【摘要】：深入地研究水電站中尾水明渠和變頂高尾水洞的工作特性,并通過(guò)對(duì)它們的合理使用,達(dá)到取代或者縮小尾水調(diào)壓室、滿足水電站調(diào)節(jié)保證和機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的要求,對(duì)工程以及科學(xué)技術(shù)進(jìn)步都有明顯的積極作用。本文從這兩類尾水系統(tǒng)水力特性中最顯著的特點(diǎn)(即暫態(tài)過(guò)程中尾水系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生明滿流現(xiàn)象)出發(fā),針對(duì)其水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng),以如下2個(gè)關(guān)注點(diǎn)為目標(biāo)：(1)水電站設(shè)計(jì)階段：從理論分析的角度,揭示明滿流尾水系統(tǒng)水電站水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的暫態(tài)特性(穩(wěn)定性與調(diào)節(jié)品質(zhì)),為尾水明渠、變頂高尾水洞的設(shè)計(jì)及二者與尾水調(diào)壓室的布置優(yōu)化與聯(lián)合運(yùn)行提供理論依據(jù)；(2)水電站調(diào)試運(yùn)行階段：從數(shù)值仿真的角度,揭示明滿流尾水系統(tǒng)水電站在水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制下進(jìn)行的調(diào)試試驗(yàn)(負(fù)荷調(diào)整試驗(yàn)、甩負(fù)荷試驗(yàn))所展示的物理現(xiàn)象,完善其反演分析理論與方法,深入地了解變頂高尾水洞水力特性對(duì)機(jī)組運(yùn)行影響,驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的合理性、數(shù)值仿真手段的可靠性。論文的主要內(nèi)容包括以下3個(gè)方面：1明渠尾水系統(tǒng)水電站水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)暫態(tài)特性研究提出了將有壓管道與明渠非恒定流的控制方程進(jìn)行分段線性化離散、以空間狀態(tài)方程的形式寫(xiě)出指定斷面輸入量與輸出量的響應(yīng)關(guān)系的方法,將有壓與明渠狀態(tài)方程耦合,解決了明渠系統(tǒng)斷面間水頭和流量難于直接關(guān)聯(lián)的難題。依據(jù)明渠尾水系統(tǒng)的空間狀態(tài)方程,與其他子系統(tǒng)模型聯(lián)合,得到用于穩(wěn)定性和調(diào)節(jié)品質(zhì)分析的動(dòng)力系統(tǒng)模型,并重點(diǎn)分析了明渠尾水系統(tǒng)中水位波動(dòng)對(duì)水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性和調(diào)節(jié)品質(zhì)的影響。結(jié)果表明：(1)本文提出的將有壓流水擊方程與明渠圣維南方程統(tǒng)一的彈性水擊線性模型可以作為水系統(tǒng)子模型用來(lái)進(jìn)行明渠尾水系統(tǒng)水電站水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的暫態(tài)特性理論分析。(2)無(wú)尾水調(diào)壓室的水電站,尾水明渠對(duì)水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響很�。辉O(shè)尾水調(diào)壓室的電站,尾水明渠的長(zhǎng)度和水深均對(duì)水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有較大的影響,且存在明渠長(zhǎng)度的臨界值,在其兩側(cè),明渠長(zhǎng)度對(duì)穩(wěn)定域的作用相反。(3)無(wú)尾水調(diào)壓室的水電站,尾水明渠對(duì)小波動(dòng)的影響基本可以忽略；尾水明渠通過(guò)影響尾水調(diào)壓室的水位波動(dòng)影響小波動(dòng)的調(diào)節(jié)品質(zhì),明渠的長(zhǎng)度是主要因素,存在某一特定的明渠長(zhǎng)度使得調(diào)壓室水位波動(dòng)衰減較快,有利于提高調(diào)節(jié)品質(zhì)。2變頂高尾水洞水電站水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)暫態(tài)特性研究首次將Hopf分岔理論應(yīng)用到變頂高尾水洞水電站水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性研究,成功解決了因變頂高尾水洞明滿流分界面來(lái)回運(yùn)動(dòng)而帶來(lái)的水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)非線性問(wèn)題,及由此帶來(lái)的系統(tǒng)的穩(wěn)定性難于理論分析的問(wèn)題。首先建立了包含準(zhǔn)確描述變頂高尾水洞明滿流分界面運(yùn)動(dòng)特性的改進(jìn)引水系統(tǒng)動(dòng)力方程在內(nèi)的水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)非線性數(shù)學(xué)模型,然后闡釋了Hopf分岔方法在該特殊非線性系統(tǒng)上的應(yīng)用流程,同時(shí)揭示了變頂高尾水洞的穩(wěn)定性工作原理、相關(guān)因素對(duì)穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明：(1)變頂高尾水洞水電站水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的Hopf分岔是超臨界的。(2)變頂高尾水洞水流慣性變化在機(jī)組減負(fù)荷時(shí)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有利、增負(fù)荷時(shí)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性不利；明流段水位波動(dòng)的作用對(duì)于系統(tǒng)的穩(wěn)定性在增、減負(fù)荷下都是有利的。(3)負(fù)荷階躍值相同時(shí),負(fù)擾下的系統(tǒng)穩(wěn)定域大于正擾；矩形、城門洞型和圓型三種斷面中,圓形斷面對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性最有利、矩形斷面最不利；隨著尾水洞內(nèi)水深的增大,負(fù)擾下系統(tǒng)的穩(wěn)定域逐漸減小,正擾下系統(tǒng)的穩(wěn)定域逐漸增大。3變頂高尾水洞水電站暫態(tài)過(guò)程反演分析針對(duì)變頂高尾水洞水電站,完善了該類電站的反演分析計(jì)算理論與方法,并依托某已建水電站,建立了反演分析的數(shù)學(xué)模型,對(duì)調(diào)試階段的甩負(fù)荷試驗(yàn)工況和負(fù)荷調(diào)整試驗(yàn)工況進(jìn)行了完整的反演計(jì)算與分析。結(jié)果表明：(1)本文反演計(jì)算所用的數(shù)學(xué)模型與模擬手段能夠較準(zhǔn)確合理的反映真實(shí)電站的暫態(tài)過(guò)程,是可行的。(2)經(jīng)過(guò)反演分析的驗(yàn)證,算例電站在甩負(fù)荷與負(fù)荷調(diào)整暫態(tài)過(guò)程中的機(jī)組調(diào)節(jié)保證參數(shù)、水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與調(diào)節(jié)品質(zhì)均滿足要求,說(shuō)明該電站在理論分析、數(shù)值模擬及模型試驗(yàn)等的一系列論證下開(kāi)展的設(shè)計(jì)是正確的、合理的。(3)本文的反演分析流程可作為標(biāo)準(zhǔn)流程用于其他同類水電站的反演分析。(4)本文的反演分析理論與方法,與理論分析、數(shù)值仿真和模型試驗(yàn)一起構(gòu)成了變頂高理論與應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究的四種手段,四者相輔相成、缺一不可,共同推進(jìn)變頂高理論的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用推廣。
【圖文】：

