壓力鋼管爆管對(duì)并聯(lián)調(diào)壓室水電站瞬變流的影響

喬艷偉,周建旭,結(jié)少鵬,張松磊,劉俊平

(1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇南京 210098;2.浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院,浙江杭州 310002)

壓力鋼管爆管對(duì)并聯(lián)調(diào)壓室水電站瞬變流的影響

喬艷偉1,周建旭1,結(jié)少鵬2,張松磊1,劉俊平1

(1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇南京 210098;2.浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院,浙江杭州 310002)

為了研究水電站壓力鋼管爆管的特殊水力瞬變特性及其對(duì)運(yùn)行機(jī)組的影響,建立壓力鋼管爆管計(jì)算模型,結(jié)合設(shè)置并聯(lián)調(diào)壓室的水電站,開展了明鋼管爆管的瞬變流分析,研究了不同爆管特征斷面和爆管孔口面積下水力機(jī)械系統(tǒng)的水力參數(shù)特征。結(jié)果表明:水電站壓力鋼管爆管的瞬變特性與爆管位置及爆口面積大小密切相關(guān);爆管支路的流量和壓力發(fā)生劇烈變化,引起機(jī)組蝸殼失壓、引水調(diào)壓室漏空等典型事故現(xiàn)象;爆管支路蝶閥的關(guān)閉控制和并聯(lián)調(diào)壓室的存在,可以有效降低對(duì)并聯(lián)支路和運(yùn)行機(jī)組的影響。

水電站;壓力鋼管;明鋼管;爆管;并聯(lián)調(diào)壓室;瞬變流

引水式水電站是全部或主要由引水系統(tǒng)集中水頭和引用流量以開發(fā)水能的水電站,壓力鋼管是引水式水電站引水系統(tǒng)的重要組成部分,在保證水電站安全可靠運(yùn)行中發(fā)揮著關(guān)鍵的作用[1]。壓力鋼管在運(yùn)行中承受相對(duì)較大的內(nèi)水壓力,一旦出現(xiàn)大位移、爆裂、塌陷等事故[2],將直接危及下游側(cè)廠房的運(yùn)行安全,而壓力鋼管爆管是水電站明鋼管典型的事故現(xiàn)象,會(huì)直接影響水電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。水電站壓力鋼管爆管過(guò)程屬于典型的水電站水力機(jī)械系統(tǒng)瞬變流過(guò)程,國(guó)內(nèi)外在水電站水力機(jī)械系統(tǒng)瞬變流分析方面開展了系統(tǒng)而深入的研究[3-5],而涉及水電站壓力鋼管爆管問(wèn)題的研究相對(duì)較少,且主要以分析爆管原因、預(yù)防控制措施為主[6-10]。水電站常用的調(diào)壓室布置形式包括上游調(diào)壓室、下游調(diào)壓室、上下游雙調(diào)壓室和上游雙調(diào)壓室等形式[1],而設(shè)置并聯(lián)調(diào)壓室的較少,而關(guān)于并聯(lián)調(diào)壓室水電站壓力鋼管爆管下系統(tǒng)瞬變流特性的研究則明顯不足。與典型的機(jī)組增荷或甩荷過(guò)渡過(guò)程相比,壓力鋼管爆管是一個(gè)更為復(fù)雜而劇烈的瞬變流過(guò)程,爆管處的壓力水頭在爆管瞬時(shí)急劇下降,導(dǎo)致整個(gè)有壓輸水系統(tǒng)內(nèi)流量和壓力都發(fā)生劇烈變化,主要表現(xiàn)為機(jī)組蝸殼進(jìn)口瞬時(shí)失壓、引水調(diào)壓室和上游壓力管道漏空等典型的事故現(xiàn)象。對(duì)于設(shè)置并聯(lián)調(diào)壓室且壓力鋼管較長(zhǎng)的水電站而言,壓力鋼管沿線可能發(fā)生爆管的特征斷面較多,爆管引起的瞬變流現(xiàn)象對(duì)運(yùn)行機(jī)組的影響復(fù)雜,因此,本文在分析壓力鋼管爆管的水力特性基礎(chǔ)上建立爆管的節(jié)點(diǎn)計(jì)算模型,對(duì)明鋼管爆管進(jìn)行了模擬,并對(duì)爆管瞬變流特性及其對(duì)機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了分析,從而為水電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。

