力引起的围岩变形与应力增量变化是极小的,但洞间岩柱上半段22.7 m的高度存在塑形贯通区,局部稳定性较差,有必要在工程建设期开展尾水调压室及尾水支洞岩墩塑性贯通区专项支护方案研究,以确保旭龙地下电站工程的安全建设与运行。

尼泊尔TNH水电站调压室优化设计

TNH水电站是“一带一路”倡议下,尼泊尔政府和中国政府合作的典型基础设施项目之一。在详细设计阶段,通过对尼泊尔TNH水电站调压室设计图纸进行分析研究,对调压室布置进行优化设计,经水力学复核、稳定分析计算,验证优化设计参数合理性。通过优化设计,减小了调压室顶拱施工难度,节省工程投资。在严苛的咨询工程师要求下,经过图纸三版升级修改工作,最终优化设计成果得到工程师认可,调压室布置图得到批复意见,为后续调压室开挖支护图、衬砌结构图打下了坚实基础。

杨房沟水电站尾水调压室开挖方案优化研究

为提高杨房沟水电站尾水调压室开挖的效率,将原方案中Ⅲ~Ⅸ层井挖施工方案调整为布设施工支洞(增加中层施工支洞、下层施工支洞和中隔墙2个联系洞)的分层开挖支护方案。结果表明:优化后的开挖方案克服了施工工序安排与周转困难、施工强度大等问题,降低了安全风险;优化方案更加合理、方便施工,节约了4.5个月施工工期,提高了施工效率。

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。

具有多节点调压室的低水头输水发电系统水力干扰

对于单管单机带多节点调压室这类特殊流道布置的输水系统,通常会设置调压室来调节大波动控制值并满足小波动稳定运行要求.由于调压室大井内的水流相互流通,机组间产生了水力联系.为了深入研究这类水电系统中的水力干扰现象,以某电站扩机工程数据为基础,基于有压输水系统特征线法,引入多节点调压室模型,根据不同调压室位置、不同调节模式等因素分析水力干扰影响幅度.同时,针对单机甩负荷和单机启动增负荷这2种典型水力干扰工况进行过渡过程仿真计算,得到了机组出力和调压室水位波动数据,并根据不同调压室位置时机组的出力波动情况分析水力干扰影响幅度,提出了改善机组在水力干扰过渡过程中调节品质的措施,为类似的水电系统提供一定的参考.

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。

气垫调压室联合单向塔的停泵水锤防护研究

针对某长距离、大流量、高扬程泵站加压供水工程,对事故停泵进行模拟。结合工程地形特征,提出采用气垫调压室和单向塔联合防护的方法,并结合管道压力控制要求,对泵后阀门关闭规律及调压室阻抗孔径进行敏感性分析。结果表明,气垫调压室可有效防护停泵水锤及泵后阀快速关闭产生的关阀水锤,单向塔解决了气垫调压室持续补水导致的局部高点低压问题,保护了高点管段安全。联合防护方案可显著减小气垫调压室体积,节约工程成本。另外,泵后阀关闭规律及气垫调压室阻抗孔面积对管道的水锤压力影响较大,关阀过快或阻抗孔口面积过大会导致管道正压超标;关阀过慢或阻抗孔口面积过小会导致管道出现较大负压,具体工程需结合过渡过程模拟进行优化,对于本工程,经过模拟优化,阻抗孔口直径取0.8 m,泵后阀采用5 s直线关闭,结果可满足调保计算要求。

设调压室水电站输水发电系统耦合振荡特性研究

设调压室水电站输水发电系统是复杂的水机电耦合系统,目前对耦合系统的振荡特性以及各个子系统间的耦合作用关系尚不明晰。本文首先将整个水电站系统分为“引水隧洞-调压室”子系统和“压力管道-机组”子系统,针对“压力管道-机组”子系统的稳定性提出了耦合振荡域的概念并推导了其解析公式,然后结合特征值分析法和数值模拟揭示了耦合系统的振荡特性,最后运用频域分析法探究了两个子系统间的幅频特性及相互作用关系,提出了衡量系统耦合振荡稳定性的定量指标。结果表明:当调速器参数在耦合振荡域外取值时,水电站系统恒不稳定,因此调速器参数在耦合振荡域内取值是整个水电站系统稳定的必要条件。当调速器参数在耦合振荡域内取值时,耦合系统的稳定性由低频振荡模式决定,将系统低频振荡模式的频率代入到两个子系统的幅频特性函数之积中,可以得到振荡叠加率,该值反映了系统扰动在闭环系统中增益值,具有明确的物理意义,当振荡叠加率小于1时,受扰系统趋于稳定。研究成果不仅丰富了水力过渡过程理论体系,对提高水电站运行稳定性也具有较好的工程应用价值。

