景洪水电站水力驱动式升船机

景洪水电站水力驱动式升船机 输水系统数值仿真分析计算

章晋雄 张蕊 吴一红 张东

中国水利水电科学研究院，北京，100038

摘 要：本文在景洪水力驱动式升船机输水系统供水管路布置型式的基础上，根据水流、平衡筒及承船厢运行原理，建立输水系统数值仿真模型，仿真输水管道及竖井充泄水流量过程，计算分析了输水系统的水力特性及承船厢的运行特性。本文还计算比较不同的平衡筒与竖井间隙情况下，承船厢出入水时竖井水位响应过程及承船厢运行特性，从而为为该种型式升船机的设计和应用提供参考依据。 关键词：水力驱动式升船机 输水系统 仿真

1 前言

景洪水电站为澜沧江干流中下游河段规划梯级中第六级，是兼顾发电、航运的综合性水利枢纽工程。景洪水电站航运过坝建筑物的规模按Ⅴ级航道、300t级船型设计，远期考虑500t船只通航过坝，其通航运行条件是为：上游最高通航水位602.00m、最低通航水位591.00m；下游最高通航水位544.90m，下游最低通航水位535.58m。年通航310天，每天工作21小时，年货运量1358000t（双向）。通过多方经济技术比较，通航过坝方式采用水力驱动升船机。

水力驱动式升船机是一种新型的通航过坝建筑物，在安全性及机构的简化方面跟其他型式升船机相比具有较大的优势，但目前在国内外尚无这种型式的升船机投入实际运行，无实际经验可循，由于“水力驱动”是该升船机与其他型式升船机的主要区别，因此建立输水系统的水力学非恒定流数学模型，对升船机输水过程进行数值仿真就显得尤为必要，通过对不同方案输水系统的仿真计算分析和比较，可以初步研究输水系统水力特性及升船机的运行特性，为升船机输水系统的合理布置提供科学依据。由于仿真模型具有参数可调的特点，通过该仿真系统还可研究不同竖井与平衡筒之间的间隙大小对升船机运行的影响，为该型式升船机的关键参数的确定提供参考数据，并与物理模型试验相互验证和补充。

2 输水系统数值仿真模型

2.1模型的建立 2.1.1 输水系统能量方程

图2.1 景洪升船机输水系统概化图

452

升船机输水系统概化如图2.1，先考虑竖井充水（承船厢下降）的情况，根据能量守恒Bernouli方程可得：

Hh[(0v)

Q0

22

2gA0

1

Q1

22

2gA1

...4

Q4

22

2gA4

]

Q4

22

2gAs

[

L0dQ0gA0

dt



L1dQ1gA1dt

...

L4dQ4gA4

dt

] （1）

其中：H——上游水库水位；h——竖井水位；A——各管道计算断面面积；As——竖井横截面积；L——各管道段惯性长度；Q——各管道段的流量；——各管道段的阻力系数；v——阀门阻力系数。

由于系统供水管路按等惯性布置，在阻力系数相同情况下，分流口可按平均对称分流处理，方程

（1）可整理为： Hh[

2(0v)2gA0

4

8

2



212gA1

2

6

...

242gA4

2

)]Q(4)

2

Q4

22

2gAs

[

2L0gA0



2L1gA1

3

2L4dQ4

...] （2）

gA4dt

为统一和方便起见，可令

竖井输水流量： QQ4 阻力项系数： f(,A)

2(0v)2gA0

2L0gA0

4

8

2



212gA1

2

6

...

2

42

2gA4

惯性项系数： f(L,A)方程（2）可写为：

Hh[f(,A)



2L1gA1

3

...

