水電站尾水擋墻與機組出力關系研究

黃華南，陳國勛

（1.瑞安市水利工程建設中心，浙江 瑞安 325200；2.溫州市水利建設管理中心，浙江 溫州 325000）

1 問題的提出

隨著我國能源結構的逐步調整，水電已成為主要能源[1]。水電站的發電效益在同一流量條件下取決于發電水頭即上、下游水位差的大小。多數水電站為防止汛期放流時洪水和沖砂淤積對尾水出口的影響，會設置混凝土擋墻。由于混凝土擋墻距離尾水出口較近，會使尾水出流受阻、尾水位壅高、發電水頭減小，影響發電效益，因此，合理布置混凝土擋墻十分必要[2]。擋墻布置的原則為：保證擋墻正常防洪防淤作用的情況下，使其減小對尾水出流的阻塞作用，水輪機組出口處水位降低，尾水流態平順[3]。本文以某水電站機組出力與尾水位關系研究為背景，采用水輪機相對效率試驗、模型試驗與數值模擬對比驗證的方式，研究混凝土擋墻布置對水輪機組出力的影響。

2 工程概況

某水電站控制流域面積為52 912 km2，多年平均流量729 m3/s，水庫有效庫容76.52 億m3，最大庫容為149.00 億m3，死庫容40.50 億m3，水庫設計正常蓄水位123.30 m，水庫死水位95.00 m。電站總裝機容量為200 MV，安裝2 臺立軸混流式水輪發電機組，單機容量為100 MW。發電機組進水口底高程為60.00 m，尾水系統由2 條尾水箱涵組成，總斷面尺寸為36.00 m×9.96 m（寬×高）。下游混凝土擋墻距尾水箱涵7.50 m，墻高1.00 m。

3 水輪機相對效率試驗

3.1 試驗方法

水輪機的效率試驗采用相對法[4]。試驗測量的主要參數包括：發電機有功功率、功率因數、蝸殼壓差、水輪機進口壓力、尾水管出口壓力、相對流量（測量蝸殼壓差）等參數，各參數均采用相應傳感器，通過轉換裝置輸入計算機。

測量系統包括數據采集系統和數據處理系統，測量系統采用水輪發電機組綜合測試儀（GMH 550-100），數據采集系統是被測量參數通過相應傳感器設備，將其輸出的4～20 mA 的DC 模擬量送入GMH550 測試儀，進行模數A/D 轉換。試驗工況按照導葉開度的30%，35%，40%，45%，50%，55%，60%，65%，70%，75%，80%，85%，90%，95%及100%工況進行，先依次遞增，再依次遞減。每個工況的試驗數據采集間隔為50 ms，各數據的采集次數為1 000 次；數據處理系統通過編程軟件，按照各種傳感器的標定參數，換算成被測參數實際值。

3.2 試驗結果計算及分析

水輪機的工作水頭定義為水輪機的進口斷面與尾水管出口斷面的總能頭之差。由于所測得的是相對流量，所以在水頭計算中對速度頭無法算得，對于低水頭的軸流式水輪機，進出口速度頭的數值相差不多，可以忽略不計，只計勢頭差與壓頭差。公式表示為[5]：

式中：HT為水輪機的工作水頭（m）；Z1為蝸殼進口壓力傳感器的安裝高程（m）；Z2為尾水管出口處壓力傳感器的安裝高程（m）；P1/γ為蝸殼進口壓力傳感器壓力值（MPa）；P2/γ為尾水管出口壓力傳感器壓力值（MPa）。

水輪機相對效率計算公式[5]：

式中：η為水輪機相對效率；Ng為發電機有功功率（MW）；Q為水輪機某一負荷下的相對流量（m3/s）；γ為水的容重（N/m3）；為額定轉速下各工況實測水輪機工作水頭的算術平均值（m）；Hti為對應i工況下水輪機工作水頭（m）；Ngi為換算至平均工作水頭的i工況下發電機有功功率（MW）；Qi為換算至平均工作水頭的i工況下水輪機相對流量（m3/s）。

