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

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司,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

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司,浙江杭州310014)

通過測取筒形閥動水關閉試驗過程中機組原始流量和工作水頭并進行擬合,得到了高水頭水輪機筒形閥不同開度下的流量特性,解決了筒形閥的流量系數率定問題。在此基礎上,建立了超長輸水發電系統筒形閥動水關閉過渡過程的數學模型,提出了數值分析方法,實現筒形閥過渡過程的仿真研究。數值計算結果與現場試驗實測結果進行了對比,一致性較好,為全面揭示超長輸水發電系統高水頭大型筒形閥的水力動態特性和運行控制方式奠定了基礎。

筒形閥；過流特性；原始流量率定法；過渡過程

0 引 言

超長輸水系統高水頭大容量機組由于輸水系統較長且機組尺寸大,在機組前設置閥門作為機組的飛逸設施較困難,一般類似工程選擇了筒形閥作為機組的保護措施。而以往工程中筒形閥的動水關閉試驗都順利通過,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閉過程對電站安全運行的影響。本文通過在動水關閉試驗過程中,借助機組設置的超聲波流量計測得的流量變化以及機組水頭模擬出了筒形閥的過流流量系數,并對其過渡過程進行了研究。

通過現場動水關閉試驗記錄的壓力變化曲線和數值分析對比,二者結果一致,由此可以證明擬定的筒形閥的過流流量系數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率定和過渡過程數學模型

1.1 筒形閥的過流特性數學模型及數值方法

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,為無量綱參數,與開度相關；A為不同開度下的過流面積,m2；C為閥門結構特性,為無量綱參數。

1.2 筒形閥的過渡過程數學模型及數值方法

設置有筒形閥的水力機械系統一般包括有壓管道系統、水力發電機組、筒形閥以及調壓室等水力、機械元件。其中,描述有壓管道內非恒定流的動量方程與連續方程為[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；g為重力加速度,m2/s；x為長度,m；t為時間,s。

水輪機工作水頭可以表示為

(4)

式中,HP為工作水頭,m；HPU為水輪機進口壓力,m；HPD為水輪機出口壓力,m；Q為水輪機過渡狀態時引用流量,m3/s；A1為水輪機進口面積,m2；A2為水輪機進口面積,m2。

水輪機流量可以表示為

(5)

水輪發電機組轉速變化與力矩變化關系可以表示為

(6)

式中,Mt為過渡狀態水輪機動力矩,N·m；Mg為發電機阻力矩,N·m；ω為過渡狀態時水輪機旋轉角速度；J為機組總轉動慣量,t·m2。

筒形閥的數學模型可以表示如下

(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,為無量綱參數,與開度相關；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電,電站采用4洞8機布置,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。電站總裝機容量4 800 MW,單機容量600 MW,最大凈水頭達318.8 m。每臺機組裝設1套筒形閥作為機組的防飛逸保護措施,筒閥外徑為8.6 m,是世界上應用水頭最高、綜合難度系數最大的筒形閥。

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上進行修正,進而使得筒形閥實測過流特性與計算值相匹配。通過測得機組筒形閥關閉過程中的機組流量以及筒形閥前后的壓力變化,通過仿真計算,最終擬合了的機組筒形閥過流特性曲線如圖1所示。此曲線和相關數據可以作為筒形閥動水關閉的過渡過程計算研究基礎。

圖1 機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

以其中一臺機組筒形閥動水關閉試驗與仿真計算工況列表如表1所示。

表1 機組筒形閥動水關閉仿真計算工況

3.2.2 機組流量實測與計算變化曲線對比

TF1、TF2工況下的機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,計算得到的原型機組流量變化曲線與實測曲線具有較好的吻合度。當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工況下的機組流量實測與計算對比

圖3 TF2工況下的機組流量實測與計算對比

4 超長輸水系統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

依托工程全面實現了安全穩定運行,并成功完成了機組筒形閥動水關閉試驗,其水力特性指標均符合規范及設計要求,證明了高水頭大型筒形閥在高水頭大容量機組中的成功運用,并推動了高水頭大型筒形閥的水力特性及運行控制關鍵技術研究向前發展。這里選取其中一臺機組帶100%額定負荷的動水關閉試驗工況進行計算模擬分析。工況如下：

表2 筒形閥動水關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值模擬

機組帶100%額定負荷時,筒閥動水關閉的計算結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：實測得到的機組蝸殼進口最大壓力值與計算值較為接近,計算得到的機組蝸殼進口最大壓力較實測值僅相差1.76 m。實測得到的調壓室最高涌浪水位、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 機組筒形閥動水關閉實測值與計算值對比

圖4 TF1工況機組蝸殼進口壓力變化對比

圖5 TF1工況調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 蝸殼進口壓力分析

筒形閥關閉水輪機的流量特性與導葉關閉水輪機的流量特性存在較大差異。導葉關閉水輪機時,其流量幾乎與導葉的關閉規律是一致的；然而當用筒形閥關閉水輪機時,其流量變化特性則類似于進水球閥,小開度時流量突變,其變化速率甚至比導葉關閉的速率還要快,這使得蝸殼進口壓力迅速增大。以依托工程為例,在S1工況下,在筒形閥關閉終了位置時,蝸殼進口壓力陡升,達到了364.92 m。

圖6 S1工況蝸殼壓力及流量變化過程

4.3.2 機組轉速最大升高率分析

機組甩負荷時,導葉拒動,筒形閥動水關閉起始時,流量變化較小,水輪機蝸殼壓力變化也較小,但受機組工作水頭和引用流量影響,機組轉速上升較快；在筒形閥動水關閉終了位置時,蝸殼壓力上升較快,但流量下降也較快,作用在機組的水力矩反而下降,機組轉速下降,機組的安全得到了保護。

圖7 S1工況機組相對轉速變化過程

5 結 論

采用類似球閥和蝶閥等閥門的水力過流特性,并以筒形閥動水關閉試驗過程中的機組原型流量和工作水頭進行了擬合處理,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組流量和實測結果對比分析并進行了仿真計算,驗證了該曲線的有效性,該曲線適用于后續機組筒閥動水關閉試驗仿真計算,解決了高水頭大容量筒形閥的過流特性率定問題。

建立了超長輸水發電系統筒閥動水關閉過渡過程的數學模型,提出了數值分析方法,解決了筒形閥的過渡過程模擬問題,找出了筒形閥運行過程中的輸水系統和機組過渡特性,利用原型筒形閥動水關閉試驗實測結果,與數值計算結果進行了對比分析,結果驗證了數值分析手段的可靠性和準確性,保證了機組的安全。全面揭示超長輸水發電系統高水頭大型筒形閥的水力動態特性和運行控制方式奠定了堅實基礎。

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

[2]郭春立, 王國棟, 單慶臣, 等. 水輪機筒閥動水關閉特性的數值模擬[J]. 水利水電技術, 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閥水錘與線路充填[J]. 水力發電學報, 2010(2): 183- 189．

(責任編輯 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,主要從事水電站設計工作．

TK730.47

A

0559- 9342(2017)01- 0084- 04