长距离引水式水电站调压室水力特性及多目标优化的研究

论文摘要

在我国西南大比降河流的水能开发中,引水式开发方式由于坝体高度低,可以降低建设成本、淹没损失、移民数量和对生态环境影响而得到广泛采用。引水式开发方式的特征是需修建长距离引水隧洞。由于引水隧洞长,水流惯性大,为降低水击压力和改善机组运行条件,需修建调压室。长距离引水式水电站的水力过渡的特点是调压室水位波动周期长、振幅大、衰减缓慢,给水电站的运行造成了诸多不便。差动式相比阻抗式调压室相比通常振幅小、波动衰减缓慢,水力学性能好,然而天生桥二级闸门井垮塌事故使人们对差动式调压室的结构风险更为重视。本文综合考虑水力学性能与结构风险,以调压室最低涌波水位和升管主室最大水位差为优化目标,在分析现有多目标优化方法基础上,应用非支配排序多目标遗传算法（NSGA-Ⅱ）对差动式调压室升管阻抗孔、升管面积、升管溢流堰高程和升管回流孔进行优化,得到两个优化目标（水力性能和结构风险）的Pareto前沿,并在此基础上对两个目标进行权衡分析。设置阻抗式调压室的长距离引水式电站为了降低涌波而减小阻抗孔,然而通过调压室底部透射到上游引水隧洞的水击压力也会增加。现有的水击穿室解析公式是基于瞬时水击波的,不能考虑阀门缓慢关闭的情况,因而不能应用于实际情况。本文在引水隧洞很长、压力管道末端阀门（水轮机）缓慢直线关闭的假设下,从水击基本方程出发,推导出阀门处最大水击压力上升与调压室底部最大穿室压力的理论公式。应用该公式的计算结果与基于特征线方法的水电站水力瞬变数值计算结果对比后表明公式计算精度很高,便于应用于工程实际。长距离引水式电站的涌波极值水位往往出现在组合工况中,国内外文献尚未得出对合工况下阻抗式调压室的涌波计算的解析公式。本文应用非线性微分方程的渐近分析方法对阻抗式调压室涌波方程在组合工况条件下进行研究,分别得到了先弃荷后增荷和先增荷后弃荷两种组合工况下调压室的极值水位计算公式。计算公式与采用四阶龙格库塔方法的调压室涌波微分方程的数值解吻合得很好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 基本方程和特征线法
• 1.2 长距离引水式水电站调压室研究进展
• 1.2.1 调压室选型及优化
• 1.2.2 水击穿室
• 1.2.3 大波动组合工况涌浪研究
• 1.3 本文的研究内容
• 第2章 水电站有压瞬变流及调压室数学模型
• 2.1 基本方程和特征线法
• 2.2 基本边界条件
• 2.2.1 上游水库
• 2.2.2 管道末端的阀门
• 2.2.3 分叉连接点
• 2.3 时间步长和管道分段
• 2.4 调压室基本方程
• 2.4.1 连续方程
• 2.4.2 动量方程
• 2.5 阻抗式调压室
• 2.6 差动式调压室
• 第3章 基于多目标进化算法的差动式调压室优化研究
• 3.1 本章引论
• 3.2 优化目标
• 3.2.1 结构风险指标
• 3.2.2 水力学性能指标
• 3.3 优化变量
• 3.4 多目标进化算法
• 3.4.1 Pareto 占优
• 3.4.2 多目标优化方法
• 3.4.3 多目标进化算法
• 3.5 非支配排序遗传算法NSGAⅡ
• 3.5.1 非支配集的构造方法
• 3.5.2 保持群体分布性和多样性的方法
• 3.5.3 Deb 的MOEA
• 3.6 算例—锦屏二级差动式调压室方案的优化
• 3.6.1 锦屏二级水力过渡过程计算参数和工况
• 3.6.2 差动式调压室涌波数学模型以及程序的校验
• 3.6.3 优化结果和讨论
• 第4章 阀门缓慢直线关闭下阻抗式调压室水击穿室
• 4.1 基本方程和假设
• 4.2 调压室底部节点方程
• 4.3 上游边界为调压室的水击联锁方程
• *_p和ξ^* 的解析公式'>4.4 h^*_p和ξ^*的解析公式
• 4.5 解析公式的验证
• 4.6 本章小结
• 第5章 组合工况下阻抗式调压室涌浪渐近分析
• 5.1 阻抗式调压室涌波方程
• 5.2 非线性振动解析法综述
• 5.2.1 非线性振动的近似分析方法总述
• 5.2.2 非线性振动渐近法要义
• 5.3 先弃荷后增荷的涌浪解析公式
• 5.4 先增荷后弃荷的涌浪解析公式
• 5.5 公式的验证
• 第6章 结论
• 6.1 研究总结
• 6.2 需进一步开展的工作
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果