２數(shù)學(xué)模型逡逑２．１引言逡逑圖２．１表示了本文研究的兩類明滿流尾水系統(tǒng)水電站的輸水發(fā)電系統(tǒng)布置：（ａ）明逡逑渠尾水系統(tǒng)水電站；（ｂ）變頂高尾水系統(tǒng)水電站。明滿流尾水系統(tǒng)水電站主要由壓力管逡逑道、水輪機(jī)、調(diào)速器、發(fā)電機(jī)、（尾水調(diào)反室）、明滿流尾水系統(tǒng)等組成，此類電站尾水逡逑系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是在水電站過(guò)渡過(guò)程中，尾水系統(tǒng)中會(huì)產(chǎn)生有壓非恒定流和明渠非恒逡逑定流共存的現(xiàn)象，且對(duì)于變頂高尾水系統(tǒng)，還會(huì)有明滿交替混合流動(dòng)，使得電站的暫逡逑態(tài)過(guò)程受到多種性質(zhì)的波動(dòng)的疊加、相互影響，顯著異于且復(fù)雜于全有壓尾水系統(tǒng)的逡逑水電站（圖２．１似）。逡逑（ａ）有壓洞＋明渠尾水系統(tǒng)逡逑巧邋＿，邐一＾－…－口－－逡逑（ｂ）Y 頂高尾水系統(tǒng)逡逑（ｃ）有壓尾未系統(tǒng)（供對(duì)比）逡逑圖２．１不同尾水系統(tǒng)的水電站布置示意逡逑水電站運(yùn)行時(shí)通過(guò)水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)調(diào)節(jié)的任務(wù)：（１）根據(jù)負(fù)荷圖的安逡逑排，隨著負(fù)荷的變化迅速改變機(jī)組的出力，Ｗ滿足系統(tǒng)的要求；（２）擔(dān)負(fù)系統(tǒng)短周期的逡逑不可預(yù)見(jiàn)的負(fù)荷波動(dòng)，調(diào)整系統(tǒng)頻率。水電站水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖２．２所示。逡逑１６逡逑

２數(shù)學(xué)模型逡逑２．１引言逡逑圖２．１表示了本文研究的兩類明滿流尾水系統(tǒng)水電站的輸水發(fā)電系統(tǒng)布置：（ａ）明逡逑渠尾水系統(tǒng)水電站；（ｂ）變頂高尾水系統(tǒng)水電站。明滿流尾水系統(tǒng)水電站主要由壓力管逡逑道、水輪機(jī)、調(diào)速器、發(fā)電機(jī)、（尾水調(diào)反室）、明滿流尾水系統(tǒng)等組成，，此類電站尾水逡逑系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是在水電站過(guò)渡過(guò)程中，尾水系統(tǒng)中會(huì)產(chǎn)生有壓非恒定流和明渠非恒逡逑定流共存的現(xiàn)象，且對(duì)于變頂高尾水系統(tǒng)，還會(huì)有明滿交替混合流動(dòng)，使得電站的暫逡逑態(tài)過(guò)程受到多種性質(zhì)的波動(dòng)的疊加、相互影響，顯著異于且復(fù)雜于全有壓尾水系統(tǒng)的逡逑水電站（圖２．１似）。逡逑（ａ）有壓洞＋明渠尾水系統(tǒng)逡逑巧邋＿，邐一＾－…－口－－逡逑（ｂ）Y 頂高尾水系統(tǒng)逡逑（ｃ）有壓尾未系統(tǒng)（供對(duì)比）逡逑圖２．１不同尾水系統(tǒng)的水電站布置示意逡逑水電站運(yùn)行時(shí)通過(guò)水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)調(diào)節(jié)的任務(wù)：（１）根據(jù)負(fù)荷圖的安逡逑排，隨著負(fù)荷的變化迅速改變機(jī)組的出力，Ｗ滿足系統(tǒng)的要求；（２）擔(dān)負(fù)系統(tǒng)短周期的逡逑不可預(yù)見(jiàn)的負(fù)荷波動(dòng)，調(diào)整系統(tǒng)頻率。水電站水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖２．２所示。逡逑１６逡逑
【學(xué)位授予單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TV734

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本文編號(hào)：2516956