耗水率計算公式[5]：

式中：ε為耗水率[m3/(KW·h)]；Ng為發電機有功功率（MW）；Q為試驗負荷工況下的相對流量（m3/s）。

水輪機組各關系特性曲線見圖1：

圖1 水輪機組特性曲線圖

根據水輪機相對效率試驗結果分析可得：在試驗水頭下，發電機有功功率變化沒有超過該工況平均功率值的±1.50%，試驗全過程中水頭保持穩定，其偏差未超過平均水頭的±0.50%，頻率偏差沒有超過額定值±0.2 Hz，功率因數基本保持0.99，效率試驗總不確定度估算±1.30%，試驗結果可信；相對效率擬合曲線方程為η=-0.011 6Ng2+1.723 7Ng+29.802 0，最高相對效率為92.83%，高效率區域較寬；發電機最大可裝79.01 MW；最大水頭損失為3.83 m。

4 模型試驗研究

4.1 模型設計、擋墻布置方案及工況

模型設計遵循重力相似準則，采用正態模型，幾何比尺λl=20。原型建筑物的表面糙率為np=0.014，模型建筑物的糙率nm為0.008 5。模型模擬范圍為尾水管進口至攔沙坎下游。

為減小擋墻對機組出口尾水壅高影響，且保證擋墻正常防淤作用，綜合分析水電站下游河道的地質條件及周圍地形因素，本文采取擋墻高度不變向下游方向移動7.00 m、擋墻位置不變高度減少0.50 m 兩種優化方案。共進行6 組工況研究，各工況下額定水頭為68.00 m。具體工況說明見表1。模型測點布置見圖2。

表1 機組出力與下游尾水位關系研究模型試驗工況表

圖2 模型試驗測點布置圖 單位：m

4.2 試驗結果分析

1 臺機組運行情況下，工況2 較工況1 相比擋墻阻水作用減弱，墻前水流流速增大，主流流態由緩流變為急流，整體上降低沿程水面線高程，在4 個尾水箱涵出口處高程分別降低0.35，0.21，0.24，0.16 m，墻附近水位升高，形成水躍。工況3 較工況1 相比擋墻的阻水作用減弱，墻前水流流速增大，墻上水位升高形成淹沒水躍，因此工況3在攔沙坎位置的波動較大，6 號測點之前，除墻上的水面高程較高之外，其余各處為工況3 的水面高程明顯低于工況1 的水面高程，4 個尾水箱涵出口處水面高程分別降低0.03，0.11，0.08，0.13 m。從整體看，2 個擋墻優化方案均能降低沿程水面高程、增加發電量。其中擋墻高度不變后移7.00 m方案的效果最好，增加發電量為155 017 kW·h，擋墻位置不變降低0.50 m 次之，增加發電量38 754 kW·h（見表2）。1 臺機組運行時，僅1#和2#尾水箱涵出流，故3#和4#尾水箱涵水面線較為平穩，由于1#箱涵靠近岸邊，而2#尾水箱涵位于中心處，故2#箱涵的水面波動較其余3 個尾水箱涵最為劇烈。

表2 1 臺機組運行發電量增加值表

2 臺機組運行時，4 個尾水箱涵均過流，中心處的2#和3#尾水箱涵水面線波動較為劇烈，靠近岸邊的1#和4#尾水箱涵水面線較為平穩。工況5、工況6 均能降低尾水箱涵出口處水面高程，工況5 分別降低0.06，0.19，0.05，0.09 m，工況6 分別降低0.16，0.46，0.19，0.09 m。2 個擋墻優化方案均能增加發電量，擋墻高度不變后移7.00 m方案和擋墻位置不變降低0.50 m 方案的水電站增加發電量分別為111 839 kW·h 和258 091 kW·h（見表3）。

