刘锋，董延超，张子奇，周荣磊

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春130021）

丰满重建工程分层取水水温数值模拟研究

刘锋，董延超，张子奇，周荣磊

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春130021）

统计资料表明，通过设置分层取水设施，控制取水区域，能够有效提高下泄水温。文中通过建立三维水温数学模型，分别针对丰水年、平水年及枯水年典型月份水温垂向分布，进一步研究叠梁门分层取水进水口的取水水温与取水高程之间的关系，论证分层取水的效果。

分层取水；水温；数值模拟；丰满水电

1 概述

丰满水电站位于吉林省吉林市的第二松花江干流上。电站枢纽建筑物主要由碾压混凝土重力坝、坝身泄洪系统、坝后式引水发电系统及利用的原三期电站组成。

丰满水电站进水口拟采用叠梁门分层取水，每个进水口布置3孔叠梁门，孔口宽度7.00 m，底板高程220.00 m，孔口顶高程269.50 m；叠梁门型式为平面滑动叠梁钢闸门，单节高度3.00 m；叠梁门顶以上最小水深取15.00 m，最大水深取18.00 m，故叠梁门设置高程为220.00 m至247.00 m；运行期间，根据库水位高程增减叠梁数量，控制门顶水深范围为15.00 m至18.00 m。该工程老坝未完全拆除，仅部分坝段拟拆除至237.50 m高程。

2 三维水温数学模型

分层取水效果数值计算研究采用Fluent 6.3进行。

2.1 边界条件

1）表面综合散热系数。水面热交换包括净太阳短波辐射、净长波辐射、蒸发和传导四个方面。本项研究采用水面蒸发系数和水面综合散热系数表示。

2）进出口边界。上游进口给定流速边界，y方向和z方向无速度分量，压力假设为静水压，根据实际运行调度编辑流量-时间关系；进口边界的水温分布采用库区实测水温分布。

假定下游出口断面为充分发展的紊流，出口边界上各变量均取零梯度条件，从而消除下游对上游水流的影响。

初始条件库区给定零流速，水温分布根据不同工况采用不同月份实测水温分布，压力为静水压，水面采用“刚盖假定”，库底和坝体采用无滑移边界条件，且为绝热边界。

2.2 计算区域和网格

1）计算区域。数值计算范围包括上游库区、老坝、新坝以及叠梁门进水口段。库区上游至坝前1.5 km处，库区宽1.8 km左右，深80 m左右；老坝缺口高程为237.5 m，长594 m；计算范围下游至取水管末端水平段。

2）计算网格。计算网格的尺度首先应能反映出水工建筑物构造及地形等对模拟水域细部流场和温度场的影响，同时适当考虑计算工作量的经济合理性。上游库区，计算网格单元在主流方向上尺寸为5～30 m，在水深方向上为0.25 m；在取水口附近，计算网格最小尺寸为0.25 m×0.5 m×0.5 m，最大尺寸为1 m×1 m×1 m。计算区域内，计算网格为50多万个。

3）计算工况。丰满水库在4月下旬开江，5—8月水库处于明显的分层状态，垂向温差主要集中在表层一定深度内，9月以后进入降温期。基于丰满库区温度分层特性，研究取5月至8月为典型月份开展数值计算。根据丰满水库丰、平、枯典型年份运行水位变化情况及下泄流量调度情况，结合叠梁门方案运行原则，建立计算工况如表1所示。

表1 数值计算工况表

3 取水效果分析

3.1 丰水年取水效果分析

5月份有、无叠梁门方案取水水温基本一致，均为8.1～8.2℃，最大温差为0.24℃。通过沿水深积分计算热通量发现，丰水年5月份两种方案下由丰满库区进入取水口区域的热通量基本相等，因此电站取水水温基本相同。

6月至8月份，随着老坝上游库区内水温垂向分布梯度逐渐增大，有、无叠梁门情况下取水水温逐渐出现差异。6月、7月和8月份，与其它传统叠梁门方案工程不同，部分时段丰满电站无叠梁门取水水温反而略高于有叠梁门方案下取水水温，叠梁门方案提取高温水的作用不能体现。6月至8月，有、无叠梁门方案最大温差仅为0.6℃。

通过对老坝缺口全断面高度、流速、水温等积分计算可知，老坝缺口处的热通量值无叠梁门相比较大，即无叠梁门方案下取水口从上游库区取得的热量多，取水水温值更高。由此可见，与传统水工建筑物不同，丰满水电站由于存在老坝及新、老坝之间库区等特殊结构，从而改变了近坝区的流速和水温分布，出现了无叠梁门方案热通量值更高的现象，叠梁门提取表层高温水的效果已不再明显，也就是说前置老坝已基本起到提取表层高温水的作用。

3.2 平水年取水效果分析

平水年为间歇性发电，受开机-停机-开机作用影响，典型月份绝对取水水温与丰水年有所不同，绝对水温相差1～2℃。这是由于丰水年为连续发电，水体的紊动主要受主流影响，垂向速度梯度较小，易形成稳定的水温分层；而对于平水年而言，发电过程中近坝区水温分布基本稳定，但由于停止发电后，库区内水体垂向紊动扩散起主导作用，于是水温垂向分布被重新调整，当再次发电时，取水水温发生改变；平水年发电站运行过程中，水温分布重新调整过程24 h内有6次，且每次发电持续运行时间过短，因此24 h内取水水温发生了变化。

虽然取水水温受开机-停机作用影响明显，但计算结果表明，有、无叠梁门方案取水温度差异不大，5月份取水水温基本一致，6月、7月和8月份最大温差也仅为0.5℃，个别时间段取水水温相等。

3.3 枯水年取水效果分析

由于枯水年电站运行方式和平水年类似，因此受开机-停机-开机作用影响，24 h内取水水温发生了变化，但同样有、无叠梁门方案取水水温差异不大。与丰水年及平水年水温变化规律不同，枯水年部分时段叠梁门取水水温高于无叠梁门取水水温。这是由于枯水年运行水位较低，老坝缺口水深仅10 m左右，有、无叠梁门方案对近坝区流速及水温分布影响较小，和无叠梁门相比，叠梁门在一定程度上发挥了提取表层高温水的作用。但受小库水温分布不稳定的影响，不同时段，叠梁门取水效果不同，如7月份，t=2 h时，有叠梁门取水水温高于无叠梁门取水水温，温升0.16℃，而在t=5 h时，无叠梁门取水水温则高于有叠梁门取水水温，温差为0.15℃，当再一次停机运行后，有叠梁门方案下取水温度则再一次较高，温差为0.35℃。

综上所述，在枯水年典型月份下，部分时间段内叠梁门方案提取高温水取得了一定效果，但最大温升也仅为0.35℃。

4 结语

1）丰水年和平水年工况下，有、无叠梁门方案对新老坝之间库区及取水口附近流速影响显著。枯水年水位较低，叠梁门对新老坝之间库区流速影响减小，库底流速增大。

2）计算结果分析显示，老坝缺口位置主流区内断面流速受叠梁门影响较大，但缺口处温度分布受叠梁门影响较小。

3）分析表明，新老坝之间区域水温分布与坝前库区温度分布有明显不同。随着发电机组的持续运行，该区域水温垂向分层减弱，库表与库底温差逐步变小。该水体的存在，对叠梁门进水口的取水效果有直接影响。

4）计算表明，该工程叠梁门进水口提取表层高温水的作用不甚明显。丰水年、平水年及枯水年在5至8月份，有、无叠梁门取水水温基本相同，取水温差绝对值均不高于0.3℃。

TV12

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2017-05-04