方 杰,曹春建,汪德樓,陳順義,黃靖乾

(中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司,浙江杭州310014)

原型流量率定下的筒形閥流量特性和過渡過程研究

方 杰,曹春建,汪德樓,陳順義,黃靖乾

(中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司,浙江杭州310014)

通過測取筒形閥動水關(guān)閉試驗過程中機(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)筒形閥不同開度下的流量特性,解決了筒形閥的流量系數(shù)率定問題。在此基礎(chǔ)上,建立了超長輸水發(fā)電系統(tǒng)筒形閥動水關(guān)閉過渡過程的數(shù)學(xué)模型,提出了數(shù)值分析方法,實現(xiàn)筒形閥過渡過程的仿真研究。數(shù)值計算結(jié)果與現(xiàn)場試驗實測結(jié)果進(jìn)行了對比,一致性較好,為全面揭示超長輸水發(fā)電系統(tǒng)高水頭大型筒形閥的水力動態(tài)特性和運(yùn)行控制方式奠定了基礎(chǔ)。

筒形閥；過流特性；原始流量率定法；過渡過程

0 引 言

超長輸水系統(tǒng)高水頭大容量機(jī)組由于輸水系統(tǒng)較長且機(jī)組尺寸大,在機(jī)組前設(shè)置閥門作為機(jī)組的飛逸設(shè)施較困難,一般類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水關(guān)閉試驗都順利通過,因此其水力特性[1]和過渡過程[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水關(guān)閉過程對電站安全運(yùn)行的影響。本文通過在動水關(guān)閉試驗過程中,借助機(jī)組設(shè)置的超聲波流量計測得的流量變化以及機(jī)組水頭模擬出了筒形閥的過流流量系數(shù),并對其過渡過程進(jìn)行了研究。

通過現(xiàn)場動水關(guān)閉試驗記錄的壓力變化曲線和數(shù)值分析對比,二者結(jié)果一致,由此可以證明擬定的筒形閥的過流流量系數(shù)可以真實反映筒形閥的水力特性。

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

1.1 筒形閥的過流特性數(shù)學(xué)模型及數(shù)值方法

筒形閥的過流特性可以表示如下

ψ=f(A，C)

(1)

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

1.2 筒形閥的過渡過程數(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)非恒定流的動量方程與連續(xù)方程為[3- 4]

(2)

(3)

式中,H為測壓管水頭,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為長度,m；t為時間,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)過渡狀態(tài)時引用流量,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為過渡狀態(tài)水輪機(jī)動力矩,N·m；Mg為發(fā)電機(jī)阻力矩,N·m；ω為過渡狀態(tài)時水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度；J為機(jī)組總轉(zhuǎn)動慣量,t·m2。

筒形閥的數(shù)學(xué)模型可以表示如下

(7)

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

2 工程實例概況

某水電站利用某江150 km長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調(diào)壓室,單個井高約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 筒形閥的過流特性率定

3.1 筒形閥過流特性模擬

由于廠家并未給出機(jī)組筒形閥不同開度下的過流特性,故只能在球閥、蝶閥等類似閥門的過流特性的基礎(chǔ)上進(jìn)行修正,進(jìn)而使得筒形閥實測過流特性與計算值相匹配。通過測得機(jī)組筒形閥關(guān)閉過程中的機(jī)組流量以及筒形閥前后的壓力變化,通過仿真計算,最終擬合了的機(jī)組筒形閥過流特性曲線如圖1所示。此曲線和相關(guān)數(shù)據(jù)可以作為筒形閥動水關(guān)閉的過渡過程計算研究基礎(chǔ)。

圖1 機(jī)組筒形閥過流特性曲線

3.2 筒形閥過流特性模擬

3.2.1 試驗與計算工況

以其中一臺機(jī)組筒形閥動水關(guān)閉試驗與仿真計算工況列表如表1所示。

表1 機(jī)組筒形閥動水關(guān)閉仿真計算工況

3.2.2 機(jī)組流量實測與計算變化曲線對比

TF1、TF2工況下的機(jī)組流量實測與計算變化對比曲線分別見圖2、3。從圖2、3可知,計算得到的原型機(jī)組流量變化曲線與實測曲線具有較好的吻合度。當(dāng)筒形閥相對開度大于0.05時,實測曲線與計算曲線基本重合；當(dāng)筒形閥相對開度小于0.05時,兩者存在一定差異,其原因可能是小開度下超聲波流量計精度較低和記錄時間與仿真時間不一致所致。

圖2 TF1工況下的機(jī)組流量實測與計算對比

圖3 TF2工況下的機(jī)組流量實測與計算對比

4 超長輸水系統(tǒng)筒形閥的水力過渡過程研究

4.1 工程概況及典型工況選擇

依托工程全面實現(xiàn)了安全穩(wěn)定運(yùn)行,并成功完成了機(jī)組筒形閥動水關(guān)閉試驗,其水力特性指標(biāo)均符合規(guī)范及設(shè)計要求,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。這里選取其中一臺機(jī)組帶100%額定負(fù)荷的動水關(guān)閉試驗工況進(jìn)行計算模擬分析。工況如下：

表2 筒形閥動水關(guān)閉過渡過程計算工況

4.2 筒形閥的水力過渡過程試驗與數(shù)值模擬

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

表3 機(jī)組筒形閥動水關(guān)閉實測值與計算值對比

圖4 TF1工況機(jī)組蝸殼進(jìn)口壓力變化對比

圖5 TF1工況調(diào)壓室涌浪水位變化對比

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,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,其流量變化特性則類似于進(jìn)水球閥,小開度時流量突變,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,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,導(dǎo)葉拒動,筒形閥動水關(guān)閉起始時,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；在筒形閥動水關(guān)閉終了位置時,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)組相對轉(zhuǎn)速變化過程

5 結(jié) 論

采用類似球閥和蝶閥等閥門的水力過流特性,并以筒形閥動水關(guān)閉試驗過程中的機(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度下的流量特性,通過理論計算出的原型機(jī)組流量和實測結(jié)果對比分析并進(jìn)行了仿真計算,驗證了該曲線的有效性,該曲線適用于后續(xù)機(jī)組筒閥動水關(guān)閉試驗仿真計算,解決了高水頭大容量筒形閥的過流特性率定問題。

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

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

[2]郭春立, 王國棟, 單慶臣, 等. 水輪機(jī)筒閥動水關(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. 長距離供水工程的關(guān)閥水錘與線路充填[J]. 水力發(fā)電學(xué)報, 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,河南南陽人,工程師,碩士,主要從事水電站設(shè)計工作．

TK730.47

A

0559- 9342(2017)01- 0084- 04