設進(jìn)水蝶閥水電站事故飛逸過(guò)渡過(guò)程研究

　　為保證水電站運行安全，針對設有進(jìn)水蝶閥水電站，開(kāi)展了蝶閥動(dòng)水關(guān)閉的現場(chǎng)試驗，建立了過(guò)渡過(guò)程仿真模型，并利用實(shí)測結果驗證了數學(xué)模型，進(jìn)而對水電站事故飛逸過(guò)渡過(guò)程進(jìn)行了仿真分析，研究了該過(guò)渡過(guò)程中壓力及機組轉速變化的特點(diǎn)，分析了蝶閥動(dòng)作時(shí)間、滯后時(shí)間及過(guò)速保護定值對其過(guò)渡過(guò)程的影響，結果可為設進(jìn)水蝶閥水電站事故飛逸過(guò)渡過(guò)程研究提供參考。

1、引言

　　水電站運行過(guò)程中有可能出現機組甩負荷調速機構失靈的情況，此時(shí)導葉拒動(dòng)機組進(jìn)入飛逸，只能靠進(jìn)水閥門(mén)或快速閘門(mén)來(lái)切斷水流從而保護機組。對于設有進(jìn)水蝶閥的水電站，蝶閥是機組的最后一道保護，為保證水電站運行安全，需要研究機組甩負荷導葉拒動(dòng)蝶閥動(dòng)水關(guān)閉下的事故飛逸過(guò)渡過(guò)程，分析機組過(guò)速保護定值及蝶閥關(guān)閉時(shí)間等因素，以保障水電機組的安全運行。目前對水電站大波動(dòng)過(guò)渡過(guò)程的研究主要集中在機組甩負荷導葉正常關(guān)閉下的情況，由現場(chǎng)真機試驗及仿真計算的結果對比來(lái)看，目前的數值仿真已經(jīng)能夠較為準確地模擬實(shí)際水電站正常甩負荷過(guò)渡過(guò)程，而對于機組事故飛逸過(guò)渡過(guò)程尚無(wú)相關(guān)研究�？紤]到安全因素，現場(chǎng)也無(wú)法進(jìn)行事故飛逸過(guò)渡過(guò)程的真機測試，只能進(jìn)行機組帶負荷的蝶閥動(dòng)水關(guān)閉試驗來(lái)論證蝶閥的動(dòng)水關(guān)閉能力。為準確分析機組事故下的甩負荷過(guò)渡過(guò)程，本文建立了其數值計算模型并開(kāi)展了蝶閥動(dòng)水關(guān)閉的現場(chǎng)實(shí)測，利用實(shí)測結果對數學(xué)模型進(jìn)行了驗證，分析了影響其過(guò)渡過(guò)程的各主要因素，結果對設進(jìn)水蝶閥水電站事故飛逸過(guò)渡過(guò)程研究具有一定的借鑒意義。

2、基本情況

　　南水水電廠(chǎng)位于廣東省韶關(guān)市乳源縣縣城西側，共設有3臺混流式水輪發(fā)電機組，其引水系統采用“一洞三機”的形式，引水隧洞長(cháng)約4km，洞徑5.5m，設有帶下室的圓筒阻抗式上游調壓井，其中下室底板高程182.0m，阻抗孔直徑4.8m，大井直徑9.5m。機組及進(jìn)水蝶閥主要參數見(jiàn)表1。

表1 設備主要參數列表

　　注：額定容量單位為MVA；額定電壓?jiǎn)挝粸閗V；額定電流單位為A；轉速單位為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(dòng)水關(guān)閉試驗

　　為論證蝶閥動(dòng)水關(guān)閉能力，2011年12月電廠(chǎng)組織相關(guān)單位開(kāi)展了南水水電廠(chǎng)機組進(jìn)水蝶閥的動(dòng)水關(guān)閉試驗，測試蝶閥動(dòng)水關(guān)閉下機組、蝶閥振動(dòng)位移及鋼管、尾水管及蝸殼內的壓力變化過(guò)程�？紤]到安全因素，試驗采取機組帶負荷動(dòng)水關(guān)閥的方式進(jìn)行，當蝶閥全關(guān)機組進(jìn)入調相運行時(shí)再立即啟動(dòng)停機流程關(guān)閉導葉使機組停機。

　　測試系統采用PSTA便攜式振動(dòng)壓力測試系統，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、機組的振動(dòng)、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(jiàn)圖1。

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

　　試驗前機組分別在空載、10MW、17MW負荷工況點(diǎn)穩定運行，將開(kāi)度限制設定在大于所帶負荷對應導葉開(kāi)度3%左右位置，儀器設備準備調校完畢后，啟動(dòng)記錄各測點(diǎn)數據，然后操作關(guān)閉蝶閥，當蝶閥指示為全關(guān)時(shí)，立即啟動(dòng)停機流程關(guān)閉水輪機導葉停機，待檢查測試數據和現場(chǎng)無(wú)異常情況后，再繼續下一次試驗。

