方 杰,曹春建,汪德樓,陳順義,黃靖乾

(中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,浙江杭州310014)

原型流量率定下的筒形閥流量特性和過(guò)渡過(guò)程研究

方 杰,曹春建,汪德樓,陳順義,黃靖乾

(中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,浙江杭州310014)

通過(guò)測(cè)取筒形閥動(dòng)水關(guān)閉試驗(yàn)過(guò)程中機(jī)組原始流量和工作水頭并進(jìn)行擬合,得到了高水頭水輪機(jī)筒形閥不同開(kāi)度下的流量特性,解決了筒形閥的流量系數(shù)率定問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上,建立了超長(zhǎng)輸水發(fā)電系統(tǒng)筒形閥動(dòng)水關(guān)閉過(guò)渡過(guò)程的數(shù)學(xué)模型,提出了數(shù)值分析方法,實(shí)現(xiàn)筒形閥過(guò)渡過(guò)程的仿真研究。數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,一致性較好,為全面揭示超長(zhǎng)輸水發(fā)電系統(tǒng)高水頭大型筒形閥的水力動(dòng)態(tài)特性和運(yùn)行控制方式奠定了基礎(chǔ)。

筒形閥；過(guò)流特性；原始流量率定法；過(guò)渡過(guò)程

0 引 言

超長(zhǎng)輸水系統(tǒng)高水頭大容量機(jī)組由于輸水系統(tǒng)較長(zhǎng)且機(jī)組尺寸大,在機(jī)組前設(shè)置閥門(mén)作為機(jī)組的飛逸設(shè)施較困難,一般類(lèi)似工程選擇了筒形閥作為機(jī)組的保護(hù)措施。而以往工程中筒形閥的動(dòng)水關(guān)閉試驗(yàn)都順利通過(guò),因此其水力特性[1]和過(guò)渡過(guò)程[2]并未引起人們的重視。但在高水頭電站,由于行程短,水頭高,需要重視其水力特性和動(dòng)水關(guān)閉過(guò)程對(duì)電站安全運(yùn)行的影響。本文通過(guò)在動(dòng)水關(guān)閉試驗(yàn)過(guò)程中,借助機(jī)組設(shè)置的超聲波流量計(jì)測(cè)得的流量變化以及機(jī)組水頭模擬出了筒形閥的過(guò)流流量系數(shù),并對(duì)其過(guò)渡過(guò)程進(jìn)行了研究。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)水關(guān)閉試驗(yàn)記錄的壓力變化曲線(xiàn)和數(shù)值分析對(duì)比,二者結(jié)果一致,由此可以證明擬定的筒形閥的過(guò)流流量系數(shù)可以真實(shí)反映筒形閥的水力特性。

1 筒形閥的過(guò)流流量系數(shù)率定和過(guò)渡過(guò)程數(shù)學(xué)模型

1.1 筒形閥的過(guò)流特性數(shù)學(xué)模型及數(shù)值方法

筒形閥的過(guò)流特性可以表示如下

ψ=f(A，C)

(1)

式中,ψ為筒形閥的過(guò)流流量系數(shù),為無(wú)量綱參數(shù),與開(kāi)度相關(guān)；A為不同開(kāi)度下的過(guò)流面積,m2；C為閥門(mén)結(jié)構(gòu)特性,為無(wú)量綱參數(shù)。

1.2 筒形閥的過(guò)渡過(guò)程數(shù)學(xué)模型及數(shù)值方法

設(shè)置有筒形閥的水力機(jī)械系統(tǒng)一般包括有壓管道系統(tǒng)、水力發(fā)電機(jī)組、筒形閥以及調(diào)壓室等水力、機(jī)械元件。其中,描述有壓管道內(nèi)非恒定流的動(dòng)量方程與連續(xù)方程為[3- 4]

(2)

(3)

式中,H為測(cè)壓管水頭,m；V為管道中的流速,m/s；a為有壓波速,m/s；D為管道直徑,m；f為Darcy-Weisibach系數(shù)；g為重力加速度,m2/s；x為長(zhǎng)度,m；t為時(shí)間,s。

水輪機(jī)工作水頭可以表示為

(4)

