劉鋒，董延超，張子奇，周榮磊

（中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林長(zhǎng)春130021）

豐滿(mǎn)重建工程分層取水水溫?cái)?shù)值模擬研究

劉鋒，董延超，張子奇，周榮磊

（中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林長(zhǎng)春130021）

統(tǒng)計(jì)資料表明，通過(guò)設(shè)置分層取水設(shè)施，控制取水區(qū)域，能夠有效提高下泄水溫。文中通過(guò)建立三維水溫?cái)?shù)學(xué)模型，分別針對(duì)豐水年、平水年及枯水年典型月份水溫垂向分布，進(jìn)一步研究疊梁門(mén)分層取水進(jìn)水口的取水水溫與取水高程之間的關(guān)系，論證分層取水的效果。

分層取水；水溫；數(shù)值模擬；豐滿(mǎn)水電

1 概述

豐滿(mǎn)水電站位于吉林省吉林市的第二松花江干流上。電站樞紐建筑物主要由碾壓混凝土重力壩、壩身泄洪系統(tǒng)、壩后式引水發(fā)電系統(tǒng)及利用的原三期電站組成。

豐滿(mǎn)水電站進(jìn)水口擬采用疊梁門(mén)分層取水，每個(gè)進(jìn)水口布置3孔疊梁門(mén)，孔口寬度7.00 m，底板高程220.00 m，孔口頂高程269.50 m；疊梁門(mén)型式為平面滑動(dòng)疊梁鋼閘門(mén)，單節(jié)高度3.00 m；疊梁門(mén)頂以上最小水深取15.00 m，最大水深取18.00 m，故疊梁門(mén)設(shè)置高程為220.00 m至247.00 m；運(yùn)行期間，根據(jù)庫(kù)水位高程增減疊梁數(shù)量，控制門(mén)頂水深范圍為15.00 m至18.00 m。該工程老壩未完全拆除，僅部分壩段擬拆除至237.50 m高程。

2 三維水溫?cái)?shù)學(xué)模型

分層取水效果數(shù)值計(jì)算研究采用Fluent 6.3進(jìn)行。

2.1 邊界條件

1）表面綜合散熱系數(shù)。水面熱交換包括凈太陽(yáng)短波輻射、凈長(zhǎng)波輻射、蒸發(fā)和傳導(dǎo)四個(gè)方面。本項(xiàng)研究采用水面蒸發(fā)系數(shù)和水面綜合散熱系數(shù)表示。

2）進(jìn)出口邊界。上游進(jìn)口給定流速邊界，y方向和z方向無(wú)速度分量，壓力假設(shè)為靜水壓，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行調(diào)度編輯流量-時(shí)間關(guān)系；進(jìn)口邊界的水溫分布采用庫(kù)區(qū)實(shí)測(cè)水溫分布。

假定下游出口斷面為充分發(fā)展的紊流，出口邊界上各變量均取零梯度條件，從而消除下游對(duì)上游水流的影響。

初始條件庫(kù)區(qū)給定零流速，水溫分布根據(jù)不同工況采用不同月份實(shí)測(cè)水溫分布，壓力為靜水壓，水面采用“剛蓋假定”，庫(kù)底和壩體采用無(wú)滑移邊界條件，且為絕熱邊界。

2.2 計(jì)算區(qū)域和網(wǎng)格

1）計(jì)算區(qū)域。數(shù)值計(jì)算范圍包括上游庫(kù)區(qū)、老壩、新壩以及疊梁門(mén)進(jìn)水口段。庫(kù)區(qū)上游至壩前1.5 km處，庫(kù)區(qū)寬1.8 km左右，深80 m左右；老壩缺口高程為237.5 m，長(zhǎng)594 m；計(jì)算范圍下游至取水管末端水平段。