　　水壓測點(diǎn)試驗結果見(jiàn)表2、圖2。由表2、圖2可看出，隨著(zhù)蝶閥關(guān)閉前機組負荷的增加，蝶閥關(guān)閉過(guò)程中產(chǎn)生的水壓、噪聲及振動(dòng)也隨之加劇。各工況下各測點(diǎn)水壓值均未超過(guò)允許值，試驗過(guò)程中，機組狀態(tài)正常，蝶閥動(dòng)水關(guān)閉未對機組造成危害，蝶閥各部位振動(dòng)值雖然在動(dòng)作過(guò)程中明顯增加，但試驗后蝶閥本體、壓力鋼管及基礎墩位移值基本能夠恢復至試驗前狀態(tài)，伸縮節未發(fā)生滲水現象。蝶閥動(dòng)水關(guān)閉過(guò)程中，蝶閥關(guān)閉時(shí)間滿(mǎn)足設計要求(60～120s)。

表2 蝶閥動(dòng)水關(guān)閉試驗主要試驗結果

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

4、仿真模型及驗證

　　4.1、仿真模型建立

　　4.1.1、引水系統數學(xué)模型

　　引水系統采用特征線(xiàn)法求解有壓輸水系統連續性方程和運動(dòng)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，水庫邊界Hp取常量。調壓井邊界基本方程為連續性方程、能量方程和調壓室水位變化方程，可聯(lián)立流道特征線(xiàn)方程求解。引水系統數學(xué)模型見(jiàn)圖3。圖中，數字1～10為仿真計算中引水系統的編號；#1、#2、#3為機組編號。

圖3 引水系統數學(xué)模型

　　4.1.2、水輪機數學(xué)模型

　　水輪機特性采用HLA497模型綜合特性曲線(xiàn)和飛逸特性曲線(xiàn)描述，機組事故飛逸過(guò)渡過(guò)程中水輪機的工作軌跡將跨越水輪機的飛逸工況及制動(dòng)工況區，因此在計算中需要將模型綜合特性曲線(xiàn)進(jìn)行外延，同時(shí)轉換為單位流量與單位力矩隨單位轉速的變化曲線(xiàn)。

　　4.1.3、蝶閥數學(xué)模型

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

　　為準確獲得蝶閥的過(guò)流特性，本文采用CFD方法分析蝶閥各開(kāi)度下的流場(chǎng)，得到蝶閥在不同開(kāi)度下的流量系數。蝶閥過(guò)流部件三維仿真模型見(jiàn)圖4(a)。蝶閥活門(mén)附近局部網(wǎng)格采用四面體非結構化網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸選為10mm，其他地方網(wǎng)格采用六面體結構化網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為300mm，總網(wǎng)格數約為610000個(gè)，計算區域及網(wǎng)格示意圖見(jiàn)圖4(b)。

圖4 蝶閥過(guò)流部件的三維仿真模型

　　選取蝶閥開(kāi)度分別為0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°，計算各開(kāi)度下蝶閥內的流場(chǎng)，不同開(kāi)度下蝶閥流量系數變化過(guò)程見(jiàn)圖5。由圖5可看出，蝶閥流量系數與蝶閥開(kāi)度變化呈現明顯的非線(xiàn)性關(guān)系，小開(kāi)度下隨蝶閥開(kāi)度的增加蝶閥流量系數增加較慢，大開(kāi)度下蝶閥流量系數隨蝶閥開(kāi)度的增加急劇增加。

圖5 蝶閥流量系數計算結果

　　4.2、模型驗證

　　為驗證仿真模型的準確性，將表2所示的試驗條件引入仿真計算，將仿真結果與蝶閥動(dòng)水關(guān)閉試驗結果進(jìn)行對比分析，見(jiàn)圖6、7。

圖6 機組10MW工況蝸殼及蝶閥進(jìn)口水壓試驗及仿真結果對比

圖7 機組17MW工況蝸殼及蝶閥進(jìn)口水壓試驗及仿真結果對比

　　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)口壓力仿真結果與試驗結果十分吻合，而蝶閥關(guān)閉末仿真結果與試驗結果有一定的差異，主要原因在于蝶閥關(guān)閉末為避免機組進(jìn)相運行導葉也開(kāi)始關(guān)閉，而在仿真計算中未考慮導葉關(guān)閉對蝸殼進(jìn)口壓力的影響。②蝶閥前壓力變化過(guò)程主要受調壓室涌浪的影響，仿真得到的壓力變化過(guò)程的波動(dòng)周期、幅值均與試驗結果接近。因此，對于引水系統的壓力變化過(guò)程，無(wú)論是極值還是變化趨勢，仿真結果與試驗結果均較為接近，可以將該數學(xué)模型作為水電廠(chǎng)事故飛逸過(guò)渡過(guò)程仿真模型。

5、事故飛逸過(guò)渡過(guò)程仿真分析

　　調速器拒動(dòng)蝶閥動(dòng)水關(guān)閉機組事故飛逸過(guò)渡過(guò)程計算結果見(jiàn)圖8。由圖8可看出，在事故飛逸過(guò)渡過(guò)程中，由蝶閥關(guān)閉所產(chǎn)生的流道內壓力上升最大值及尾水管真空度均小于三臺機組同甩負荷導葉正常關(guān)閉工況。而機組轉速最大上升率遠大于機組甩負荷導葉正常關(guān)閉的情況，其值達88.54%，最大轉速為707.03r/min，達到了當前水頭下的飛逸轉速，且其轉速變化過(guò)程在高轉速停留的時(shí)間長(cháng)，在600r/min以上持續時(shí)間長(cháng)達54.4s。