1 壓力鋼管爆管的水力特征分析

產(chǎn)生壓力鋼管爆管事故的原因復(fù)雜多樣,且爆管歷時(shí)很短,爆管時(shí)引起的水錘壓力變化通常按直接水錘考慮。理論上對(duì)于明敷管道,爆管后爆管點(diǎn)處的壓力為當(dāng)?shù)卮髿鈮?實(shí)際上由于爆口局部水頭損失、爆管孔口大小和爆管時(shí)間等影響因素的存在,爆管點(diǎn)壓力降低是一個(gè)較快的瞬變過(guò)程。

水電站有壓輸水系統(tǒng)正常運(yùn)行期間壓力管道內(nèi)水壓力較大,在爆管瞬間,爆管處的壓力水頭急劇下降,產(chǎn)生劇烈的降壓波,并且向上下游傳遞,使沿線壓力均產(chǎn)生大幅下降,整個(gè)有壓輸水系統(tǒng)內(nèi)水壓力和流量均發(fā)生劇烈變化。由于爆管點(diǎn)上游地勢(shì)較高,內(nèi)水壓力相對(duì)較小,爆管后,爆管點(diǎn)上游管道可能出現(xiàn)較大的負(fù)壓,下游也將產(chǎn)生劇烈的壓力振蕩,機(jī)組蝸殼進(jìn)口瞬時(shí)失壓。

壓力鋼管爆管后,水電站水力機(jī)械系統(tǒng)產(chǎn)生復(fù)雜的瞬變流過(guò)程,破壞系統(tǒng)及機(jī)組原有的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài),為了保證機(jī)組及設(shè)備的安全,相應(yīng)機(jī)組需要甩負(fù)荷并停機(jī),同時(shí),可能影響相鄰機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性,甚至停機(jī),需要采取相應(yīng)的運(yùn)行控制措施,包括緊急關(guān)閉爆管點(diǎn)上游側(cè)事故閘門或蝶閥(若設(shè)置蝶閥),以盡可能降低壓力鋼管局部爆管對(duì)系統(tǒng)整體的不利影響。

2 基于閥出流的明鋼管爆管節(jié)點(diǎn)模型

基于以上爆管現(xiàn)象的分析,以管道虛擬閥作為模擬明鋼管爆管孔口出流的水力計(jì)算分析模型[11-12],如圖1所示,來(lái)替代爆管孔口和模擬明鋼管爆管下爆管點(diǎn)的水流過(guò)程。當(dāng)壓力鋼管正常運(yùn)行時(shí),虛擬閥處于完全關(guān)閉的狀態(tài);當(dāng)壓力鋼管某特征斷面爆管時(shí),形成爆管孔口P,相應(yīng)的虛擬閥瞬時(shí)打開,其中爆管孔口的當(dāng)量直徑可近似確定,在計(jì)算中可取不同的爆口當(dāng)量直徑進(jìn)行敏感性分析。對(duì)于擬定的爆管孔口P,爆管孔口的局部水頭損失Δh是流量的單值函數(shù)。連接閥門的支管的長(zhǎng)度取決于壓力鋼管的埋藏深度和地質(zhì)地形條件,對(duì)于明鋼管而言,可不考慮其長(zhǎng)度,近似忽略其水頭損失。

利用孔口出流方程[11-14]模擬明鋼管爆管的瞬變流過(guò)程,控制方程為

圖1 基于管道虛擬閥的爆管水力模型

式中:QV為爆口的過(guò)流量,m3/s;Cd為孔口流量系數(shù);AG為爆管孔口面積,m2;HV為爆管孔口的作用水頭,m(考慮到爆管孔口出水側(cè)即為自由出口,HV即為爆管孔口壓力鋼管側(cè)的內(nèi)水壓力)。

