避免含超长引水明渠的水电站压力前池漏空的调度方法

技术领域

本发明涉及一种解决具有超长无压引水明渠水电站压力前池漏空的调度策略，属于水利水电工程领域。

背景技术

随着水资源的开发利用，很多引水式水电站工程由于地形地质条件、施工条件等限制，不适合使用单一的有压管道引水，而常采用超长明渠结合有压管道的布置型式。在超长引水明渠的水电站中，通常设置压力前池，其作用为：平稳水头，分配水量，渲泄、拦截和排除污物、泥沙、浮冰等；并且前池须设立溢流堰，以降低机组甩负荷时前池的雍高水位。一般情况下，压力前池体积较小，所蓄水量较少，当机组增负荷时，由于无压非恒定渐变流波速传播慢，调节滞后，而机组的开启时间较快(通常30s以内)，渠首的流量无法及时传至前池供给机组发电，机组开启运行所需的流量只能由前池内的所蓄水量提供。因此前池会被拉空或低于规范要求的最低水位，导致机组无法安全稳定运行。根据超长明渠的规模，若要求前池能够满足机组正常开启并保证安全稳定运行，其体积须是传统设计尺寸的十几倍甚至几十倍，对于工程而言不易实现。

发明内容

发明目的：针对目前具有超长引水明渠的水电站一般前池体积较小，在机组开启时易发生明渠或前池拉空的问题，本发明旨在提供一种避免含超长引水明渠的水电站压力前池漏空的调度策略，并尽可能的减小弃水，提升电站运行的安全性和经济性。

技术方案：为了解决上述技术问题，本发明提供一种避免含超长引水明渠的水电站压力前池漏空的调度方法，是在超长引水明渠的进口处设有可调节流量的进水闸门，所述超长引水明渠的出口与压力前池连接，根据机组所引用的流量，提前开启闸门到机组引用流量所对应的开度，以保证明渠中的流量，避免因明渠调节滞后导致前池流量不足出现漏空；所述提前开启时间利用机组稳定运行时明渠首断面和末端面的流量、水位参数，进行计算。由于机组在闸门开启后等待一定的时间再开启，从而了避免因明渠调节滞后导致前池流量不足出现漏空的现象。

具体地，所述所述闸门提前开启时间(机组开启等待时间)T∈(t₁，t₁+t₂)

$t_1=\frac{L}{2}(\frac{1}{v_1+c_1}+\frac{1}{v_n+c_n})$

$t_2=\frac{L}{2}(\frac{1}{\left|v_1-c_1\right|}+\frac{1}{\left|v_n-c_n\right|})$

式中，1为渠首闸门至前池间明渠的长度，v₁、c₁为稳定运行时首断面的流速、波速，v_n、c_n为稳定运行时末断面的流速、波速，t₁为明渠表面波由渠首闸门传至前池的时间，t₂为经前池反射传播回渠首的时间。

具体地，若机组等待时间则可保证机组开机时前池水位满足安全稳定运行的要求；若机组等待时间则会造成压力前池水位低于前池控制标准，并进而拉空前池，无法保证电站机组正常安全稳定运行。

本发明的调度策略可以避免压力前池及引水明渠拉空。设于超长引水明渠的渠首进口处的闸门，不仅发挥传统意义上的检修及事故紧急关闭功能，还具有调节明渠引用流量的功能。无压引水明渠末端与压力前池连接。当机组增负荷时，根据机组所需的流量，将进水闸门开启到相应的开度，以增加渠道中的流量至机组正常运行所需的流量。由于不同类型闸门的过流特性均不同，闸门的过流量对应的水位及闸门开度可由闸门厂家提供。具体实施时，可建立机组不同引用流量与闸门开度的对应关系，输入控制系统，当机组引用流量变化时，闸门自动调节到对应的开度。

电站引在电站机组开启之前，上游闸门提前开启至机组所需流量对应的开度。由于不同引水明渠长度不同，水流到达前池的时间也不相同，因此渠首闸门提前开启的时间也不同，提前开启时间(即机组开启等待时间，下同)可以根据明渠渐变非恒定流表面波传播波速计算公式进行初步估算。由于各断面的水深、流量均不相同，渠首闸门提前开启的准确时间需要通过过渡过程数值模拟的大量试算才能得出。