2）計(jì)算網(wǎng)格。計(jì)算網(wǎng)格的尺度首先應(yīng)能反映出水工建筑物構(gòu)造及地形等對(duì)模擬水域細(xì)部流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的影響，同時(shí)適當(dāng)考慮計(jì)算工作量的經(jīng)濟(jì)合理性。上游庫(kù)區(qū)，計(jì)算網(wǎng)格單元在主流方向上尺寸為5～30 m，在水深方向上為0.25 m；在取水口附近，計(jì)算網(wǎng)格最小尺寸為0.25 m×0.5 m×0.5 m，最大尺寸為1 m×1 m×1 m。計(jì)算區(qū)域內(nèi)，計(jì)算網(wǎng)格為50多萬(wàn)個(gè)。

3）計(jì)算工況。豐滿(mǎn)水庫(kù)在4月下旬開(kāi)江，5—8月水庫(kù)處于明顯的分層狀態(tài)，垂向溫差主要集中在表層一定深度內(nèi)，9月以后進(jìn)入降溫期?；谪S滿(mǎn)庫(kù)區(qū)溫度分層特性，研究取5月至8月為典型月份開(kāi)展數(shù)值計(jì)算。根據(jù)豐滿(mǎn)水庫(kù)豐、平、枯典型年份運(yùn)行水位變化情況及下泄流量調(diào)度情況，結(jié)合疊梁門(mén)方案運(yùn)行原則，建立計(jì)算工況如表1所示。

表1 數(shù)值計(jì)算工況表

3 取水效果分析

3.1 豐水年取水效果分析

5月份有、無(wú)疊梁門(mén)方案取水水溫基本一致，均為8.1～8.2℃，最大溫差為0.24℃。通過(guò)沿水深積分計(jì)算熱通量發(fā)現(xiàn)，豐水年5月份兩種方案下由豐滿(mǎn)庫(kù)區(qū)進(jìn)入取水口區(qū)域的熱通量基本相等，因此電站取水水溫基本相同。

6月至8月份，隨著老壩上游庫(kù)區(qū)內(nèi)水溫垂向分布梯度逐漸增大，有、無(wú)疊梁門(mén)情況下取水水溫逐漸出現(xiàn)差異。6月、7月和8月份，與其它傳統(tǒng)疊梁門(mén)方案工程不同，部分時(shí)段豐滿(mǎn)電站無(wú)疊梁門(mén)取水水溫反而略高于有疊梁門(mén)方案下取水水溫，疊梁門(mén)方案提取高溫水的作用不能體現(xiàn)。6月至8月，有、無(wú)疊梁門(mén)方案最大溫差僅為0.6℃。

通過(guò)對(duì)老壩缺口全斷面高度、流速、水溫等積分計(jì)算可知，老壩缺口處的熱通量值無(wú)疊梁門(mén)相比較大，即無(wú)疊梁門(mén)方案下取水口從上游庫(kù)區(qū)取得的熱量多，取水水溫值更高。由此可見(jiàn)，與傳統(tǒng)水工建筑物不同，豐滿(mǎn)水電站由于存在老壩及新、老壩之間庫(kù)區(qū)等特殊結(jié)構(gòu)，從而改變了近壩區(qū)的流速和水溫分布，出現(xiàn)了無(wú)疊梁門(mén)方案熱通量值更高的現(xiàn)象，疊梁門(mén)提取表層高溫水的效果已不再明顯，也就是說(shuō)前置老壩已基本起到提取表層高溫水的作用。

