论文 景洪水电站水力驱动式升船机

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1、452景洪水电站水力驱动式升船机输水系统数值仿真分析计算摘 要：本文在景洪水力驱动式升船机输水系统供水管路布置型式的基础上，根据水流、平衡筒及承船厢运行原理，建立输水系统数值仿真模型，仿真输水管道及竖井充泄水流量过程，计算分析了输水系统的水力特性及承船厢的运行特性。本文还计算比较不同的平衡筒与竖井间隙情况下，承船厢出入水时竖井水位响应过程及承船厢运行特性，从而为为该种型式升船机的设计和应用提供参考依据。关键词：水力驱动式升船机 输水系统 仿真 1 前言景洪水电站为澜沧江干流中下游河段规划梯级中第六级，是兼顾发电、航运的综合性水利枢纽工程。景洪水电站航运过坝建筑物的规模按级航道、300t 级船型

2、设计，远期考虑 500t 船只通航过坝，其通航运行条件是为：上游最高通航水位 602.00m、最低通航水位 591.00m；下游最高通航水位544.90m，下游最低通航水位 535.58m。年通航 310 天，每天工作 21 小时，年货运量 1358000t（双向）。通过多方经济技术比较，通航过坝方式采用水力驱动升船机。水力驱动式升船机是一种新型的通航过坝建筑物，在安全性及机构的简化方面跟其他型式升船机相比具有较大的优势，但目前在国内外尚无这种型式的升船机投入实际运行，无实际经验可循，由于“水力驱动”是该升船机与其他型式升船机的主要区别，因此建立输水系统的水力学非恒定流数学模型，对升船机输水过

3、程进行数值仿真就显得尤为必要，通过对不同方案输水系统的仿真计算分析和比较，可以初步研究输水系统水力特性及升船机的运行特性，为升船机输水系统的合理布置提供科学依据。由于仿真模型具有参数可调的特点，通过该仿真系统还可研究不同竖井与平衡筒之间的间隙大小对升船机运行的影响，为该型式升船机的关键参数的确定提供参考数据，并与物理模型试验相互验证和补充。2 输水系统数值仿真模型2.1 模型的建立2.1.1 输水系统能量方程 竖 井， , 4， Q， A， 3， 2， 1， Q， A， 0， v，（ 下 游 水 库 ）上 游 水 库图 2.1 景洪升船机输水系统概化图升船机输水系统概化如图 2.1，先考虑竖井

4、充水（承船厢下降）的情况，根据能量守恒 Bernouli方程可得：453242421200 .)( sv gAQgAQhH（1）. 410 dtLdtLtgA其中：H上游水库水位； h竖井水位；A 各管道计算断面面积； As竖井横截面积；L各管道段惯性长度；Q 各管道段的流量； 各管道段的阻力系数； 阀门阻力系v数。由于系统供水管路按等惯性布置，在阻力系数相同情况下，分流口可按平均对称分流处理，方程（1）可整理为：24240216208 )(.)( sv gAQgAgAhH（2）dtLL401304.为统一和方便起见，可令竖井输水流量： 4Q阻力项系数： 240216208.)(),( gAg

5、Afv惯性项系数： 401304.),( LLf方程（2）可写为：（3）dtQAfgAfhHs),(2),(2同时考虑竖井充、泄水的情况，方程（4）可整理为：（4）tLffs),(1),(2其中正号表示充水，负号表示泄水。2.1.2 水流、平衡筒及承船厢系统整体运动方程水力驱动式升船机的原理就是通过向竖井内充泄水，增大或减小平衡筒所受的浮力来驱动平衡筒运动，进而带动承船厢系统下降或上升（见图 2.2） ，如果不考虑钢丝绳的重量及弹性作用，整个系统的运动遵循牛顿第二定律，分别对平衡筒和承船厢作运动受力分析可得：（5）cppffcpw MgKXhMgAdtX4)1()1(2)(42 m454其中：

6、 竖井水位； 平衡筒底面位置高程； 单个平衡重质量； hXpMcM该钢丝绳承担的船箱质量。 钢丝绳受力； 作用在平衡筒上浮力； 水体质量密gFfFw度。 系统摩擦系数，按系统阻力为 100T 估算，并以承船fK厢及平衡筒的重量作为参考力， 取 0.0121。fK令 cpwMgA4cppff g)1()1(2m方程（7）可统一写为：（6） )(2Xhdt2.1.3 水流连续方程由图 2.2 可知，竖井水流需满足连续性条件，则竖井内输水流量可用下式表示：（7） dthAdtQpss )()(其中： 竖井横截面积； 平衡筒底面积； sAQ竖井输水流量。方程（7）可整理为： （8） dthAdtXQp

7、sp)(2.1.4 输水系统数值仿真模型联合输水系统水流能量方程（4） 、整体运动方程（6）及连续方程（8） ，可建立输水管道、平衡筒及承船厢系统的整体仿真模型，通过仿真计算，可以得到输水主管道及竖井的供水流量响应过程，同时还可以模拟水力驱动下的平衡筒及承船厢系统的运行过程。（9）)( ),(21),(2 2XhdtdthAtQdtQALfgfhHpsps承 船 厢平 衡 筒 竖井FfFgMcMphX图 2.2 水流、平衡筒及承船厢系统受力分析图4552.2 阻力系数景洪升船机输水管道系统按等惯性布置，通过各级分流口向 16 个竖井供水，按分流口可划分为5 个输水管道段，由各管道段的沿程阻力系

