白鹤滩尾水隧洞明满流对水电站稳定性的影响

孙洪亮 杨飞 李高会 陈益民 倪绍虎

摘要：白鹤滩水电站单机容量为1 000 MW，规模居世界第二。对于水电站而言，引水发电系统的稳定性尤为重要，而该水电站的尾水隧洞存在着明满流现象，严重影响到了引水发电系统的稳定性。为此，采用特征隐格式下的虚拟狭缝法，分析了尾水隧洞内不同流态对机组稳定性及尾水调压室水位波动的影响。分析结果表明：当明满流段流态为明流时，可以加速调压室水位波动收敛，有利于输水系统的稳定;当流态为明满过渡流时，其压力脉动现象会导致机组调节品质变差，不利于输水系统的稳定。此外，明满流段的长度对机组调节品质影响很小，长度的选取不受输水系统稳定性限制。研究成果可为类似输水系统设计和研究提供参考。

关 键 词：输水系统稳定性; 明满过渡流; 尾水隧洞; 数值模拟; 白鹤滩水电站

白鹤滩水电工程为金沙江下游4个水电梯级中的第二个梯级，水库总库容为206.27 亿m3。电站采用地下首部开发方式，左、右岸各布置8台1 000 MW混流式水轮发电机组，总装机容量为16 000 MW，单机额定流量为547.8 m3/s。引水隧洞采用单洞单机、尾水隧洞采用两机一洞的布置方式。由于尾水隧洞较长，左、右岸各布置了4座圆筒形尾水调压室。2～6号尾水隧洞末尾部分洞段由导流洞改建而成，在立面上采用了缓坡段后接陡坡段（衔接段）、然后接平坡段（明满流段）的布置方式，如图1所示，总长997.6～1 744.9 m，尾水位较低时存在明满流现象。

针对变顶高尾水隧洞明满流小波动方面的研究较多。褚宝鑫和樊红刚等[1]对三峡水电站变顶高尾水隧洞进行了研究;邵年等[2]对彭水电站变顶高尾水隧洞进行了研究;周建旭和张建等[3]、李修树和胡铁松[4]、王建华和李修树等[5]、薛阿强和黄国兵等[6]，均对变顶高尾水洞小波动问题进行了研究。上述研究结论均认为与有压隧洞相比，变顶高尾水洞有利于机组稳定，可以代替尾水调压室[7]。陈刚等[8]对某长明满流尾水隧洞的小波动稳定性问题进行了分析，程永光和张师华分析了长尾水明渠波动对机组调节参数的影响[9]，然而他们的研究均没有考虑到明满流滞气等现象，只考虑到了明流波动的影响。

白鹤滩水电站尾水隧洞较长且明满流段为平坡。与变顶高尾水洞不同，平坡明满流尾水洞存在滞留气团现象[10]，可能会引起压力突变，从而影响到机组出力不稳定。有鉴于此，为了保证水电机组的安全稳定运行，本文以该工程6号水力单元为研究对象，采用数值模拟方法，展开了尾水隧洞明满流对输水系统稳定性的影响分析。

1 明满流模拟方法

关于明满流问题的数值模拟常用算法有激波拟合法[11-12]、刚性水柱法[13]和虚拟狹缝法[14]。其中，虚拟狭缝法最常用，该方法是利用明渠非恒定流和有压流非恒定物理方程的相似性，假设管道顶部存在一条狭缝，对有压流和明渠流统一用明渠非恒定流方程（Saint-Venant方程）描述，对于无压流，计算压力为洞内水深，对于有压流则为洞内压强水头，从而有效解决了明满流交界面随时间变化难以确定的问题。对以上偏微分方程经常采用特征线法和Preissmann四点隐格式差分法求解。以上差分方法在求解明满流问题时，由于明流和满流分界处流动波速会发生突变，特征线法受Courant条件限制，有时无法协调有压流和无压流时间步长的巨大差异，所以存在一个计算速度与稳定性矛盾问题[15]。为了解决以上问题，练继建和王俊等提出了变时步特征线法[16]，樊红刚、 陈乃祥常采用特征隐格式法[17-18]，钮新强和杨建东等[19]、树锦和袁健[20]及张宗溥和花玉龙[21]等，通过模型实验证明了特征隐格式法收敛性较好，计算精度高。特征隐格式法具体描述如下。

