為保證水電站運(yùn)行安全，針對設(shè)有進(jìn)水蝶閥水電站，開展了蝶閥動水關(guān)閉的現(xiàn)場試驗(yàn)，建立了過渡過程仿真模型，并利用實(shí)測結(jié)果驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而對水電站事故飛逸過渡過程進(jìn)行了仿真分析，研究了該過渡過程中壓力及機(jī)組轉(zhuǎn)速變化的特點(diǎn)，分析了蝶閥動作時(shí)間、滯后時(shí)間及過速保護(hù)定值對其過渡過程的影響，結(jié)果可為設(shè)進(jìn)水蝶閥水電站事故飛逸過渡過程研究提供參考。

1、引言

　　水電站運(yùn)行過程中有可能出現(xiàn)機(jī)組甩負(fù)荷調(diào)速機(jī)構(gòu)失靈的情況，此時(shí)導(dǎo)葉拒動機(jī)組進(jìn)入飛逸，只能靠進(jìn)水閥門或快速閘門來切斷水流從而保護(hù)機(jī)組。對于設(shè)有進(jìn)水蝶閥的水電站，蝶閥是機(jī)組的最后一道保護(hù)，為保證水電站運(yùn)行安全，需要研究機(jī)組甩負(fù)荷導(dǎo)葉拒動蝶閥動水關(guān)閉下的事故飛逸過渡過程，分析機(jī)組過速保護(hù)定值及蝶閥關(guān)閉時(shí)間等因素，以保障水電機(jī)組的安全運(yùn)行。目前對水電站大波動過渡過程的研究主要集中在機(jī)組甩負(fù)荷導(dǎo)葉正常關(guān)閉下的情況，由現(xiàn)場真機(jī)試驗(yàn)及仿真計(jì)算的結(jié)果對比來看，目前的數(shù)值仿真已經(jīng)能夠較為準(zhǔn)確地模擬實(shí)際水電站正常甩負(fù)荷過渡過程，而對于機(jī)組事故飛逸過渡過程尚無相關(guān)研究。考慮到安全因素，現(xiàn)場也無法進(jìn)行事故飛逸過渡過程的真機(jī)測試，只能進(jìn)行機(jī)組帶負(fù)荷的蝶閥動水關(guān)閉試驗(yàn)來論證蝶閥的動水關(guān)閉能力。為準(zhǔn)確分析機(jī)組事故下的甩負(fù)荷過渡過程，本文建立了其數(shù)值計(jì)算模型并開展了蝶閥動水關(guān)閉的現(xiàn)場實(shí)測，利用實(shí)測結(jié)果對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，分析了影響其過渡過程的各主要因素，結(jié)果對設(shè)進(jìn)水蝶閥水電站事故飛逸過渡過程研究具有一定的借鑒意義。

2、基本情況

　　南水水電廠位于廣東省韶關(guān)市乳源縣縣城西側(cè)，共設(shè)有3臺混流式水輪發(fā)電機(jī)組，其引水系統(tǒng)采用“一洞三機(jī)”的形式，引水隧洞長約4km，洞徑5.5m，設(shè)有帶下室的圓筒阻抗式上游調(diào)壓井，其中下室底板高程182.0m，阻抗孔直徑4.8m，大井直徑9.5m。機(jī)組及進(jìn)水蝶閥主要參數(shù)見表1。

表1 設(shè)備主要參數(shù)列表

　　注：額定容量單位為MVA；額定電壓單位為kV；額定電流單位為A；轉(zhuǎn)速單位為r/min；額定、最大出力單位為MW；水頭、直徑單位為m；流量單位為m3/s。

3、蝶閥動水關(guān)閉試驗(yàn)

　　為論證蝶閥動水關(guān)閉能力，2011年12月電廠組織相關(guān)單位開展了南水水電廠機(jī)組進(jìn)水蝶閥的動水關(guān)閉試驗(yàn)，測試蝶閥動水關(guān)閉下機(jī)組、蝶閥振動位移及鋼管、尾水管及蝸殼內(nèi)的壓力變化過程�？紤]到安全因素，試驗(yàn)采取機(jī)組帶負(fù)荷動水關(guān)閥的方式進(jìn)行，當(dāng)?shù)�閥全關(guān)機(jī)組進(jìn)入調(diào)相運(yùn)行時(shí)再立即啟動停機(jī)流程關(guān)閉導(dǎo)葉使機(jī)組停機(jī)。