表3 2 臺機組運行發電量增加值表

5 數值模擬結果及分析

5.1 模型建立與邊界條件

本文采用FLUENT 軟件進行數值模擬[6]，數值計算比較1 臺機組運行和2 臺機組運行時不同的優化方案增加的發電水頭，并與水工模型試驗結果進行對比分析。利用ICEM 建模劃分結構化網格[7]，模型網格劃分見圖3，網格數量控制在100 000 左右。求解方式為基于壓力的瞬態求解法，利用VOF法求解自由表面流動[8]，選擇隱式格式的參數方程并利用PISO 算法對速度場進行耦合計算。模型上游邊界設置為壓力入口，下游邊界設置為壓力出口。采用湍流模型，進出口邊界設定湍流條件，使用k-epsilon 模型。為進一步探究擋墻后移的距離對下游水面線的影響，除計算表1 中6 個工況外，同時研究擋墻后移10.00 m 與14.00 m 時下游水面線分布，數值計算的補充工況見表4。

圖3 尾水河道網格劃分圖

表4 機組出力與下游尾水位關系研究數值補充工況表

5.2 數值模擬結果分析

圖4 為工況1 整體流態云圖。圖4 中上部深色表示空氣，下部深色表示水，中間灰色區域表示水氣兩摻，深色到淺色再到深色的過渡表示摻氣濃度增加。工況1 下游處由于出現水躍，摻氣濃度大，故流態云圖中顯示的水氣兩摻現象明顯。對整體流態云圖進行分析，2 種優化方案都可明顯減少摻氣現象，降低尾水位，使下游尾水流態更加平順。

圖4 工況1 整體流態云圖

模型試驗測量結果與數值模擬結果對比見圖5。由圖5 可知，數值模擬的水面高程與實際水工模型試驗所測高程的差值均在5%以內，數值模擬結果與水工試驗測量值擬合良好。數值模擬結果表明水工模型試驗測量結果的可靠性強，同時水工模型試驗的結果表明數值模擬具有一定的可靠性，可以為水面線測量和計算提供參考和依據。

圖5 不同工況水面平均高程對比圖

擋墻后移距離對下游水面線影響的結果見圖6。從圖6 可看出，擋墻后移會使水面線高度有一定程度的降低。后移7.00 m 時水面線高度降低的平均值為0.258 m，后移10.00 m 時水面線高度降低的平均值為0.348 m，后移14.00 m 時水面線高度降低的平均值為0.395 m。隨著擋墻后移距離的增加，水面線高度降低的速度并非線性變化，并可推測，擋墻后移距離繼續增加時，水面線高度降低值趨于穩定。

圖6 擋墻后移距離對水面線高程影響圖

6 結論

本文提出一種研究水電站尾水出口混凝土擋墻的布置對水輪機機組出力影響的方法。首先通過水輪機效率試驗，得到水輪機組相對效率、水頭損失等相關特性曲線，確定水輪機組最大出力。其次采用模型試驗與數值模擬相互對比驗證的方式，研究尾水出口處混凝土擋墻布置形式對尾水位影響的定量關系。提出2 種擋墻布置優化方案，并計算優化方案下機組發電增量。

1 臺機組運行時，方案1 擋墻高度不變后移7.00 m，尾水箱涵出口軸線處水面高程分別降低0.35，0.21，0.24，0.16 m，增加發電量111 839 kW·h；方案2 擋墻位置不變降低0.50 m，尾水箱涵出口軸線處水面高程分別降低0.03，0.11，0.08，0.13 m，增加發電量38 754 kW·h。

2 臺機組運行時，方案1 擋墻高度不變后移7.00 m，尾水箱涵出口軸線處水面高程分別降低0.06，0.19，0.05，0.09 m，增加發電量155 017 kW·h；方案2 擋墻位置不變降低0.50 m，尾水箱涵出口軸線處水面高程分別降低0.16，0.46，0.19，0.09 m，增加發電量258 091 kW·h。

數值模擬的水面高程與實際水工模型試驗所測高程的差值均在5%以內，表明數值模擬結果與水工模型試驗測量值擬合良好。計算擋墻后移7.00，10.00，14.00 m 時下游水位平均高程，隨著擋墻后移距離的增加，水位高度降低的幅度趨于穩定。