通过推导的计算公式以及根据大量的试算结果呈现规律，提供一种确定上游闸门提前开启的时间的初估方法，解决含长引水电站明渠中，由于机组增负荷导致前池水位被拉空的问题。具体计算方式见实施方式。

利用特征线法解一维明渠非恒定流的圣维南方程组，有：

$\left(\begin{array}{cc}\frac{dx}{dt}=v\pm c& c=\sqrt{g\frac{A}{B}}\end{array}\right)$

其中，前一断面水位、流量的变化，传至下一断面的时间后一断面水位、流量的变化，传至前一断面的时间

由于明渠非恒定流中各断面的流速、水深随时间变化，所求时间dt₁，dt₂也随时间变化，因此由上游渠首闸门开启，表面波传至前池而导致的前池水位开始变化的总时间t₁＝∫dt₁以及经前池反射后的表面波传至渠首的总时间t₂＝∫dt₂无法进行方便的准确计算，因此在没有进行数值模拟的前提下只能利用明渠非恒定流表面波传播公式近似计算。

根据明渠非恒定流表面波波速的传播公式，可以计算出渠首和渠末断面的波速。渠首断面，波向下游传播，波速为v+c；渠末断面，波向上游传播，波速为v-c。

根据明渠非恒定流波传播规律，利用机组稳定运行时明渠首断面和末端面的流量、水位参数计算。明渠表面波由渠首闸门传至前池的时间可以按下式进行估算：

$t_1=\frac{L}{2}(\frac{1}{v_1+c_1}+\frac{1}{v_n+c_n})$

式中：L——渠首闸门至前池间明渠的长度，m；

v₁——稳定运行时首断面的流速、波速，m/s；

c₁——稳定运行时首断面的波速，m/s；

v_n——稳定运行时末断面的流速、波速，m/s；

c_n——稳定运行时首断面的波速，m/s；。

经前池反射传播回渠首的时间可以按下式进行估算：

$t_2=\frac{L}{2}(\frac{1}{\left|v_1-c_1\right|}+\frac{1}{\left|v_n-c_n\right|})$

理论上来说，当明渠表面波传至前池时机组就能够开启，但明渠表面波的调节具有很强的滞后性，调节较弱，故机组开启等待时间采用t₁偏危险；而若继续等待经反射的 表面波传回至渠首闸门，以引起闸门处的进一步反应，即采用t₁+t₂，则又偏保守。因此，渠首闸门提前开启的时间T应当在区间(t₁，t₁+t₂)中选取，经大量试算，优选地，取闸门提前开启时间为：

式中：Q——机组运行所需的总流量，m³/s；

Q₀——初始时刻渠道中的流量，m³/s；

T_闸——闸门开启时间，s；

k——安全系数，取1.0～1.1。

即机组在闸门开启后等待开启，如此即可保证机组开机时前池水位满足安全稳定运行的要求。

有益效果：本发明利用水电站引水明渠的渠首进水闸进行提前开启的调度策略，即在机组开启增负荷前，渠首进水闸需提前开启至机组引用流量所对应的开度，以保证明渠中的流量，机组在闸门开启后等待一定的时间再开启，避免了因明渠调节滞后导致前池流量不足出现漏空。成功地解决了具有超长引水明渠的水电站在机组增负荷时前池出现漏空的问题。可以为实际工程与应用提供理论基础及运行调度策略，并且可以有效利用上游水资源，减少弃水，经济有效安全，具有非常大的应用前景。

附图说明

图1为具有超长引水明渠水电站的布置示意图；

图2为含超长引水明渠水电站防前池漏空运行调度策略；

图3为本发明实施例机组不同开启等待时间下压力前池水位变化过程线；

图4为本发明实施例渠首进水闸门、机组开启规律示意图；

图5为本发明实施例闸门提前开启3800s情况下，不同时刻点超长引水明渠流量过程线；

图6为本发明实施例闸门提前开启3800s情况下，不同时刻点超长引水明渠沿程水面线。

图中标记为：进水闸1，引水明渠2，压力前池3，压力管道4。

具体实施方式

如图1所示的具有超长引水明渠水电站引水系统的结构，在引水明渠2的进口端设有进水闸1，超长引水明渠2与压力管道4之间通过压力前池3连接，压力前池设有溢流侧堰，以降低前池的最高水位。

