一種解決水電站無壓引水隧洞出現(xiàn)明滿流的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種解決水電站無壓引水隧洞出現(xiàn)明滿流的方法，充分利用水電站無壓引水隧洞的進(jìn)水閘進(jìn)行調(diào)度，當(dāng)機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)，機(jī)組所需流量減少，進(jìn)水閘同時(shí)關(guān)閉到相應(yīng)開度，以減少進(jìn)入隧洞中的流量，避免了隧洞中出現(xiàn)明滿流。當(dāng)機(jī)組增負(fù)荷時(shí)，機(jī)組所需流量增加，進(jìn)水閘提前開啟到相應(yīng)開度，以增加進(jìn)入隧洞中的流量，從而避免前池出現(xiàn)漏空現(xiàn)象，本發(fā)明還在常規(guī)隧洞末端采用逐漸擴(kuò)大斷面連接壓力前池，可避免機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)長(zhǎng)隧洞末端出現(xiàn)水流封頂?shù)那闆r。
【專利說明】—種解決水電站無壓弓I水隧洞出現(xiàn)明滿流的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種解決水電站無壓引水隧洞出現(xiàn)明滿流的方法，屬于水利水電工程領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]在水電站的引水隧洞中，經(jīng)常會(huì)在明流與滿流之間出現(xiàn)過渡流態(tài)-明滿流，是一種復(fù)雜且不穩(wěn)定的水流，在明滿流過程中出現(xiàn)的過大壓力會(huì)對(duì)無壓隧洞造成較大危害，常規(guī)方法是在壓力前池處增設(shè)溢流堰，并且須在相應(yīng)位置額外修建溢水渠道。當(dāng)機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)，機(jī)組所需流量快速減少，而隧洞中的流量變化較緩慢，因而隧洞中水流會(huì)慢慢雍高，當(dāng)水位超過溢流堰堰頂高程，水流從溢流堰上流出，從而避免了隧洞中出現(xiàn)明滿流現(xiàn)象，保護(hù)了隧洞。然而，設(shè)置溢流堰必須在相應(yīng)位置額外修建溢水渠道，另外，由于溢流堰靠近電站廠房，如果地質(zhì)條件不好，溢出的水流會(huì)對(duì)廠房造成巨大威脅。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中設(shè)置溢流堰所存在的不足，本發(fā)明提供一種解決水電站無壓引水隧洞出現(xiàn)明滿流的方法。
[0004]技術(shù)方案:為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的一種解決水電站無壓引水隧洞出現(xiàn)明滿流的方法，所述引水隧洞的進(jìn)口處設(shè)有進(jìn)水閘，所述引水隧洞的出口處連接壓力前池，當(dāng)機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)，進(jìn)水閘同時(shí)關(guān)閉到相應(yīng)開度，以減少進(jìn)入隧洞中的流量；當(dāng)機(jī)組增負(fù)荷時(shí)，進(jìn)水閘提前開啟到相應(yīng)開度，以增加進(jìn)入隧洞中的流量。
[0005]作為優(yōu)選，為了避免機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)長(zhǎng)隧洞末端出現(xiàn)水流封頂?shù)那闆r，在所述引水隧洞的出口處與壓力前池之間設(shè)有引水隧洞擴(kuò)散段，即常規(guī)隧洞末端與壓力前池之間的斷面是逐漸擴(kuò)大的，經(jīng)過這樣的處理，可避免機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)長(zhǎng)隧洞末端出現(xiàn)水流封頂?shù)那闆r。
[0006]由于不同類型閘門的過流特性均不同，閘門的過流量對(duì)應(yīng)的水位及閘門開度可由閘門廠家提供。具體實(shí)施時(shí)，可建立機(jī)組不同引用流量與閘門開度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，輸入控制系統(tǒng)，當(dāng)機(jī)組引用流量變化時(shí)，閘門自動(dòng)調(diào)節(jié)到對(duì)應(yīng)的開度。
[0007]對(duì)于機(jī)組開啟工況，上游閘門提前開啟到對(duì)應(yīng)的開度。由于不同水電站引水隧洞長(zhǎng)度不同，水流到達(dá)前池的時(shí)間也不相同，因此上游閘門提前開啟的時(shí)間也不同，一般可以利用前池設(shè)置的水位監(jiān)測(cè)裝置，當(dāng)前池水位開始持續(xù)上升時(shí)，則可以開啟機(jī)組。
