避免含超長引水明渠的水電站壓力前池漏空的調(diào)度方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種避免含超長引水明渠的水電站壓力前池漏空的調(diào)度方法，是利用水電站引水明渠的渠首進水閘進行提前開啟的調(diào)度策略，即在機組開啟增負(fù)荷前，渠首進水閘需提前開啟至機組引用流量所對應(yīng)的開度，以保證明渠中的流量，機組在閘門開啟后等待一定的時間再開啟，避免了因明渠調(diào)節(jié)滯后導(dǎo)致前池流量不足出現(xiàn)漏空。本發(fā)明還給出了一種簡單計算閘門提前開啟時間（或機組開啟等待時間）的方法，明確電站在此提前開啟時間的基礎(chǔ)上增負(fù)荷，可以避免超長引水明渠以及壓力前池中出現(xiàn)漏空的現(xiàn)象，并保證了一定的經(jīng)濟效益，為水電站的安全穩(wěn)定經(jīng)濟運行提供了基礎(chǔ)。
【專利說明】
避免含超長引水明渠的水電站壓力前池漏空的調(diào)度方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種解決具有超長無壓引水明渠水電站壓力前池漏空的調(diào)度策略，屬 于水利水電工程領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著水資源的開發(fā)利用，很多引水式水電站工程由于地形地質(zhì)條件、施工條件等 限制，不適合使用單一的有壓管道引水，而常采用超長明渠結(jié)合有壓管道的布置型式。在超 長引水明渠的水電站中，通常設(shè)置壓力前池，其作用為:平穩(wěn)水頭，分配水量，渲泄、攔截和 排除污物、泥沙、浮冰等;并且前池須設(shè)立溢流堰，以降低機組甩負(fù)荷時前池的雍高水位。一 般情況下，壓力前池體積較小，所蓄水量較少，當(dāng)機組增負(fù)荷時，由于無壓非恒定漸變流波 速傳播慢，調(diào)節(jié)滯后，而機組的開啟時間較快(通常30s以內(nèi)），渠首的流量無法及時傳至前 池供給機組發(fā)電，機組開啟運行所需的流量只能由前池內(nèi)的所蓄水量提供。因此前池會被 拉空或低于規(guī)范要求的最低水位，導(dǎo)致機組無法安全穩(wěn)定運行。根據(jù)超長明渠的規(guī)模，若要 求前池能夠滿足機組正常開啟并保證安全穩(wěn)定運行，其體積須是傳統(tǒng)設(shè)計尺寸的十幾倍甚 至幾十倍，對于工程而言不易實現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 發(fā)明目的：針對目前具有超長引水明渠的水電站一般前池體積較小，在機組開啟 時易發(fā)生明渠或前池拉空的問題，本發(fā)明旨在提供一種避免含超長引水明渠的水電站壓力 前池漏空的調(diào)度策略，并盡可能的減小棄水，提升電站運行的安全性和經(jīng)濟性。
[0004] 技術(shù)方案:為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種避免含超長引水明渠的水電 站壓力前池漏空的調(diào)度方法，是在超長引水明渠的進口處設(shè)有可調(diào)節(jié)流量的進水閘門，所 述超長引水明渠的出口與壓力前池連接，根據(jù)機組所引用的流量，提前開啟閘門到機組引 用流量所對應(yīng)的開度，以保證明渠中的流量，避免因明渠調(diào)節(jié)滯后導(dǎo)致前池流量不足出現(xiàn) 漏空;所述提前開啟時間利用機組穩(wěn)定運行時明渠首斷面和末端面的流量、水位參數(shù)，進行 計算。由于機組在閘門開啟后等待一定的時間再開啟，從而了避免因明渠調(diào)節(jié)滯后導(dǎo)致前 池流量不足出現(xiàn)漏空的現(xiàn)象。
[0005] 具體地，所述所述閘門提前開啟時間（機組開啟等待時間
[0008]式中，1為渠首閘門至前池間明渠的長度，V1、C1為穩(wěn)定運行時首斷面的流速、波速， vn、cn為穩(wěn)定運行時末斷面的流速、波速，^為明渠表面波由渠首閘門傳至前池的時間，^為 經(jīng)前池反射傳播回渠首的時間。
[0009] 具體地，若機組等待時間
，則可保證機組開機時前池水 位滿足安全穩(wěn)定運行的要求;若機組等待時間
.則會造成壓力 前池水位低于前池控制標(biāo)準(zhǔn)，并進而拉空前池，無法保證電站機組正常安全穩(wěn)定運行。