　　測試系統(tǒng)采用PSTA便攜式振動壓力測試系統(tǒng)，主要布置的測點(diǎn)有蝸殼進(jìn)口壓力、尾水管進(jìn)口壓力、蝶閥前壓力鋼管壓力以及蝶閥、機(jī)組的振動、位移測點(diǎn)及蝶閥附近的噪聲測點(diǎn)等。蝶閥主要測點(diǎn)見圖1。

圖1 蝶閥動水關(guān)閉試驗(yàn)蝶閥各主要測點(diǎn)示意圖

　　試驗(yàn)前機(jī)組分別在空載、10MW、17MW負(fù)荷工況點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行，將開度限制設(shè)定在大于所帶負(fù)荷對應(yīng)導(dǎo)葉開度3%左右位置，儀器設(shè)備準(zhǔn)備調(diào)校完畢后，啟動記錄各測點(diǎn)數(shù)據(jù)，然后操作關(guān)閉蝶閥，當(dāng)?shù)�閥指示為全關(guān)時(shí)，立即啟動停機(jī)流程關(guān)閉水輪機(jī)導(dǎo)葉停機(jī)，待檢查測試數(shù)據(jù)和現(xiàn)場無異常情況后，再繼續(xù)下一次試驗(yàn)。

　　水壓測點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果見表2、圖2。由表2、圖2可看出，隨著蝶閥關(guān)閉前機(jī)組負(fù)荷的增加，蝶閥關(guān)閉過程中產(chǎn)生的水壓、噪聲及振動也隨之加劇。各工況下各測點(diǎn)水壓值均未超過允許值，試驗(yàn)過程中，機(jī)組狀態(tài)正常，蝶閥動水關(guān)閉未對機(jī)組造成危害，蝶閥各部位振動值雖然在動作過程中明顯增加，但試驗(yàn)后蝶閥本體、壓力鋼管及基礎(chǔ)墩位移值基本能夠恢復(fù)至試驗(yàn)前狀態(tài)，伸縮節(jié)未發(fā)生滲水現(xiàn)象。蝶閥動水關(guān)閉過程中，蝶閥關(guān)閉時(shí)間滿足設(shè)計(jì)要求(60～120s)。

表2 蝶閥動水關(guān)閉試驗(yàn)主要試驗(yàn)結(jié)果

圖2 17MW工況蝶閥動水關(guān)閉主要壓力測點(diǎn)測試結(jié)果(2011-12-26)

4、仿真模型及驗(yàn)證

　　4.1、仿真模型建立

　　4.1.1、引水系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

　　引水系統(tǒng)采用特征線法求解有壓輸水系統(tǒng)連續(xù)性方程和運(yùn)動方程�？紤]到進(jìn)口損失和進(jìn)口速度水頭相對于電站水頭小得多，可以忽略不計(jì)，水庫邊界Hp取常量。調(diào)壓井邊界基本方程為連續(xù)性方程、能量方程和調(diào)壓室水位變化方程，可聯(lián)立流道特征線方程求解。引水系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型見圖3。圖中，數(shù)字1～10為仿真計(jì)算中引水系統(tǒng)的編號；#1、#2、#3為機(jī)組編號。

圖3 引水系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

　　4.1.2、水輪機(jī)數(shù)學(xué)模型

　　水輪機(jī)特性采用HLA497模型綜合特性曲線和飛逸特性曲線描述，機(jī)組事故飛逸過渡過程中水輪機(jī)的工作軌跡將跨越水輪機(jī)的飛逸工況及制動工況區(qū)，因此在計(jì)算中需要將模型綜合特性曲線進(jìn)行外延，同時(shí)轉(zhuǎn)換為單位流量與單位力矩隨單位轉(zhuǎn)速的變化曲線。

　　4.1.3、蝶閥數(shù)學(xué)模型

　　南水水電廠進(jìn)水蝶閥采用臥式布置，雙平板雙偏心自關(guān)閉的蝴蝶閥結(jié)構(gòu)，閥門公稱直徑為2.5m，在發(fā)生機(jī)組緊急事故的情況下，由緊急事故停機(jī)繼電器直接作用于電磁閥使蝴蝶閥關(guān)閉。

　　為準(zhǔn)確獲得蝶閥的過流特性，本文采用CFD方法分析蝶閥各開度下的流場，得到蝶閥在不同開度下的流量系數(shù)。蝶閥過流部件三維仿真模型見圖4(a)。蝶閥活門附近局部網(wǎng)格采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸選為10mm，其他地方網(wǎng)格采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為300mm，總網(wǎng)格數(shù)約為610000個(gè)，計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格示意圖見圖4(b)。