式中,HP為工作水頭,m；HPU為水輪機(jī)進(jìn)口壓力,m；HPD為水輪機(jī)出口壓力,m；Q為水輪機(jī)過(guò)渡狀態(tài)時(shí)引用流量,m3/s；A1為水輪機(jī)進(jìn)口面積,m2；A2為水輪機(jī)進(jìn)口面積,m2。

水輪機(jī)流量可以表示為

(5)

水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速變化與力矩變化關(guān)系可以表示為

(6)

式中,Mt為過(guò)渡狀態(tài)水輪機(jī)動(dòng)力矩,N·m；Mg為發(fā)電機(jī)阻力矩,N·m；ω為過(guò)渡狀態(tài)時(shí)水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度；J為機(jī)組總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,t·m2。

筒形閥的數(shù)學(xué)模型可以表示如下

(7)

式中,Qf為筒形閥通過(guò)流量,m3/s；ψ為筒形閥的過(guò)流流量系數(shù),為無(wú)量綱參數(shù),與開(kāi)度相關(guān)；A為不同開(kāi)度下的過(guò)流面積,m2；Hf為筒形閥工作水頭,m。

2 工程實(shí)例概況

某水電站利用某江150 km長(zhǎng)大河灣天然落差截彎取直引水發(fā)電,電站采用4洞8機(jī)布置,引用流量2×228.6 m3/s,4條引水隧洞單洞長(zhǎng)約17 km,襯后洞徑11.8 m。引水隧洞末端布置4座地下埋藏式巨型差動(dòng)調(diào)壓室,單個(gè)井高約140 m,拱頂跨度30 m,升管最大壓差70 m。電站總裝機(jī)容量4 800 MW,單機(jī)容量600 MW,最大凈水頭達(dá)318.8 m。每臺(tái)機(jī)組裝設(shè)1套筒形閥作為機(jī)組的防飛逸保護(hù)措施,筒閥外徑為8.6 m,是世界上應(yīng)用水頭最高、綜合難度系數(shù)最大的筒形閥。

3 筒形閥的過(guò)流特性率定

3.1 筒形閥過(guò)流特性模擬

由于廠家并未給出機(jī)組筒形閥不同開(kāi)度下的過(guò)流特性,故只能在球閥、蝶閥等類(lèi)似閥門(mén)的過(guò)流特性的基礎(chǔ)上進(jìn)行修正,進(jìn)而使得筒形閥實(shí)測(cè)過(guò)流特性與計(jì)算值相匹配。通過(guò)測(cè)得機(jī)組筒形閥關(guān)閉過(guò)程中的機(jī)組流量以及筒形閥前后的壓力變化,通過(guò)仿真計(jì)算,最終擬合了的機(jī)組筒形閥過(guò)流特性曲線(xiàn)如圖1所示。此曲線(xiàn)和相關(guān)數(shù)據(jù)可以作為筒形閥動(dòng)水關(guān)閉的過(guò)渡過(guò)程計(jì)算研究基礎(chǔ)。

圖1 機(jī)組筒形閥過(guò)流特性曲線(xiàn)

3.2 筒形閥過(guò)流特性模擬

3.2.1 試驗(yàn)與計(jì)算工況

以其中一臺(tái)機(jī)組筒形閥動(dòng)水關(guān)閉試驗(yàn)與仿真計(jì)算工況列表如表1所示。

表1 機(jī)組筒形閥動(dòng)水關(guān)閉仿真計(jì)算工況

3.2.2 機(jī)組流量實(shí)測(cè)與計(jì)算變化曲線(xiàn)對(duì)比

TF1、TF2工況下的機(jī)組流量實(shí)測(cè)與計(jì)算變化對(duì)比曲線(xiàn)分別見(jiàn)圖2、3。從圖2、3可知,計(jì)算得到的原型機(jī)組流量變化曲線(xiàn)與實(shí)測(cè)曲線(xiàn)具有較好的吻合度。當(dāng)筒形閥相對(duì)開(kāi)度大于0.05時(shí),實(shí)測(cè)曲線(xiàn)與計(jì)算曲線(xiàn)基本重合；當(dāng)筒形閥相對(duì)開(kāi)度小于0.05時(shí),兩者存在一定差異,其原因可能是小開(kāi)度下超聲波流量計(jì)精度較低和記錄時(shí)間與仿真時(shí)間不一致所致。