3 结果分析

3.1 原布置方案分析

原布置方案：尾水隧洞总长为1 516.28 m，其中明满流段长为586.18 m，设有尾水调压室。3种工况下的计算结果分别如表2和图2所示。从各调节指标和机组转速变化曲线来看，工况X1的各调节指标比工况X2和X3略差，工况X2和X3机组转速变化曲线前3个“半波”基本重合，调节品质基本相同。以上对比说明：尾水隧洞明流对机组的稳定性影响很小。而尾水隧洞内发生明满过度流时对机组的稳定是不利的。但是从各调节指标值来看， 各工况均满足小波动调节指标的要求，证明原布置方案是合理的。

尾水调压室水位波动过程对比如图3所示，尾水隧洞明满流起点水位（压力）波动对比如图4所示。由图3可以发现，在工况X2下，调压室水位和尾水隧洞水位（压力）波动很快收敛，说明尾水隧洞明流对调压室水位波动稳定是有利的。主要是因为调压室会对尾水隧洞内的明满流水力波产生反射作用，尾水调压室与尾水洞明满流段之间水力波相互叠加削弱，有利于调压室水位和尾水隧洞明流波动的快速稳定，所以尾水隧洞明流可以减弱由于调压室水位振荡所引起的机组转速变化尾波段振荡，有利于机组及整个输水系统的稳定。

3.2 明满流段长度影响分析

为了研究小波动调节品质是否对明满流段长度的选取起到限制性作用，保持尾水隧洞总长度不变，取不同明满流段的长度L值，分析了工况X1下机组的调节品质。

L=1 186.18，586.18m和186.18 m的计算结果对比如图5和图6所示。由图5可知，明满流段不同长度时，机组相对转速过程线前两个波动基本是重合的，尾波差别也较小，证明明满流段长度对机组的调节品质几乎没有影响，均满足小波动调节指标要求。

由图6可知，明满流段越长，尾水调压室水位波动振幅越小，说明尾水调压室与明满流水位波相互叠加作用越明显。整体来看，水位波动差异较小，均能收敛。所以小波动调节品质对明满流段长度的选取不起限制作用。

4 结 论

白鹤滩大型水电工程尾水隧洞部分洞段由导流洞改建而成，尾水位较低时会发生明满流现象。为此，展开了专项研究，得到以下结论。

（1） 当明满流段流态为明流时，尾水调压室与尾水洞明满流段之间的水力波相互叠加削弱，有利于调压室水位和尾水隧洞明流波动的快速稳定，对输水系统稳定是有利的。

（2） 由于明满流段为平坡段，当流态为明满过渡流时，会发生压力脉动现象，进而引起尾水调压室水位波动的第一个半波局部振荡，从而导致机组调节品质略差，说明平坡尾水隧洞内发生明满过渡流时将对机组的稳定调节产生不利的影响。但是整体来看，无论尾水隧洞为明流、有压流或明满过渡流，均能满足小波动调节品质的要求。

（3） 明满流段的长度对机组的调节品质影响很小，小波动的调节品质对明满流段长度的选取不起限制作用。

需要说明的是，白鹤滩水电工程尾水系统的布置方案主要是根据线路布置和大波动计算结果而确定的。

参考文献：

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[20] 树锦，袁健.基于L-F狭缝法的变顶高尾水洞过渡过程计[J].人民长江，2014，45（1）：73-76.

[21] 张宗溥，花玉龙，程欢.导流洞改建尾水洞明满流过渡过程数值模拟[J].人民黄河，2015，37（4）：105-108.

（编辑：赵秋云）