爆管點(diǎn)處管道的相容性方程為

爆管點(diǎn)處滿足流量平衡條件,即

不考慮連接管處的局部水頭損失,有

式中H?為爆管點(diǎn)的高程。

通過(guò)公式(6)求出虛擬閥出口流量,即爆管孔口流量QV后,可求出其他水力參數(shù)的瞬時(shí)值。

基于有壓輸水管道瞬變流分析的特征線法[3-4],并考慮輸水系統(tǒng)中各水力元件節(jié)點(diǎn)處的水頭和流量平衡條件,以及水輪機(jī)組的能量和效率特性,結(jié)合系統(tǒng)中各邊界條件的分析模型,引入閥出流的明鋼管爆管的節(jié)點(diǎn)模型,則可建立爆管瞬變流分析的計(jì)算模型,開展壓力鋼管爆管的瞬變流及其影響分析。

3 設(shè)置并聯(lián)調(diào)壓室的水電站爆管影響分析

以某水電站輸水系統(tǒng)為例,進(jìn)行壓力鋼管爆管過(guò)渡過(guò)程計(jì)算,分析壓力鋼管爆管對(duì)水電站瞬變流的影響。圖2和圖3為該水電站輸水系統(tǒng)平面布置和爆管支路壓力管道縱剖面布置簡(jiǎn)圖,設(shè)置了并聯(lián)阻抗式調(diào)壓室且壓力鋼管較長(zhǎng),每根支管上游側(cè)分別布置蝶閥,調(diào)壓室下游側(cè)雙線壓力鋼管明鋼管分別長(zhǎng)2.34 km和2.32 km[15],包括洞內(nèi)明鋼管和露天明鋼管,布置起伏較大,近廠房段為坡度較大的露天明鋼管。運(yùn)行過(guò)程中,壓力鋼管承受較大的內(nèi)水壓力且局部承受較大的不平衡力,可能的爆管點(diǎn)分布較為廣泛,在一些不利的運(yùn)行條件下可能發(fā)生壓力鋼管爆管事故,引起復(fù)雜的瞬變流過(guò)程,嚴(yán)重影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

圖2 輸水系統(tǒng)平面布置簡(jiǎn)圖

3.1 系統(tǒng)參數(shù)和控制工況

圖2所示水電站的主要參數(shù)如下:并聯(lián)調(diào)壓室阻抗孔口直徑3.0m,豎井有效面積30.175m2;機(jī)組額定流量115.6m3/s,設(shè)計(jì)水頭430.74m,機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量10 130 t·m2,機(jī)組導(dǎo)葉采用直線關(guān)閉規(guī)律, TS=15.0 s;蝶閥采用直線緊急關(guān)閉規(guī)律,TSV=60 s?？刂乒r如下:

a.爆管工況(B1):水庫(kù)正常蓄水位1756.00m,兩機(jī)額定水頭額定出力運(yùn)行,1號(hào)機(jī)組所在壓力鋼管突發(fā)爆管事故,1號(hào)蝶閥緊急關(guān)閉,正常運(yùn)行的2號(hào)機(jī)組在調(diào)壓室水位最高時(shí)甩負(fù)荷,導(dǎo)葉正常關(guān)閉。

b.不爆管工況(B2):水庫(kù)正常蓄水位1756.00m,兩機(jī)額定水頭額定出力運(yùn)行,1號(hào)機(jī)組甩負(fù)荷,正常運(yùn)行的2號(hào)機(jī)組在調(diào)壓室水位最高時(shí)甩負(fù)荷。

3.2 壓力鋼管爆管的瞬變流計(jì)算分析

壓力鋼管爆管時(shí),爆管產(chǎn)生的瞬變流過(guò)程與爆管點(diǎn)的位置、爆管孔口大小、爆管點(diǎn)位置管徑等因素有關(guān)[14],不同的爆管點(diǎn)和不同的爆口面積對(duì)系統(tǒng)水力瞬變特性的影響也不完全相同。

爆管工況,在t=10 s時(shí),1號(hào)機(jī)組支管發(fā)生爆管事故,采用閥門孔口出流控制方程對(duì)該爆管工況進(jìn)行詳細(xì)的瞬變流計(jì)算分析。爆管產(chǎn)生后,因蝶閥及導(dǎo)葉的關(guān)閉,調(diào)壓室及壓力鋼管將出現(xiàn)漏空現(xiàn)象,因此,側(cè)重于對(duì)爆管支路調(diào)壓室水位降至底板高程之前的水力瞬變流及其影響進(jìn)行分析。