3.2 平水年取水效果分析

平水年為間歇性發(fā)電，受開(kāi)機(jī)-停機(jī)-開(kāi)機(jī)作用影響，典型月份絕對(duì)取水水溫與豐水年有所不同，絕對(duì)水溫相差1～2℃。這是由于豐水年為連續(xù)發(fā)電，水體的紊動(dòng)主要受主流影響，垂向速度梯度較小，易形成穩(wěn)定的水溫分層；而對(duì)于平水年而言，發(fā)電過(guò)程中近壩區(qū)水溫分布基本穩(wěn)定，但由于停止發(fā)電后，庫(kù)區(qū)內(nèi)水體垂向紊動(dòng)擴(kuò)散起主導(dǎo)作用，于是水溫垂向分布被重新調(diào)整，當(dāng)再次發(fā)電時(shí)，取水水溫發(fā)生改變；平水年發(fā)電站運(yùn)行過(guò)程中，水溫分布重新調(diào)整過(guò)程24 h內(nèi)有6次，且每次發(fā)電持續(xù)運(yùn)行時(shí)間過(guò)短，因此24 h內(nèi)取水水溫發(fā)生了變化。

雖然取水水溫受開(kāi)機(jī)-停機(jī)作用影響明顯，但計(jì)算結(jié)果表明，有、無(wú)疊梁門(mén)方案取水溫度差異不大，5月份取水水溫基本一致，6月、7月和8月份最大溫差也僅為0.5℃，個(gè)別時(shí)間段取水水溫相等。

3.3 枯水年取水效果分析

由于枯水年電站運(yùn)行方式和平水年類(lèi)似，因此受開(kāi)機(jī)-停機(jī)-開(kāi)機(jī)作用影響，24 h內(nèi)取水水溫發(fā)生了變化，但同樣有、無(wú)疊梁門(mén)方案取水水溫差異不大。與豐水年及平水年水溫變化規(guī)律不同，枯水年部分時(shí)段疊梁門(mén)取水水溫高于無(wú)疊梁門(mén)取水水溫。這是由于枯水年運(yùn)行水位較低，老壩缺口水深僅10 m左右，有、無(wú)疊梁門(mén)方案對(duì)近壩區(qū)流速及水溫分布影響較小，和無(wú)疊梁門(mén)相比，疊梁門(mén)在一定程度上發(fā)揮了提取表層高溫水的作用。但受小庫(kù)水溫分布不穩(wěn)定的影響，不同時(shí)段，疊梁門(mén)取水效果不同，如7月份，t=2 h時(shí)，有疊梁門(mén)取水水溫高于無(wú)疊梁門(mén)取水水溫，溫升0.16℃，而在t=5 h時(shí)，無(wú)疊梁門(mén)取水水溫則高于有疊梁門(mén)取水水溫，溫差為0.15℃，當(dāng)再一次停機(jī)運(yùn)行后，有疊梁門(mén)方案下取水溫度則再一次較高，溫差為0.35℃。

綜上所述，在枯水年典型月份下，部分時(shí)間段內(nèi)疊梁門(mén)方案提取高溫水取得了一定效果，但最大溫升也僅為0.35℃。

4 結(jié)語(yǔ)

1）豐水年和平水年工況下，有、無(wú)疊梁門(mén)方案對(duì)新老壩之間庫(kù)區(qū)及取水口附近流速影響顯著?？菟晁惠^低，疊梁門(mén)對(duì)新老壩之間庫(kù)區(qū)流速影響減小，庫(kù)底流速增大。

2）計(jì)算結(jié)果分析顯示，老壩缺口位置主流區(qū)內(nèi)斷面流速受疊梁門(mén)影響較大，但缺口處溫度分布受疊梁門(mén)影響較小。

3）分析表明，新老壩之間區(qū)域水溫分布與壩前庫(kù)區(qū)溫度分布有明顯不同。隨著發(fā)電機(jī)組的持續(xù)運(yùn)行，該區(qū)域水溫垂向分層減弱，庫(kù)表與庫(kù)底溫差逐步變小。該水體的存在，對(duì)疊梁門(mén)進(jìn)水口的取水效果有直接影響。

4）計(jì)算表明，該工程疊梁門(mén)進(jìn)水口提取表層高溫水的作用不甚明顯。豐水年、平水年及枯水年在5至8月份，有、無(wú)疊梁門(mén)取水水溫基本相同，取水溫差絕對(duì)值均不高于0.3℃。

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2017-05-04