[0008]使用時(shí)，充分利用水電站無壓引水隧洞進(jìn)口處的進(jìn)水閘進(jìn)行調(diào)度，當(dāng)機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)，機(jī)組所需流量減少，進(jìn)水閘接收調(diào)度信號(hào)后自動(dòng)關(guān)閉到相應(yīng)開度，以減少進(jìn)入隧洞中的流量，避免了隧洞中出現(xiàn)明滿流。當(dāng)機(jī)組增負(fù)荷時(shí)，機(jī)組所需流量增加，進(jìn)水閘接收調(diào)度信號(hào)后提前開啟到相應(yīng)開度，以增加進(jìn)入隧洞中的流量，從而避免前池出現(xiàn)漏空現(xiàn)象。
[0009]有益效果:本發(fā)明成功地解決了水電站無壓引水隧洞中出現(xiàn)的明滿流現(xiàn)象，避免了明滿流對(duì)引水隧洞的破壞。本發(fā)明在實(shí)際工程中完全可以替代壓力前池處增設(shè)溢流堰以及在相應(yīng)位置額外修建溢水渠道的傳統(tǒng)方案，避免了溢流堰溢出的水流會(huì)對(duì)廠房造成的巨大威脅。避免了修建溢流堰以及溢水渠道所造成的工期長(zhǎng)、投資大的缺點(diǎn)，降低了建造費(fèi)用，而且可以縮短工期，節(jié)省工程投資，操作簡(jiǎn)單，安全可靠，具有非常大的應(yīng)用前景。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1為傳統(tǒng)水電站解決無壓引水隧洞中出現(xiàn)明滿流的方法結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明的一種解決水電站無壓引水隧洞中出現(xiàn)明滿流的方法結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為進(jìn)水閘不參與調(diào)度時(shí)機(jī)組全甩負(fù)荷后不同時(shí)刻隧洞中的水面線；
圖4為進(jìn)水閘參與調(diào)度時(shí)機(jī)組全甩負(fù)荷后不同時(shí)刻隧洞中的水面線；
圖5為進(jìn)水閘提前開啟時(shí)間對(duì)應(yīng)的前池水深變化；
圖中標(biāo)記為:進(jìn)水閘1，引水隧洞2，引水隧洞擴(kuò)散段3，壓力前池4，溢流堰5。
【具體實(shí)施方式】
[0011]如圖1所示的傳統(tǒng)水電站解決無壓引水隧洞中出現(xiàn)明滿流的方法與結(jié)構(gòu)，是在引水隧洞2的輸入端也設(shè)有進(jìn)水閘1，但是該進(jìn)水閘I僅在檢修和事故緊急關(guān)閉時(shí)發(fā)揮常規(guī)功能。避免明滿流通過設(shè)與引水隧洞2的輸出端與壓力前池4之間的溢流堰5，還需要在相應(yīng)位置額外修建溢水渠道，溢流堰5溢出的水流會(huì)對(duì)廠房造成的巨大威脅。
[0012]如圖2所示，在引水隧洞2進(jìn)水口處的進(jìn)水閘1，其作用除了常規(guī)功能如作為檢修、事故閘門外，在本發(fā)明中充分利用其可以調(diào)節(jié)進(jìn)入引水隧洞2的流量的功能，引水隧洞2尾部連接引水隧洞擴(kuò)散段3，引水隧洞擴(kuò)散段3的具體位置需要在實(shí)際工程中經(jīng)過調(diào)保計(jì)算得到，引水隧洞擴(kuò)散段3初步可以根據(jù)前池內(nèi)設(shè)計(jì)最高水位來確定，以前池內(nèi)設(shè)計(jì)最高水位為基準(zhǔn)，加上一定的安全超高，引水平線與原隧洞頂部的交點(diǎn)即可作為擴(kuò)散段的起點(diǎn)。有條件的情況下可利用明渠非恒定流數(shù)學(xué)模型及狹縫法模擬機(jī)組在危險(xiǎn)工況下甩負(fù)荷時(shí)的水面過程線進(jìn)行復(fù)核優(yōu)化在引水隧洞擴(kuò)散段3末端連接壓力前池4，其作用是作為引水隧洞和壓力管道之間的緩沖，消除一部分因?yàn)闄C(jī)組出力變化產(chǎn)生的水錘壓力。
[0013]使用時(shí)，在某一徑流式引水小型電站布置如圖1的結(jié)構(gòu)，電站總裝機(jī)容量為24MW，廠房?jī)?nèi)安裝3臺(tái)沖擊式水輪機(jī)機(jī)組，單機(jī)容量8MW。最大水頭705.7mο引水系統(tǒng)包括進(jìn)水閘
1、引水隧洞2、壓力前池4和壓力管道。進(jìn)水閘I的閘室段長(zhǎng)3.2m，斷面尺寸2.4mX 2.13m(寬X高)，閘門為平板閘門。引水隧洞2設(shè)計(jì)引用流量4.26m3/s，正常水深1.3m，0+000(隧洞進(jìn)口)?4+299.015 (隧洞出口)段隧洞縱坡取1/1000。樁號(hào)0+000至3+026.582段，隧洞洞寬3.1m,高度為2.68m。3+026.582至隧洞出口 4+299.015段隧洞洞寬3.1m,隧洞斷面高度從2.68逐漸增加到出口處的4.35m。壓力前池4布置于隧洞出口。