3.2.1 不同爆管點(diǎn)的瞬變特性

因不同爆管點(diǎn)的初始內(nèi)水壓力和高程不同,爆管后引起的瞬時(shí)壓降不同,同一爆口面積下不同爆管點(diǎn)爆管對(duì)有壓輸水系統(tǒng)的瞬變流特性的影響不同。考慮爆口當(dāng)量直徑為1.5m,如圖3所示,分別對(duì)P1、P2、P3點(diǎn)爆管進(jìn)行詳細(xì)的爆管瞬變流分析,結(jié)果見圖4～7,表1給出了爆管口主要水力參數(shù)、相鄰2號(hào)支路調(diào)壓室水位和機(jī)組蝸殼進(jìn)口內(nèi)水壓力的特征值。

圖3 爆管支路壓力管道縱剖面布置簡(jiǎn)圖(單位:m)

圖4 1號(hào)支管不同爆管點(diǎn)處的壓力變化過(guò)程線

圖6 不同爆管點(diǎn)爆管時(shí)2號(hào)并聯(lián)支路引水調(diào)壓室水位變化過(guò)程線

圖5 1號(hào)支管不同爆管點(diǎn)處的爆口涌出流量變化過(guò)程線

圖7 不同爆管點(diǎn)爆管時(shí)2號(hào)并聯(lián)支路機(jī)組蝸殼進(jìn)口內(nèi)水壓力變化過(guò)程線

表1 不同爆管點(diǎn)主要水力參數(shù)的特征值

分析圖4～7和表1可知:

a.壓力鋼管爆管后,爆管點(diǎn)壓力瞬時(shí)降低,爆管孔口涌出流量瞬時(shí)增大。對(duì)于同一爆口面積不同爆管點(diǎn),爆管時(shí)均出現(xiàn)了嚴(yán)重的瞬時(shí)壓降,且爆管點(diǎn)高程越低瞬時(shí)壓降越大。高程最低的P3點(diǎn)爆管時(shí),壓降和涌出流量較大,壓力鋼管沿線出現(xiàn)了不同程度的嚴(yán)重負(fù)壓現(xiàn)象,下游機(jī)組蝸殼失壓亦最為嚴(yán)重。對(duì)負(fù)壓現(xiàn)象可進(jìn)一步采用適于水汽兩相流模擬的數(shù)值分析算法進(jìn)行仿真研究。因輸水系統(tǒng)沿線布置起伏較大,壓力管道特性多樣,爆管點(diǎn)以及輸水系統(tǒng)沿線壓力產(chǎn)生劇烈的振蕩。隨著相應(yīng)爆管支路蝶閥的關(guān)閉,機(jī)組導(dǎo)葉也關(guān)閉,上游壓力鋼管內(nèi)水流逐漸減少,調(diào)壓室水位持續(xù)下降,直至漏空,且爆管點(diǎn)不同,調(diào)壓室漏空時(shí)間不同。隨著上游蝶閥的關(guān)閉,爆口的流量逐漸減小,爆管點(diǎn)的壓力隨著調(diào)壓室水位的降低逐漸減小。

b.考慮到蝶閥的關(guān)閉切斷了爆管支路對(duì)并聯(lián)支路的影響,以及并聯(lián)調(diào)壓室對(duì)爆管影響的減緩作用,削弱了爆管產(chǎn)生的降壓波對(duì)蝶閥上游及并聯(lián)支路的影響。1號(hào)支路爆管后,受蝶閥關(guān)閉時(shí)間的影響,對(duì)2號(hào)并聯(lián)支路機(jī)組導(dǎo)葉關(guān)閉后相應(yīng)的調(diào)節(jié)保證計(jì)算參數(shù)有一定的影響。1號(hào)支路爆管點(diǎn)位置越低,爆管點(diǎn)上游側(cè)支管和主管道流量增量越大,蝶閥關(guān)閉后,對(duì)2號(hào)機(jī)組支路的影響也越明顯,主要表現(xiàn)為2號(hào)調(diào)壓室最高涌浪水位較高,2號(hào)機(jī)組蝸殼進(jìn)口最大內(nèi)水壓力較大。

c.與不爆管工況相比,爆管工況下,爆管點(diǎn)最大內(nèi)水壓力及2號(hào)機(jī)組蝸殼進(jìn)口最小內(nèi)水壓力均明顯降低,而2號(hào)調(diào)壓室最高涌浪水位及2號(hào)機(jī)組蝸殼進(jìn)口最大內(nèi)水壓力有所增大。