圖2 TF1工況下的機(jī)組流量實(shí)測(cè)與計(jì)算對(duì)比

圖3 TF2工況下的機(jī)組流量實(shí)測(cè)與計(jì)算對(duì)比

4 超長(zhǎng)輸水系統(tǒng)筒形閥的水力過(guò)渡過(guò)程研究

4.1 工程概況及典型工況選擇

依托工程全面實(shí)現(xiàn)了安全穩(wěn)定運(yùn)行,并成功完成了機(jī)組筒形閥動(dòng)水關(guān)閉試驗(yàn),其水力特性指標(biāo)均符合規(guī)范及設(shè)計(jì)要求,證明了高水頭大型筒形閥在高水頭大容量機(jī)組中的成功運(yùn)用,并推動(dòng)了高水頭大型筒形閥的水力特性及運(yùn)行控制關(guān)鍵技術(shù)研究向前發(fā)展。這里選取其中一臺(tái)機(jī)組帶100%額定負(fù)荷的動(dòng)水關(guān)閉試驗(yàn)工況進(jìn)行計(jì)算模擬分析。工況如下：

表2 筒形閥動(dòng)水關(guān)閉過(guò)渡過(guò)程計(jì)算工況

4.2 筒形閥的水力過(guò)渡過(guò)程試驗(yàn)與數(shù)值模擬

機(jī)組帶100%額定負(fù)荷時(shí),筒閥動(dòng)水關(guān)閉的計(jì)算結(jié)果及主要過(guò)渡過(guò)程對(duì)比曲線(xiàn)分別見(jiàn)表3及圖4和圖5所示。 從表3可以看出：實(shí)測(cè)得到的機(jī)組蝸殼進(jìn)口最大壓力值與計(jì)算值較為接近,計(jì)算得到的機(jī)組蝸殼進(jìn)口最大壓力較實(shí)測(cè)值僅相差1.76 m。實(shí)測(cè)得到的調(diào)壓室最高涌浪水位、最低涌浪水位均與計(jì)算值較為接近,計(jì)算得到的最高涌浪水位較實(shí)測(cè)值高1.79 m,最低涌浪水位較實(shí)測(cè)值高3.87 m。

表3 機(jī)組筒形閥動(dòng)水關(guān)閉實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比

圖4 TF1工況機(jī)組蝸殼進(jìn)口壓力變化對(duì)比

圖5 TF1工況調(diào)壓室涌浪水位變化對(duì)比

4.3 筒形閥的水力特性研究

4.3.1 蝸殼進(jìn)口壓力分析

筒形閥關(guān)閉水輪機(jī)的流量特性與導(dǎo)葉關(guān)閉水輪機(jī)的流量特性存在較大差異。導(dǎo)葉關(guān)閉水輪機(jī)時(shí),其流量幾乎與導(dǎo)葉的關(guān)閉規(guī)律是一致的；然而當(dāng)用筒形閥關(guān)閉水輪機(jī)時(shí),其流量變化特性則類(lèi)似于進(jìn)水球閥,小開(kāi)度時(shí)流量突變,其變化速率甚至比導(dǎo)葉關(guān)閉的速率還要快,這使得蝸殼進(jìn)口壓力迅速增大。以依托工程為例,在S1工況下,在筒形閥關(guān)閉終了位置時(shí),蝸殼進(jìn)口壓力陡升,達(dá)到了364.92 m。

圖6 S1工況蝸殼壓力及流量變化過(guò)程

4.3.2 機(jī)組轉(zhuǎn)速最大升高率分析

機(jī)組甩負(fù)荷時(shí),導(dǎo)葉拒動(dòng),筒形閥動(dòng)水關(guān)閉起始時(shí),流量變化較小,水輪機(jī)蝸殼壓力變化也較小,但受機(jī)組工作水頭和引用流量影響,機(jī)組轉(zhuǎn)速上升較快；在筒形閥動(dòng)水關(guān)閉終了位置時(shí),蝸殼壓力上升較快,但流量下降也較快,作用在機(jī)組的水力矩反而下降,機(jī)組轉(zhuǎn)速下降,機(jī)組的安全得到了保護(hù)。