2L4gA4

12gAs

2

]Qf(L,A)

2

dQdt

（3）

同时考虑竖井充、泄水的情况，方程（4）可整理为：

Hh[f(,A)

12gAs

2

]Qf(L,A)

2

dQdt

（4）

其中正号表示充水，负号表示泄水。

2.1.2 水流、平衡筒及承船厢系统整体运动方程

水力驱动式升船机的原理就是通过向竖井内充泄水，增大或减小平衡筒所受的浮力来驱动平衡筒运动，进而带动承船厢系统下降或上升（见图2.2），如果不考虑钢丝绳的重量及弹性作用，整个系统的运动遵循牛顿第二定律，分别对平衡筒和承船厢作运动受力分析可得：

dXdt

22



ApwgM

p

4M

(hX)

c

2(1Kf)M

M

453

cp

(1Kf)Mpg4M

c

（5）

其中：h ——竖井水位；X——平衡筒底面位置高程； M

p

——单个平衡重质量； Mc——该

钢丝绳承担的船箱质量。Fg——钢丝绳受力；Ff——作用在平衡筒上浮力；w——水体质量密度。

Kf——系统摩擦系数，按系统阻力为100T估算，并以承船厢及平

衡筒的重量作为参考力，Kf取0.0121。

ApwgM

p

令 

4M

c



2(1Kf)M

M

cp

(1Kf)Mpg4M

c

方程（7）可统一写为：

dXdt

22

(hX) （6）

2.1.3 水流连续方程

由图2.2可知，竖井水流需满足连续性条件，则竖井内输水流量可用下式表示：

QAs

dXdt

(AsAp)

d(hX)

dt

（7） 其中：As——竖井横截面积；Ap——平衡筒底面积； Q——竖井输水流量。

方程（7）可整理为：

QAp

dXdt

(AsAp)

dh

图 （8） 2.2 水流、平衡筒及承船厢

dt系统受力分析图

2.1.4 输水系统数值仿真模型

联合输水系统水流能量方程（4）、整体运动方程（6）及连续方程（8），可建立输水管道、平衡筒及承船厢系统的整体仿真模型，通过仿真计算，可以得到输水主管道及竖井的供水流量响应过程，同时还可以模拟水力驱动下的平衡筒及承船厢系统的运行过程。

Hh[f(,A)QApdXdt

22

12gAs

dhdt

2

]Q

2

f(L,A)

dXdt

(AsAp)

(hX)

dQ

dt

 （9） 

454

2.2阻力系数

景洪升船机输水管道系统按等惯性布置，通过各级分流口向16个竖井供水，按分流口可划分为5个输水管道段，由各管道段的沿程阻力系数、局部阻力系数和惯性长度，就可以确定输水系统的阻力项系数及惯性项系数。

3 升船机输水系统运行仿真计算

3.1输水系统布置及运行参数

景洪升船机输水系统设计方案和修改方案输水系统布置及整体运行参数见表3.1。两方案的主管路及第一级分管路直径均为2.2m。设计方案第二至第四级分管路直径从1.6m逐级减小至0.8m，竖井横截面为6.3m* 6.3m（边长*边长）的正方形，四周导圆半径为1.5m，横截面积为37.76m，平衡筒与竖井间隙为0.2m；修改方案第二至第四级分管路直径均为1.6m，竖井横截面采用直径为6.9m的圆形，横截面积为37.39m2，平衡筒与竖井间隙为0.1m。上游最高通航水位：602.00m，上游最低通航水位：591.00m；下游最高通航水位：544.90m，下游最低通航水位：535.58m。

表3.1 升船机输水系统布置及整体运行参数

3.2两方案输水系统仿真计算结果

根据输水系统布置及运行参数，再联合求解输水系统数值仿真模型，在上游最高通航水位602.00m及下游最低通航水位535.80m 的运行条件下，模拟了升船机设计及修改方案的充、泄水过程，图3.1（a）、（b）为设计方案竖井充、泄水水力特性曲线及承船厢运行速度曲线；图3.2（a）、（b）为修改方案竖井充、泄水水力特性曲线及承船厢运行速度曲线，其仿真计算统计结果见表3.2。