引水明渠2进水口处的进水闸1，其作用除了常规功能如作为检修、事故闸门外，还具有调节进入引水明渠2的流量的功能。压力前池的底高程需根据明渠非恒定流及有压管道非恒定流数学模型数值模拟在危险的工况下开启机组前池的最低水位，使其满足规范要求。

渠首闸门的开度大小可以根据流量提前设定，依据所运行机组的流量，依次设定渠首闸门的开度大小。当机组增负荷时，根据增负荷机组所需的流量，将进水闸门开启到相应开度。

使用时，某具有超长引水明渠的水电站，引水明渠总长10.884km。电站总装机67MW，厂房内安装3台混流式水轮机，有压引水管道采用单管单机的布置型式，上游与压力前池相连。引水系统包括进水闸1、引水明渠2、压力前池3和压力管道4。引水明渠引用流量为65.0m³/s。

为保证压力管道内为有压流，防止产生漏斗漩涡，根据《水利水电工程进水口设计规范》第B.2.1条规定，水电站有压进水口上缘淹没深度一般不小于2m，前池最低水位出现在机组增负荷工况。

本实例中，通过渠首进口闸门对明渠引用流量进行调节。在电站机组开启增负荷前，进水闸必须提前开启到所需流量对应开度，且该提前开启时间(机组开启等待时间)必须满足一定的标准，方能保证明渠有足够的调节能力和引用流量，否则就会造成前池漏空，具体调度如图2所示。

工况1：前池正常运行水位，下游正常尾水位，三台机组同时增负荷至额定出力。闸门开启时间T_闸＝60s。

对于工况1，按技术方案中所述，渠首闸门提前开机时间(机组开启等待时间)由此可以选取渠首闸门提前开启时间为3800s，利用明渠非恒定流结合有压管道非恒定流联合计算的过渡过程程序可以计算出该工况下明渠内水位、流量、前池水位、有压管道压力、机组转速等变化过 程。计算结果显示，前池不会被拉空，且满足最低水位的要求。

如图3所示，当前池为正常运行水位，进水闸、机组同时开启，即进水闸不提前开启的情况下，三台机组同时发生增负荷时前池内的水位快速下降，200s左右前池中水位低于最低允许水位，出现拉空现象，最终明渠内出现断流，无法保证机组继续正常运行。在进水闸提前开启1000s的情况下，即三台机组同时等待1000s后增负荷时，前池内的水位在1200s左右前池中水位低于前池最低控制水位，随即出现拉空现象，最终明渠内出现断流，无法保证机组继续正常运行。进水闸提前开启2000s及3000s的现象同上。由于该水电站的无压引水明渠长达10.884公里，明渠内的水体迟滞性较明显，进水闸开启后，水流需经过很长一段时间后才能到达前池，补充机组发电所需流量。由此可以看出，进水闸提前开启时间不足，也会导致机组开机时前池的最低水位不满足要求。

直到渠首进水闸门提前3800s开启，三台机组同时等待3800s后增负荷时，压力前池的水位方能高于最低控制水位标准，从而满足机组的发电引用流量需求，保证电站的安全稳定运行。此时压力前池内的水位呈现先增后突降再缓缓降低的趋势，并逐渐趋于稳定。

图4所示即为本实施例调度策略下渠首进口闸门及机组开启规律，进口闸门在0s时开启，60s内开启至三台机组发电所需引用流量65.0m³/s；机组则在等待3800s后开始启动增负荷。

如图5、图6所示，当渠首进水闸门提前3800s开启至发电引用流量所对应的开度时，引水明渠内流量增加，水位也随之增加；且越靠近渠首处的断面流量、水位越先变化。在3000s时，压力前池处的流量才达到21.3m³/s，体现出明渠调节性能缓慢的特性。

以上结合附图对本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的普通技术人员而言，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。