[0010] 本發(fā)明的調(diào)度策略可以避免壓力前池及引水明渠拉空。設(shè)于超長引水明渠的渠首 進口處的閘門，不僅發(fā)揮傳統(tǒng)意義上的檢修及事故緊急關(guān)閉功能，還具有調(diào)節(jié)明渠引用流 量的功能。無壓引水明渠末端與壓力前池連接。當(dāng)機組增負(fù)荷時，根據(jù)機組所需的流量，將 進水閘門開啟到相應(yīng)的開度，以增加渠道中的流量至機組正常運行所需的流量。由于不同 類型閘門的過流特性均不同，閘門的過流量對應(yīng)的水位及閘門開度可由閘門廠家提供。具 體實施時，可建立機組不同引用流量與閘門開度的對應(yīng)關(guān)系，輸入控制系統(tǒng)，當(dāng)機組引用流 量變化時，閘門自動調(diào)節(jié)到對應(yīng)的開度。
[0011]電站引在電站機組開啟之前，上游閘門提前開啟至機組所需流量對應(yīng)的開度。由 于不同引水明渠長度不同，水流到達前池的時間也不相同，因此渠首閘門提前開啟的時間 也不同，提前開啟時間（即機組開啟等待時間，下同）可以根據(jù)明渠漸變非恒定流表面波傳 播波速計算公式進行初步估算。由于各斷面的水深、流量均不相同，渠首閘門提前開啟的準(zhǔn) 確時間需要通過過渡過程數(shù)值模擬的大量試算才能得出。
[0012]通過推導(dǎo)的計算公式以及根據(jù)大量的試算結(jié)果呈現(xiàn)規(guī)律，提供一種確定上游閘門 提前開啟的時間的初估方法，解決含長引水電站明渠中，由于機組增負(fù)荷導(dǎo)致前池水位被 拉空的問題。具體計算方式見實施方式。
[0013]利用特征線法解一維明渠非恒定流的圣維南方程組，有：
[0015] 其中，前一斷面水位、流量的變化，傳至下一斷面的時間
后一斷面水 位、流量的變化，傳至前一斷面的
[0016] 由于明渠非恒定流中各斷面的流速、水深隨時間變化，所求時間dthdts也隨時間 變化，因此由上游渠首閘門開啟，表面波傳至前池而導(dǎo)致的前池水位開始變化的總時間t i/dti以及經(jīng)前池反射后的表面波傳至渠首的總時間t 2 = Jdt2無法進行方便的準(zhǔn)確計算， 因此在沒有進行數(shù)值模擬的前提下只能利用明渠非恒定流表面波傳播公式近似計算。
[0017] 根據(jù)明渠非恒定流表面波波速的傳播公式，可以計算出渠首和渠末斷面的波速。 渠首斷面，波向下游傳播，波速為v+c;渠末斷面，波向上游傳播，波速為v-c。
[0018] 根據(jù)明渠非恒定流波傳播規(guī)律，利用機組穩(wěn)定運行時明渠首斷面和末端面的流 量、水位參數(shù)計算。明渠表面波由渠首閘門傳至前池的時間可以按下式進行估算：
[0020]式中：L一一渠首閘門至前池間明渠的長度，m;
[0021 ] νι--穩(wěn)定運行時首斷面的流速、波速，m/s;
[0022] ci--穩(wěn)定運行時首斷面的波速，m/s;
[0023 ] Vn--穩(wěn)定運行時末斷面的流速、波速，m/s;
[0024] Cn--穩(wěn)定運行時首斷面的波速，m/s;。
[0025]經(jīng)前池反射傳播回渠首的時間可以按下式進行估算：
[0027]理論上來說，當(dāng)明渠表面波傳至前池時機組就能夠開啟，但明渠表面波的調(diào)節(jié)具 有很強的滯后性，調(diào)節(jié)較弱，故機組開啟等待時間采用七偏危險;而若繼續(xù)等待經(jīng)反射的表 面波傳回至渠首閘門，以引起閘門處的進一步反應(yīng)，即采用七+^，則又偏保守。因此，渠首閘 門提前開啟的時間T應(yīng)當(dāng)在區(qū)間中選取，經(jīng)大量試算，優(yōu)選地，取閘門提前開啟時 間為：
[0029]式中：Q--機組運行所需的總流量，m3/s;
[0030] Qo--初始時刻渠道中的流量，m3/s;
[0031] Tn一一閘門開啟時間，s;
[0032] k--安全系數(shù)，取1.0~1.1。
[0033] 即機組在閘門開啟后等待
>開啟，如此即可保證機組開機時 前池水位滿足安全穩(wěn)定運行的要求。