[0014]開度大小的計(jì)算方法 進(jìn)水閘的過流方程為:
式中:βρ為通過進(jìn)水閘的流量為流量系數(shù)(由閘門廠家提供)；為為進(jìn)水閘開啟面積為進(jìn)水閘的壓力水頭。
[0015]當(dāng)機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)，剩余機(jī)組所需流量已知，進(jìn)水閘進(jìn)口的壓力水頭即為上庫(kù)水位與進(jìn)水閘后水頭差，由此，可以求得進(jìn)水閘開啟面積為，即可以求得進(jìn)水閘的開度。對(duì)于開啟工況也是相同。[0016]提前開機(jī)時(shí)間的判斷方法:可以利用前池設(shè)置的水位監(jiān)測(cè)裝置，當(dāng)前池水位持續(xù)上升時(shí)，即可開啟機(jī)組，有條件的情況下，可利用數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試進(jìn)一步優(yōu)化開機(jī)時(shí)間。
[0017]如圖3所示，當(dāng)上庫(kù)為正常運(yùn)行水位，三臺(tái)機(jī)組同時(shí)發(fā)生甩負(fù)荷時(shí)隧洞內(nèi)的水位快速上升，進(jìn)水閘不動(dòng)作的情況下，50分鐘左右隧洞中開始出現(xiàn)明滿流現(xiàn)象，最終大部分隧洞都為滿流，水位與上游水庫(kù)水位相同。
[0018]如圖4所示，當(dāng)上庫(kù)為正常運(yùn)行水位，三臺(tái)機(jī)組同時(shí)發(fā)生甩負(fù)荷時(shí)，上游進(jìn)水閘接收調(diào)度信號(hào)后自動(dòng)關(guān)閉到相應(yīng)開度，隧洞內(nèi)流量降低，水位也隨之降低，整個(gè)過程隧洞中未產(chǎn)生明滿流現(xiàn)象。
[0019]如圖5所示，當(dāng)上庫(kù)為正常運(yùn)行水位，兩臺(tái)機(jī)組額定出力運(yùn)行，一臺(tái)機(jī)組增負(fù)荷。為保證壓力管道內(nèi)為有壓流，防止產(chǎn)生漏斗漩渦，根據(jù)《水利水電工程進(jìn)水口設(shè)計(jì)規(guī)范》第B.2.1條規(guī)定，水電站有壓進(jìn)水口上緣淹沒深度一般不小于2m，前池最低水位出現(xiàn)在機(jī)組增負(fù)荷工況。對(duì)于機(jī)組增負(fù)荷工況，進(jìn)水閘必須開啟到對(duì)應(yīng)開度，以保證機(jī)組有足夠的引用流量，否則會(huì)造成前池漏空。另外，由于該水電站的無壓引水隧洞約4.3公里，隧洞內(nèi)的水體遲滯性較明顯，進(jìn)水閘開啟后，水流需經(jīng)過一段時(shí)間后才能到達(dá)前池，如果開機(jī)過早，前池流量得不到補(bǔ)給，也會(huì)造成前池水位過低。因此本電站對(duì)于機(jī)組增負(fù)荷工況，進(jìn)水閘須提前開啟到相應(yīng)的開度，當(dāng)前池水位開始持續(xù)上升時(shí)，機(jī)組開啟。
[0020]以上述依據(jù)本發(fā)明的理想實(shí)施例為啟示，通過上述的說明內(nèi)容，相關(guān)工作人員完全可以在不偏離本項(xiàng)發(fā)明技術(shù)思想的范圍內(nèi)，進(jìn)行多樣的變更以及修改。本項(xiàng)發(fā)明的技術(shù)性范圍并不局限于說明書上的內(nèi)容，必須要根據(jù)權(quán)利要求范圍來確定其技術(shù)性范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種解決水電站無壓引水隧洞出現(xiàn)明滿流的方法，所述引水隧洞的進(jìn)口處設(shè)有進(jìn)水閘，所述引水隧洞的出口處連接壓力前池，其特征在于:當(dāng)機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)，進(jìn)水閘同時(shí)關(guān)閉到相應(yīng)開度，以減少進(jìn)入隧洞中的流量；當(dāng)機(jī)組增負(fù)荷時(shí)，進(jìn)水閘提前開啟到相應(yīng)開度，以增加進(jìn)入隧洞中的流量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種解決水電站無壓引水隧洞出現(xiàn)明滿流的方法，其特征在于:在所述引水隧洞的出口處與壓力前池之間設(shè)有引水隧洞擴(kuò)散段。
【文檔編號(hào)】E02B9/04GK103821115SQ201410075989
【公開日】2014年5月28日 申請(qǐng)日期:2014年3月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月4日
【發(fā)明者】俞曉東, 張健, 趙修龍, 弋鵬飛 申請(qǐng)人:河海大學(xué)