455

2

（1）设计方案输水系统主管道最大充、泄水流量分别为37.70 m3/s和35.49 m3/s，管道中最大流速分别为9.9m/s和9.3m/s，相应竖井水位上升、下降速度分别为0.062 m/s和0.059 m/s，承船厢最大运行速度分别可达0.125 m/s和0.119 m/s；输水系统充、泄水运行总时间分别为687s和781s，一次充泄水体积约为20693m3；阀门启闭过程中承船厢运行加速度最大为0.009 m/s2，承船厢入（出）水时其运行加速度随之骤然减小或增大，其峰值分别为-0.06 m/s和0.065 m/s 。

22

图3.1(a) 竖井及主管道充水水力特性曲线（设计方案）

456

图3.1(b) 竖井及主管道泄水水力特性曲线（设计方案）

图3.2 (a) 竖井及主管道充水水力特性曲线（修改方案）

457

图3.2(b) 竖井及主管道泄水水力特性曲线（修改方案）

33

（2）修改方案主管道最大充、泄水流量分别为40.24m/s和37.20 m/s，管道中最大流速分别为10.6m/s和9.8m/s，相应竖井水位上升、下降速度分别为0.076 m/s和0.072 m/s，承船厢最大运行速度分别可达0.152 m/s和0.140 m/s；输水运行总时间分别为561s和649s，一次充泄水体积为18049.2m3；

2

阀门启闭过程中承船厢瞬时加速度最大为0.008 m/s；承船厢下降入水时瞬时加速度峰值为负值-0.046

22m/s，承船厢上升出水时其峰值为正值0.073 m/s。

由于锥形阀门阻力系数较大，正常输水运行中两个方案竖井水位最大升降速度均小于0.1m/s，承船厢最大运行速度小于0.2 m/s 。与设计方案相比，由于增大了第三、四级分水管路的管径，修改方案输水能力较设计方案略有提高，系统输水总运行时间有所缩短。

两方案正常运行过程中（空气中）承船厢加速度均小于0.01 m/s2，满足运行要求，承船厢入（出）水时其最大瞬时加速度则超过0.01 m/s2 ，下一节将对竖井与平衡筒的间隙面积比对承船厢入（出）运行的影响进行初步的计算分析。

4 输水系统不同间隙面积比计算比较

从两种方案（设计方案和修改方案）输水系统仿真计算分析结果来看，正常运行工况下承船厢速度曲线平滑下降，但在承船厢入（出）水时其速度骤然下降或上升，这是由于承船厢受力状态突然发生变化（浮力突然增加或消失）而引起其加速度的突变，这就要求竖井水位必须随之迅速上升或下降，从而改变平衡筒所受浮力来调节整个系统达到动态平衡，所以在承船厢入（出）水时竖井与平衡筒间隙内的淹没水深能否随之快速变化成为系统是否能在短时间内稳定下来的关键。

为研究竖井与平衡筒不同间隙大小情况下水体对承船厢入（出）水时系统突然 “失稳”的响应能力，在修改方案的基础上(竖井直径Df=6.5m)，取间隙面积（A）与竖井横截面面积（As）的比值

A/As作为控制参数，将间隙大小ΔL从0.01m逐步增至0.8m，间隙面积比ΔA / As 相应从0.006 增

至0.432，对修改方案输水系统充、泄水过程进行了仿真计算，表4.1给出了承船厢入（出）水时系统水力及运行特征值统计结果，图4.1～图4.2给出了竖井泄水时输水系统水力特性曲线及承船厢运行特性曲线。

458

（1）竖井充水承船厢下降入水时，承船厢速度突然减小，竖井与平衡筒的间隙面积比越大，承船厢的负加速度越大，间隙面积比从0.006增大为0.432时，承船厢瞬时加速度从-0.02m/s2增大至-0.104

2

m/s；相应竖井水面上升速度也瞬时增大，但间隙面积比从0.006增大为0.432时，竖井水面瞬时上升速度却从0.436m/s减小至0.14m/s，这反过来表明间隙面积比越小，竖井水位越能迅速上升增大平衡筒浮力，从而抵消承船厢入水突然所受浮力的影响。