[0034] 有益效果:本發(fā)明利用水電站引水明渠的渠首進水閘進行提前開啟的調(diào)度策略， 即在機組開啟增負(fù)荷前，渠首進水閘需提前開啟至機組引用流量所對應(yīng)的開度，以保證明 渠中的流量，機組在閘門開啟后等待一定的時間再開啟，避免了因明渠調(diào)節(jié)滯后導(dǎo)致前池 流量不足出現(xiàn)漏空。成功地解決了具有超長引水明渠的水電站在機組增負(fù)荷時前池出現(xiàn)漏 空的問題?？梢詾閷嶋H工程與應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)及運行調(diào)度策略，并且可以有效利用上游 水資源，減少棄水，經(jīng)濟有效安全，具有非常大的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0035] 圖1為具有超長引水明渠水電站的布置示意圖；
[0036] 圖2為含超長引水明渠水電站防前池漏空運行調(diào)度策略；
[0037] 圖3為本發(fā)明實施例機組不同開啟等待時間下壓力前池水位變化過程線；
[0038] 圖4為本發(fā)明實施例渠首進水閘門、機組開啟規(guī)律示意圖；
[0039] 圖5為本發(fā)明實施例閘門提前開啟3800s情況下，不同時刻點超長引水明渠流量過 程線；
[0040] 圖6為本發(fā)明實施例閘門提前開啟3800s情況下，不同時刻點超長引水明渠沿程水 面線。
[0041] 圖中標(biāo)記為:進水閘1，引水明渠2,壓力前池3,壓力管道4。
【具體實施方式】
[0042] 如圖1所示的具有超長引水明渠水電站引水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，在引水明渠 2的進口端設(shè) 有進水閘1，超長引水明渠2與壓力管道4之間通過壓力前池3連接，壓力前池設(shè)有溢流側(cè)堰， 以降低前池的最高水位。
[0043] 引水明渠2進水口處的進水閘1，其作用除了常規(guī)功能如作為檢修、事故閘門外，還 具有調(diào)節(jié)進入引水明渠2的流量的功能。壓力前池的底高程需根據(jù)明渠非恒定流及有壓管 道非恒定流數(shù)學(xué)模型數(shù)值模擬在危險的工況下開啟機組前池的最低水位，使其滿足規(guī)范要 求。
[0044] 渠首閘門的開度大小可以根據(jù)流量提前設(shè)定，依據(jù)所運行機組的流量，依次設(shè)定 渠首閘門的開度大小。當(dāng)機組增負(fù)荷時，根據(jù)增負(fù)荷機組所需的流量，將進水閘門開啟到相 應(yīng)開度。
[0045] 使用時，某具有超長引水明渠的水電站，引水明渠總長10.884km。電站總裝機 67MW，廠房內(nèi)安裝3臺混流式水輪機，有壓引水管道采用單管單機的布置型式，上游與壓力 前池相連。引水系統(tǒng)包括進水閘1、引水明渠2、壓力前池3和壓力管道4。引水明渠引用流量 為65.0m 3/s。
[0046] 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)《水利水電工程進水口設(shè)計 規(guī)范》第B. 2.1條規(guī)定，水電站有壓進水口上緣淹沒深度一般不小于2m，前池最低水位出現(xiàn) 在機組增負(fù)荷工況。
[0047] 本實例中，通過渠首進口閘門對明渠引用流量進行調(diào)節(jié)。在電站機組開啟增負(fù)荷 前，進水閘必須提前開啟到所需流量對應(yīng)開度，且該提前開啟時間（機組開啟等待時間）必 須滿足一定的標(biāo)準(zhǔn)，方能保證明渠有足夠的調(diào)節(jié)能力和引用流量，否則就會造成前池漏空， 具體調(diào)度如圖2所示。
[0048] 工況1:前池正常運行水位，下游正常尾水位，三臺機組同時增負(fù)荷至額定出力。閘 門開啟時間T闡=60s。
[0049] 對于工況1，按技術(shù)方案中所述，渠首閘門提前開機時間（機組開啟等待時間）
，由此可以選取渠首閘門提前開 啟時間為3800s，利用明渠非恒定流結(jié)合有壓管道非恒定流聯(lián)合計算的過渡過程程序可以 計算出該工況下明渠內(nèi)水位、流量、前池水位、有壓管道壓力、機組轉(zhuǎn)速等變化過程。計算結(jié) 果顯示，前池不會被拉空，且滿足最低水位的要求。