圖7 S1工況機(jī)組相對(duì)轉(zhuǎn)速變化過(guò)程

5 結(jié) 論

采用類(lèi)似球閥和蝶閥等閥門(mén)的水力過(guò)流特性,并以筒形閥動(dòng)水關(guān)閉試驗(yàn)過(guò)程中的機(jī)組原型流量和工作水頭進(jìn)行了擬合處理,得到了高水頭筒形閥不同開(kāi)度下的流量特性,通過(guò)理論計(jì)算出的原型機(jī)組流量和實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析并進(jìn)行了仿真計(jì)算,驗(yàn)證了該曲線(xiàn)的有效性,該曲線(xiàn)適用于后續(xù)機(jī)組筒閥動(dòng)水關(guān)閉試驗(yàn)仿真計(jì)算,解決了高水頭大容量筒形閥的過(guò)流特性率定問(wèn)題。

建立了超長(zhǎng)輸水發(fā)電系統(tǒng)筒閥動(dòng)水關(guān)閉過(guò)渡過(guò)程的數(shù)學(xué)模型,提出了數(shù)值分析方法,解決了筒形閥的過(guò)渡過(guò)程模擬問(wèn)題,找出了筒形閥運(yùn)行過(guò)程中的輸水系統(tǒng)和機(jī)組過(guò)渡特性,利用原型筒形閥動(dòng)水關(guān)閉試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果,與數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析,結(jié)果驗(yàn)證了數(shù)值分析手段的可靠性和準(zhǔn)確性,保證了機(jī)組的安全。全面揭示超長(zhǎng)輸水發(fā)電系統(tǒng)高水頭大型筒形閥的水力動(dòng)態(tài)特性和運(yùn)行控制方式奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

[1]肖聚亮, 郭少輝, 王國(guó)棟, 等. 筒閥兩種動(dòng)水關(guān)閉方式下水力特性分析[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2012(32): 124- 130．

[2]郭春立, 王國(guó)棟, 單慶臣, 等. 水輪機(jī)筒閥動(dòng)水關(guān)閉特性的數(shù)值模擬[J]. 水利水電技術(shù), 2009(12): 91- 94．

[3]WYLIE E B, STREETER V L, SUO Lisheng. Fluid transient in systems[M]. Prentice Hall, Englewood Cliffs, 1993．

[4]張健, 俞曉東, 朱永忠. 長(zhǎng)距離供水工程的關(guān)閥水錘與線(xiàn)路充填[J]. 水力發(fā)電學(xué)報(bào), 2010(2): 183- 189．

(責(zé)任編輯 高 瑜)

Research on Flow Characteristic and Transient Process of Ring Gate by Prototype Flow Rate Setting

FANG Jie, CAO Chunjian, WANG Delou, CHEN Shunyi, HUANG Jingqian

(PowerChina Huadong Engineering Corporation Limited, Hangzhou 310014, Zhejiang, China)

By measuring turbine flow and head data in hydrodynamic closure tests of ring gate and fitting these data, the flow characteristics of high-head ring gate with different openings are obtained, that solves the problem of discharge coefficient setting of ring gate. On this basis, the mathematic model of transition process of ring gate under the condition of hydrodynamic closure for a super long-distance water conveyance and power generation system is established and the numerical analysis method is put forward, that realizes the simulation of transition process of ring gate. The results of numerical calculation are in good agreement with the measured results of on-site tests, which lays a foundation for comprehensively revealing the hydrodynamic characteristics and operation control mode of high-head large ring gate in a super long-distance water conveyance and power generation system．

ring gate; flow characteristic; prototype flow rate setting method; transient process

2016- 01- 26

方杰(1978—),男,河南南陽(yáng)人,工程師,碩士,主要從事水電站設(shè)計(jì)工作．

TK730.47

A

0559- 9342(2017)01- 0084- 04