（2）竖井泄水承船厢上升出水时，承船厢运行速度突然减小, 间隙面积比从0.006增大为0.231时，承船厢瞬时加速度从0.022m/s2增大至0.081 m/s2；间隙面积比继续增大至0.432，承船厢瞬时加速度略有减小，处于0.07～0.081m/s2之间；竖井水面瞬时下降速度则随间隙面积比的增大而逐步减小，间隙面积比从0.006增大为0.432时，竖井水面瞬时下降速度从0.438m/s减小至0.150m/s，同样表明间隙面积比越小，竖井间隙内水流对承船厢系统状态突变的响应能力越强。

从图4.1～图4.2还可以得知，在承船厢出水后，随着间隙面积比的增大，竖井水位下降速度曲线、承船厢上升速度及加速度曲线逐步出现上下振荡的调整过程，且间隙面积比越大，其初始振幅越大，持续的时间也越长。竖井泄水承船厢出水时，随着间隙面积比从0.006增大为0.432，系统从开始振荡至最终稳定的时间从1.0s增大为106s，特别是间隙面积比大于0.119后，其波动时间急剧增大，振荡特征也愈加明显，对承船厢系统的运行稳定的影响也越大。

5 结论与建议

通过对景洪升船机设计及修改两种方案输水系统进行数值仿真分析和比较，同时以竖井与平衡筒间隙面积与竖井面积的比值作为控制参数，在修改方案的基础上，计算比较了不同间隙面积比对升船机运行特性的影响，得出主要结论及建议如下：

（1）景洪水力驱动式升船机输水系统能保证承船厢的稳定运行，竖井及设置动滑轮的平衡筒的布置型式可适应上下游通航水位变幅较大的条件。

（2）升船机输水系统修改方案的主管道最大充、泄水流量分别为40.24m3/s和37.20 m3/s，输水能力略高于设计方案；承船厢最大运行速度相应分别可提高至0.152 m/s和0.140 m/s，升船机总运行时间则分别缩短为561s和649s；一次充、泄水最大耗水量18049.2m，较设计方案有所减小。两种方案升船机正常运行过程中承船厢最大加速度均小于0.01 m/s2，但承船厢入（出）水时其最大瞬时加速度则超过0.01 m/s2。

（4）对升船机修改方案不同间隙面积比情况下的仿真计算表明：间隙面积比越大，承船厢出、入水时速度瞬时增大或减小得越大，即瞬时加速度峰值就越大；间隙面积比越小，承船厢出、入水时竖井

459

3

水面下降或上升速度就越大，竖井间隙内水流对承船厢系统状态突变的响应能力越强。同时，在承船厢设计布置型式上，工作阀门线性开启，间隙面积比大于0.119后，竖井泄水承船厢出水后其速度有较明显的振荡现象，竖井水位下降速度也随之发生上下波动。因此，为减小承船厢入（出）水时瞬时加速度峰值，在设计及施工允许的前提下，竖井与平衡筒的间隙应选取较小值为好。

（5）由于承船厢底部设计型式为平底，承船厢出、入水时其所受浮力骤然减小或增大是造成系统运行振荡的原因，故可考虑将承船厢底部设置为圆锥形等型式，从而逐步改变承船厢出、入水时其所受浮力，减缓其速度的突然变化率，同时还可考虑阀门变速开启方式（如先慢开至船厢出水后再快开），从而控制减小船厢出水后的瞬时加速度，下一步可在这两方面作进一步的研究

（6）由于仿真模型的阻力系数等是根据升船机输水系统布置型式选取的经验值，尚需要物理模型试验来确定和校核，最终结果也应以试验结果为准。

图4.2不同间隙面积比承船厢上升加速度曲线（泄水）

参考文献

[1]须清华、张瑞凯等．通航建筑物应用基础研究．中国水利水电出版社，1999年4月． [2]刘亚辉、罗家麟．船闸廊道复合管非稳定流的数值计水利水运科学研究，3（1），1997． [3]董曾南、余常昭著.水力学. 清华大学水力学教研组编．高等教育出版社，1995（第4版） [4]肖田元，张燕云，陈加栋. 系统仿真导论.北京：清华大学出版社，2000。

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