圖4 蝶閥過流部件的三維仿真模型

　　選取蝶閥開度分別為0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°，計(jì)算各開度下蝶閥內(nèi)的流場，不同開度下蝶閥流量系數(shù)變化過程見圖5。由圖5可看出，蝶閥流量系數(shù)與蝶閥開度變化呈現(xiàn)明顯的非線性關(guān)系，小開度下隨蝶閥開度的增加蝶閥流量系數(shù)增加較慢，大開度下蝶閥流量系數(shù)隨蝶閥開度的增加急劇增加。

圖5 蝶閥流量系數(shù)計(jì)算結(jié)果

　　4.2、模型驗(yàn)證

　　為驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性，將表2所示的試驗(yàn)條件引入仿真計(jì)算，將仿真結(jié)果與蝶閥動水關(guān)閉試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，見圖6、7。

圖6 機(jī)組10MW工況蝸殼及蝶閥進(jìn)口水壓試驗(yàn)及仿真結(jié)果對比

圖7 機(jī)組17MW工況蝸殼及蝶閥進(jìn)口水壓試驗(yàn)及仿真結(jié)果對比

　　由圖6、7可看出：①蝶閥關(guān)閉初始時(shí)刻及中間時(shí)刻蝸殼進(jìn)口壓力仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果十分吻合，而蝶閥關(guān)閉末仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果有一定的差異，主要原因在于蝶閥關(guān)閉末為避免機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行導(dǎo)葉也開始關(guān)閉，而在仿真計(jì)算中未考慮導(dǎo)葉關(guān)閉對蝸殼進(jìn)口壓力的影響。②蝶閥前壓力變化過程主要受調(diào)壓室涌浪的影響，仿真得到的壓力變化過程的波動周期、幅值均與試驗(yàn)結(jié)果接近。因此，對于引水系統(tǒng)的壓力變化過程，無論是極值還是變化趨勢，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果均較為接近，可以將該數(shù)學(xué)模型作為水電廠事故飛逸過渡過程仿真模型。

5、事故飛逸過渡過程仿真分析

　　調(diào)速器拒動蝶閥動水關(guān)閉機(jī)組事故飛逸過渡過程計(jì)算結(jié)果見圖8。由圖8可看出，在事故飛逸過渡過程中，由蝶閥關(guān)閉所產(chǎn)生的流道內(nèi)壓力上升最大值及尾水管真空度均小于三臺機(jī)組同甩負(fù)荷導(dǎo)葉正常關(guān)閉工況。而機(jī)組轉(zhuǎn)速最大上升率遠(yuǎn)大于機(jī)組甩負(fù)荷導(dǎo)葉正常關(guān)閉的情況，其值達(dá)88.54%，最大轉(zhuǎn)速為707.03r/min，達(dá)到了當(dāng)前水頭下的飛逸轉(zhuǎn)速，且其轉(zhuǎn)速變化過程在高轉(zhuǎn)速停留的時(shí)間長，在600r/min以上持續(xù)時(shí)間長達(dá)54.4s。

圖8 蝶閥動水關(guān)閉機(jī)組事故飛逸過渡過程計(jì)算結(jié)果

　　相比導(dǎo)葉關(guān)閉，蝶閥的關(guān)閉時(shí)間一般均較長，因此蝶閥關(guān)閉下事故飛逸過渡過程所產(chǎn)生的壓力上升一般小于機(jī)組正常甩負(fù)荷，不會對水輪機(jī)及引水系統(tǒng)產(chǎn)生較大的破壞，而機(jī)組轉(zhuǎn)速上升值遠(yuǎn)大于甩負(fù)荷導(dǎo)葉正常關(guān)閉的情況，達(dá)到了水輪機(jī)在當(dāng)前水頭下的飛逸轉(zhuǎn)速，且機(jī)組持續(xù)在高轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，對水輪發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生極大的破壞，需要研究其控制措施，以減小機(jī)組的轉(zhuǎn)速上升率及其在高轉(zhuǎn)速下的運(yùn)行時(shí)間，保護(hù)設(shè)備安全。

6、影響因素分析

　　水輪發(fā)電機(jī)組嚴(yán)禁在飛逸轉(zhuǎn)速下長時(shí)間運(yùn)行，主機(jī)廠家會給出發(fā)電機(jī)極限的允許飛逸時(shí)間，若機(jī)組的飛逸時(shí)間超過了該值則會對發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生巨大的破壞，因此需要對機(jī)組在事故飛逸過渡過程中轉(zhuǎn)速變化過程進(jìn)行詳細(xì)的仿真計(jì)算，研究各因素的影響以保證機(jī)組的安全。