圖8 蝶閥動(dòng)水關(guān)閉機組事故飛逸過(guò)渡過(guò)程計算結果

　　相比導葉關(guān)閉，蝶閥的關(guān)閉時(shí)間一般均較長(cháng)，因此蝶閥關(guān)閉下事故飛逸過(guò)渡過(guò)程所產(chǎn)生的壓力上升一般小于機組正常甩負荷，不會(huì )對水輪機及引水系統產(chǎn)生較大的破壞，而機組轉速上升值遠大于甩負荷導葉正常關(guān)閉的情況，達到了水輪機在當前水頭下的飛逸轉速，且機組持續在高轉速下運行，對水輪發(fā)電機組產(chǎn)生極大的破壞，需要研究其控制措施，以減小機組的轉速上升率及其在高轉速下的運行時(shí)間，保護設備安全。

6、影響因素分析

　　水輪發(fā)電機組嚴禁在飛逸轉速下長(cháng)時(shí)間運行，主機廠(chǎng)家會(huì )給出發(fā)電機極限的允許飛逸時(shí)間，若機組的飛逸時(shí)間超過(guò)了該值則會(huì )對發(fā)電機組產(chǎn)生巨大的破壞，因此需要對機組在事故飛逸過(guò)渡過(guò)程中轉速變化過(guò)程進(jìn)行詳細的仿真計算，研究各因素的影響以保證機組的安全。

　　6.1、蝶閥關(guān)閉時(shí)間的影響

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

圖9 蝶閥不同關(guān)閉時(shí)間、動(dòng)作滯后時(shí)間下機組轉速變化過(guò)程

　　6.2、蝶閥動(dòng)作滯后時(shí)間的影響

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

　　不同蝶閥動(dòng)作滯后時(shí)間下仿真結果見(jiàn)圖9(b)。由圖9(b)可看出，蝶閥動(dòng)作的滯后時(shí)間對機組轉速變化的影響較小，且只能影響機組轉速變化的下降過(guò)程，蝶閥動(dòng)作的滯后時(shí)間越長(cháng)機組在高轉速運行的時(shí)間也越長(cháng)。

　　6.3、過(guò)速保護定值的影響

　　在水電站實(shí)際運行中進(jìn)水蝶閥動(dòng)作條件主要為：①機組轉速上升至115%+調速器拒動(dòng)；②機組轉速上升到電氣過(guò)速保護定值；③機組轉速上升到機械過(guò)速整定值。為分析保護定值對蝶閥動(dòng)水關(guān)閉過(guò)渡過(guò)程的影響，需要對蝶閥動(dòng)作條件進(jìn)行分析，不同動(dòng)作轉速下仿真結果見(jiàn)圖10。計算中均設定調速器拒動(dòng)，其中電氣過(guò)速及機械過(guò)速保護整定值按規定取值。

圖10 不同過(guò)速保護動(dòng)作下機組轉速變化過(guò)程

　　由圖10可看出，由于在甩負荷調速器拒動(dòng)情況下機組轉速上升極快，達到150%的時(shí)間僅需4s左右，而蝶閥動(dòng)作滯后時(shí)間就大于4s，因此無(wú)論是機組轉速在115%還是在150%下蝶閥動(dòng)作，其機組轉速過(guò)渡過(guò)程均無(wú)較大差異。

7、結論

　　a.現場(chǎng)實(shí)測了蝶閥動(dòng)水關(guān)閉下的壓力及其所產(chǎn)生的噪聲、振動(dòng)情況，并通過(guò)一維過(guò)渡過(guò)程理論結合三維CFD計算建立了仿真模型，同時(shí)利用現場(chǎng)實(shí)測結果對數學(xué)模型進(jìn)行了驗證，最后利用數學(xué)模型研究了導葉拒動(dòng)蝶閥關(guān)閉下機組甩負荷過(guò)渡過(guò)程。

　　b.蝶閥關(guān)閉機組事故飛逸過(guò)渡過(guò)程所產(chǎn)生的壓力上升一般小于機組正常甩負荷，不會(huì )對水輪機及其引水系統產(chǎn)生較大的破壞，而機組轉速最大上升率則遠大于導葉關(guān)閉的情況，且機組轉速變化過(guò)程呈“陡升緩降”的特點(diǎn)。蝶閥關(guān)閉時(shí)間主要影響轉速變化的下降過(guò)程，隨著(zhù)蝶閥關(guān)閉時(shí)間的延長(cháng)機組在高轉速運行的時(shí)間也越長(cháng)，蝶閥動(dòng)作的滯后時(shí)間對機組轉速變化的影響較小，且也只能影響其下降過(guò)程，不同過(guò)速保護蝶閥動(dòng)作下的機組轉速變化過(guò)程則無(wú)明顯差異。