8、数、局部阻力系数和惯性长度，就可以确定输水系统的阻力项系数及惯性项系数。3 升船机输水系统运行仿真计算3.1 输水系统布置及运行参数景洪升船机输水系统设计方案和修改方案输水系统布置及整体运行参数见表 3.1。两方案的主管路及第一级分管路直径均为 2.2m。设计方案第二至第四级分管路直径从 1.6m 逐级减小至 0.8m，竖井横截面为 6.3m* 6.3m（边长 *边长）的正方形，四周导圆半径为 1.5m，横截面积为 37.76m2，平衡筒与竖井间隙为 0.2m；修改方案第二至第四级分管路直径均为 1.6m，竖井横截面采用直径为 6.9m 的圆形，横截面积为 37.39m2，平衡筒与竖井间隙为

9、0.1m。上游最高通航水位：602.00m，上游最低通航水位：591.00m；下游最高通航水位： 544.90m，下游最低通航水位： 535.58m。表 3.1 升船机输水系统布置及整体运行参数名称 参数 设计方案 修改方案各级管道直径(m) 2.2、 2.2、1.6 、1.2、0.8 2.2、2.2、1.6、1.6、1.6阀门启闭方式 线性匀速启闭 线性匀速启闭输水管路系统 阀门启闭时间（s ） 60 60横截面形状 6.3 6.3-R1.5（边长边长，四角导圆半径为 R） 6.5 圆形横截面积（m 2） 37.76 33.18竖井数量 16 16横截面形状 5.95.9-R1.3 （边长边

10、长，四角导圆半径为 R） 6.3 圆形横截面积（m 2） 33.36 31.17重量（t） 344 344平衡筒数量 16 16横截面积（m 2） 69.112.0=829.2（长宽）净重（t） 800正常水深（m） 2.5m正常水重（t） 1800误载水深（m） 2.5 0.2m承船厢最大水重（t） 19443.2 两方案输水系统仿真计算结果根据输水系统布置及运行参数，再联合求解输水系统数值仿真模型，在上游最高通航水位602.00m 及下游最低通航水位 535.80m 的运行条件下，模拟了升船机设计及修改方案的充、泄水过程，图 3.1（a） 、 （b）为设计方案竖井充、泄水水力特性曲线及承船

11、厢运行速度曲线；图 3.2（a） 、 （b）为修改方案竖井充、泄水水力特性曲线及承船厢运行速度曲线，其仿真计算统计结果见表 3.2。456表 3.2 两种方案输水系统充、泄水仿真计算结果设计方案 修改方案方案工况特征参数 充水 泄水 充水 泄水主管道最大输水流量(m 3/s) 37.70 35.49 40.24 37.20输水管道最大流速（m/s） 9.9 9.3 10.6 9.8平衡筒最大淹没水深(m) 8.59 8.09 9.22 8.66正常运行中 0.062 0.059 0.076 0.072竖井水面升降速度(m/s) 承船厢入(出)水 0.248 0.242 0.384 0.359正

12、常运行中 0.125 0.119 0.152 0.140承船厢最大运行速度(m/s) 承船厢入(出)水 0.047 0.067 0.069 0.094阀门开启 0.009 0.005 0.008 0.007阀门关闭 -0.002 -0.003 -0.002 -0.003承船厢最大运行加速度(m/s2) 承船厢入(出)水 -0.060 0.065 -0.046 0.073总运行时间(s) 687 781 561 649充泄水体积（m 3） 20693.6 18049.2从表 3.2 可以看出：（1）设计方案输水系统主管道最大充、泄水流量分别为 37.70 m3/s 和 35.49 m3/s，管道

13、中最大流速分别为 9.9m/s 和 9.3m/s，相应竖井水位上升、下降速度分别为 0.062 m/s 和 0.059 m/s，承船厢最大运行速度分别可达 0.125 m/s 和 0.119 m/s；输水系统充、泄水运行总时间分别为 687s 和781s，一次充泄水体积约为 20693m3；阀门启闭过程中承船厢运行加速度最大为 0.009 m/s2，承船厢入（出）水时其运行加速度随之骤然减小或增大，其峰值分别为-0.06 m/s 2 和 0.065 m/s2 。图 3.1(a) 竖井及主管道充水水力特性曲线（设计方案）00.050.10.150.20.250 100 200 300 400 5

14、00 600 700 800t(s)竖井水面上升速度(m/s)05101520253035400 100 200 300 400 500 600 700 800t(s)Q0(m3/s)5205305405505605705805906006100 100 200 300 400 500 600 700 800t(s)高程(m) 竖 井 水 位平 衡 重 底 部 高 程承 船 厢 位 置 高 程-0.0200.020.040.060.080.10.120.140 100 200 300 400 500 600 700 800t(s)承船厢下降速度(m/s)457图 3.1(b) 竖井及主管道泄水

15、水力特性曲线（设计方案）图 3.2 (a) 竖井及主管道充水水力特性曲线（修改方案）5205305405505605705805906006100 100 200 300 400 500 600 700 800 900t(s)高程(m) 竖 井 水 位平 衡 重 底 部 高 程承 船 厢 位 置 高 程00.050.10.150.20.250.30 100 200 300 400 500 600 700 800 900t(s)竖井水面下降速度(m/s)05101520253035400 100 200 300 400 500 600 700 800 900t(s)Q0(m3/s)-0.0200.020.040.060.080.10.120.140.160 100 200 300 400 500 600 700 800 900t(s)承船厢上升速度(m/s)5205305405505605705805906006100 100 200 300 400 500 600t(s)高程(m) 竖 井 水 位平 衡 重 底 部 高 程承 船 厢 位 置 高 程-0.0500.050.10.150.2