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。

圆管型与廊道型气垫式调压室水力性能比较

针对廊道型气垫式调压室的罩式闭气结构比较复杂而且施工难度较大的特点,提出采用水平圆钢管型洞室代替常用的长廊道型洞室的新型气垫式调压室方案。以四川某水电站气垫式调压室为例,经大波动过渡过程计算和小波动稳定性分析,比较2种不同体型气垫式调压室的水力性能和运行稳定性。结果表明:在洞室横断面面积相等的情况下,圆管型气垫式调压室的小波动稳定性较好;调压室内水位波动幅值较小、最大气体压力和机组蜗壳进口最大压力较小,其大波动水力性能也相对较好。

半封闭气垫式调压室模型优化与水力特性研究

为掌握半封闭气垫式调压室的水力特性,通过分析各类调压室共性特征、改进已有模型气体热力学过程的基本假定、统一方程形式和提升离散精度,推导并建立了完全由显式方程组成、易于编程电算、兼适用开敞式与气垫式的半封闭气垫式调压室水力计算数学模型。在此基础上,通过对主要计算参数取值、大波动水力性能、水位波动稳定性能、结构及运行控制开展研究和分析,系统地探讨了半封闭气垫式调压室的水力特性。研究结果表明:该类调压室能自适应运行,性能良好,结构简单,改造方便,兼有开敞式和气垫式调压室的优点。

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。

某长距离低扬程输水工程空气阀调压室与空气阀的联合水锤防护研究

针对长距离低扬程输水工程中单个空气阀的水锤控制距离较短无法有效抑制管内真空等问题,提出了空气阀调压室与空气阀联合防护的新型水锤控制方案,并以某长距离低扬程输水工程为例,对单纯采用空气阀防护以及空气阀调压室与空气阀的联合防护方案开展了水力过渡过程数值模拟与对比分析。结果表明,单纯采用空气阀防护时主管内发生了液柱分离,且因排气过快引发了较大的冲击水锤;而采用空气阀调压室与空气阀联合防护方案不仅能够有效抑制主管内的真空,还可有效缓解排气时引发的冲击水锤,是一种经济且有效的水锤防护措施,可为其他长距离低扬程输水工程的水锤防护提供借鉴。

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。

带长连接管的调压室水力特性研究

某抽水蓄能电站下游调压室采用阻抗+上室式布置,尾水洞与连接管通过直角岔管和弯道连接,布置型式特殊,水流条件复杂。为研究其水力特性,建立了调压室底部连接管三维流场数学模型,研究了不同分流比、汇流比条件下水力特性的变化规律。结果表明,对于底部流动复杂的调压室阻力损失而言,三维数值模拟能取得较好的仿真效果,计算结果与理论分析结果吻合良好。由于调压室底部弯管、连接管与大井之间的突扩、突缩等均会引起额外的水力损失,其水头损失系数大于常规阻抗调压室,流量系数较单独的阻抗孔更小。

水电站尾水调压室断面面积敏感性分析研究

基于瞬变流理论,采用弹性水锤特征线法,建立合理的边界条件,对有较长尾水隧洞的水电站调压室断面面积变化敏感性进行数值模拟分析,重点研究尾水调压室的断面面积对大波动工况下的调压室水位波动、机组最大转速升高率、蜗壳末端压力变化和水力干扰工况下对水电站机组出力摆动的影响。对同一特征工况,在大波动下,调压室断面直径为28 m,即断面面积为615.752 m2时,调压室最低涌浪水位达到2 218.97 m,蜗壳末端最大压力达到269.17 m(压力升高24.48%),机组转速最大上升率达到42.19%,满足调节保证计算要求。水力干扰工况下,并入同一电网时,随着调压室断面面积增加,机组出力摆动减小,对于大电网而言,出力摆动相对差值变化较小,两台机组甩负荷时,受扰机组出力摆动相对差值相差0.08%,一台机组甩负荷时,受扰机组出力摆动相对差值相差0.03%。综合考虑计算结果及调压室的工程经济性,推荐本电站调压室断面面积取615.752 m^2。