　　6.1、蝶閥關(guān)閉時(shí)間的影響

　　不同蝶閥關(guān)閉時(shí)間下仿真結(jié)果見圖9(a)。由圖9(a)可看出，機(jī)組轉(zhuǎn)速的變化過程呈現(xiàn)“陡升緩降”的特點(diǎn)，在甩負(fù)荷初始機(jī)組轉(zhuǎn)速急劇上升，一般轉(zhuǎn)速從額定轉(zhuǎn)速上升至最大轉(zhuǎn)速的時(shí)間在25s左右，隨著蝶閥的關(guān)閉，機(jī)組轉(zhuǎn)速值會下降，但相比其轉(zhuǎn)速的上升過程，其轉(zhuǎn)速下降過程明顯放緩，蝶閥的關(guān)閉時(shí)間主要影響機(jī)組轉(zhuǎn)速的下降過程，對機(jī)組的轉(zhuǎn)速上升過程基本無影響，隨著蝶閥關(guān)閉時(shí)間的延長，機(jī)組在高轉(zhuǎn)速運(yùn)行的時(shí)間也越長，轉(zhuǎn)速上升的最大值越大。

圖9 蝶閥不同關(guān)閉時(shí)間、動作滯后時(shí)間下機(jī)組轉(zhuǎn)速變化過程

　　6.2、蝶閥動作滯后時(shí)間的影響

　　由于作用于蝶閥關(guān)閉的控制環(huán)節(jié)較多，其不可避免的會存在一定的滯后，實(shí)測南水水電廠蝶閥動作的滯后時(shí)間一般在10～20s之間。

　　不同蝶閥動作滯后時(shí)間下仿真結(jié)果見圖9(b)。由圖9(b)可看出，蝶閥動作的滯后時(shí)間對機(jī)組轉(zhuǎn)速變化的影響較小，且只能影響機(jī)組轉(zhuǎn)速變化的下降過程，蝶閥動作的滯后時(shí)間越長機(jī)組在高轉(zhuǎn)速運(yùn)行的時(shí)間也越長。

　　6.3、過速保護(hù)定值的影響

　　在水電站實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)水蝶閥動作條件主要為：①機(jī)組轉(zhuǎn)速上升至115%+調(diào)速器拒動；②機(jī)組轉(zhuǎn)速上升到電氣過速保護(hù)定值；③機(jī)組轉(zhuǎn)速上升到機(jī)械過速整定值。為分析保護(hù)定值對蝶閥動水關(guān)閉過渡過程的影響，需要對蝶閥動作條件進(jìn)行分析，不同動作轉(zhuǎn)速下仿真結(jié)果見圖10。計(jì)算中均設(shè)定調(diào)速器拒動，其中電氣過速及機(jī)械過速保護(hù)整定值按規(guī)定取值。

圖10 不同過速保護(hù)動作下機(jī)組轉(zhuǎn)速變化過程

　　由圖10可看出，由于在甩負(fù)荷調(diào)速器拒動情況下機(jī)組轉(zhuǎn)速上升極快，達(dá)到150%的時(shí)間僅需4s左右，而蝶閥動作滯后時(shí)間就大于4s，因此無論是機(jī)組轉(zhuǎn)速在115%還是在150%下蝶閥動作，其機(jī)組轉(zhuǎn)速過渡過程均無較大差異。

7、結(jié)論

　　a.現(xiàn)場實(shí)測了蝶閥動水關(guān)閉下的壓力及其所產(chǎn)生的噪聲、振動情況，并通過一維過渡過程理論結(jié)合三維CFD計(jì)算建立了仿真模型，同時(shí)利用現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，最后利用數(shù)學(xué)模型研究了導(dǎo)葉拒動蝶閥關(guān)閉下機(jī)組甩負(fù)荷過渡過程。

　　b.蝶閥關(guān)閉機(jī)組事故飛逸過渡過程所產(chǎn)生的壓力上升一般小于機(jī)組正常甩負(fù)荷，不會對水輪機(jī)及其引水系統(tǒng)產(chǎn)生較大的破壞，而機(jī)組轉(zhuǎn)速最大上升率則遠(yuǎn)大于導(dǎo)葉關(guān)閉的情況，且機(jī)組轉(zhuǎn)速變化過程呈“陡升緩降”的特點(diǎn)。蝶閥關(guān)閉時(shí)間主要影響轉(zhuǎn)速變化的下降過程，隨著蝶閥關(guān)閉時(shí)間的延長機(jī)組在高轉(zhuǎn)速運(yùn)行的時(shí)間也越長，蝶閥動作的滯后時(shí)間對機(jī)組轉(zhuǎn)速變化的影響較小，且也只能影響其下降過程，不同過速保護(hù)蝶閥動作下的機(jī)組轉(zhuǎn)速變化過程則無明顯差異。