[0050] 如圖3所示，當(dāng)前池為正常運行水位，進水閘、機組同時開啟，即進水閘不提前開啟 的情況下，三臺機組同時發(fā)生增負(fù)荷時前池內(nèi)的水位快速下降，200s左右前池中水位低于 最低允許水位，出現(xiàn)拉空現(xiàn)象，最終明渠內(nèi)出現(xiàn)斷流，無法保證機組繼續(xù)正常運行。在進水 閘提前開啟1000s的情況下，即三臺機組同時等待1000s后增負(fù)荷時，前池內(nèi)的水位在1200s 左右前池中水位低于前池最低控制水位，隨即出現(xiàn)拉空現(xiàn)象，最終明渠內(nèi)出現(xiàn)斷流，無法保 證機組繼續(xù)正常運行。進水閘提前開啟2000s及3000s的現(xiàn)象同上。由于該水電站的無壓引 水明渠長達10.884公里，明渠內(nèi)的水體遲滯性較明顯，進水閘開啟后，水流需經(jīng)過很長一段 時間后才能到達前池，補充機組發(fā)電所需流量。由此可以看出，進水閘提前開啟時間不足， 也會導(dǎo)致機組開機時前池的最低水位不滿足要求。
[0051 ]直到渠首進水閘門提前3800s開啟，三臺機組同時等待3800s后增負(fù)荷時，壓力前 池的水位方能高于最低控制水位標(biāo)準(zhǔn)，從而滿足機組的發(fā)電引用流量需求，保證電站的安 全穩(wěn)定運行。此時壓力前池內(nèi)的水位呈現(xiàn)先增后突降再緩緩降低的趨勢，并逐漸趨于穩(wěn)定。
[0052] 圖4所示即為本實施例調(diào)度策略下渠首進口閘門及機組開啟規(guī)律，進口閘門在Os 時開啟，60s內(nèi)開啟至三臺機組發(fā)電所需引用流量65.0m3/s;機組則在等待3800s后開始啟 動增負(fù)荷。
[0053] 如圖5、圖6所示，當(dāng)渠首進水閘門提前3800s開啟至發(fā)電引用流量所對應(yīng)的開度 時，引水明渠內(nèi)流量增加，水位也隨之增加;且越靠近渠首處的斷面流量、水位越先變化。在 3000s時，壓力前池處的流量才達到21.3m 3/s，體現(xiàn)出明渠調(diào)節(jié)性能緩慢的特性。
[0054]以上結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施方式做出詳細說明，但本發(fā)明不局限于所描述的實 施方式。對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，在本發(fā)明的原理和技術(shù)思想的范圍內(nèi)，對這些實施 方式進行多種變化、修改、替換和變形仍落入本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種避免含超長引水明渠的水電站壓力前池漏空的調(diào)度方法，其特征在于:在超長 引水明渠的進口處設(shè)有可調(diào)節(jié)流量的進水閘門，所述超長引水明渠的出口與壓力前池連 接，根據(jù)機組所引用的流量，提前開啟閘門到機組引用流量所對應(yīng)的開度，以保證明渠中的 流量，避免因明渠調(diào)節(jié)滯后導(dǎo)致前池流量不足出現(xiàn)漏空;所述提前開啟時間利用機組穩(wěn)定 運行時明渠首斷面和末端面的流量、水位參數(shù)進行計算。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的避免含超長引水明渠的水電站壓力前池漏空的調(diào)度方法，其 特征在于:所述所述閘門提前開啟時間T e (tl，t+ts)式中，1為渠首閘門至前池間明渠的長度，V1、C1為穩(wěn)定運行時首斷面的流速、波速，Vn、 Cn 為穩(wěn)定運行時末斷面的流速、波速為明渠表面波由渠首閘門傳至前池的時間，t2為經(jīng)前 池反射傳播回渠首的時間。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的避免含超長引水明渠的水電站壓力前池漏空的調(diào)度方法，其 特征在于：.則可保證機組開機時前池水位滿足安全穩(wěn) 定運行的要求；則會造成壓力前池水位低于前池控制標(biāo) 準(zhǔn)，并進而拉空前池，無法保證電站機組正常安全穩(wěn)定運行； 式中：Q為機組運行所需的總流量，m3/s; Q〇為初始時刻渠道中的流量，m3/s; T闡為閘門開啟時間，s; K為安全系數(shù)，取1.0~1.1。
【文檔編號】E02B9/02GK105926550SQ201610272222
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年4月28日
【發(fā)明人】陳 勝, 崔偉杰, 張健, 俞曉東, 劉甲春, 苗帝
【申請人】河海大學(xué)