3.2.2 同一爆管點(diǎn)不同爆口面積的瞬變特性

以爆管點(diǎn)P2為例,爆口當(dāng)量直徑分別取1.0m、 2.0m、3.0m,對(duì)爆管瞬變特性進(jìn)行分析,結(jié)果見表2。

分析表2可知:

a.對(duì)于同一爆管點(diǎn),爆口面積越大,爆管引起的瞬時(shí)壓降越大,引起沿線壓力鋼管出現(xiàn)越大的負(fù)壓,亦可采用適于水汽兩相流模擬的數(shù)值算法進(jìn)行進(jìn)一步分析。爆口面積較小時(shí),瞬時(shí)壓降相對(duì)較小,爆管點(diǎn)最大壓力較大;爆口面積較大時(shí),爆口局部阻抗系數(shù)較小,同時(shí)涌出流量較大,內(nèi)水壓力變化趨勢(shì)較為平緩。隨著相應(yīng)支路蝶閥的關(guān)閉,調(diào)壓室水位下降,爆口面積越大,調(diào)壓室漏空時(shí)間越早,甚至在蝶閥還沒(méi)完全關(guān)閉時(shí)就已漏空,可能引起上游管道進(jìn)氣,引發(fā)二次事故。

b.爆管支路蝸殼出現(xiàn)了嚴(yán)重失壓現(xiàn)象,由于并聯(lián)調(diào)壓室的緩沖作用和上游蝶閥的關(guān)閉控制,對(duì)相鄰2號(hào)并聯(lián)支路調(diào)壓室最高涌浪及蝸殼進(jìn)口最大內(nèi)水壓力的影響得以減輕。隨著爆管支路爆管孔口面積的增大,爆管點(diǎn)上游側(cè)壓力鋼管和主管道流量增量亦增大,蝶閥關(guān)閉后,對(duì)2號(hào)機(jī)組支路的影響也較明顯,并聯(lián)支路最高涌浪、蝸殼進(jìn)口最大內(nèi)水壓力均增大。

c.與不爆管工況相比,2號(hào)調(diào)壓室最高涌浪水位均有所升高,當(dāng)爆口當(dāng)量直徑較小時(shí)爆管點(diǎn)最大內(nèi)水壓力較不爆管工況大,2號(hào)機(jī)組蝸殼進(jìn)口最大內(nèi)水壓力較不爆管工況小,隨著爆口當(dāng)量直徑加大,爆管點(diǎn)最大內(nèi)水壓力過(guò)渡為較不爆管工況小,蝸殼進(jìn)口最大內(nèi)水壓力過(guò)渡為較不爆管工況大,2號(hào)支路相應(yīng)的調(diào)節(jié)保證計(jì)算參數(shù)大于不爆管工況。

4 結(jié) 論

表2 不同爆管面積主要水力參數(shù)的特征值

a.水電站壓力鋼管爆管過(guò)渡過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的非恒定流過(guò)程。壓力鋼管爆管后,爆管點(diǎn)出現(xiàn)劇烈的瞬時(shí)壓降和較大的涌出流量,致使所在支路的壓力和流量發(fā)生劇烈變化,壓力管道局部可能出現(xiàn)嚴(yán)重負(fù)壓,引發(fā)二次爆管事故。

b.壓力鋼管爆管產(chǎn)生的瞬變流特性及其影響不僅與爆管位置、爆管孔口大小有關(guān),還與壓力鋼管的運(yùn)行控制有關(guān)。爆管支路蝶閥的關(guān)閉控制和并聯(lián)調(diào)壓室的存在,可以有效降低某一支路壓力鋼管爆管對(duì)并聯(lián)支路及相應(yīng)機(jī)組的影響。

c.爆管主要表現(xiàn)為機(jī)組蝸殼進(jìn)口瞬時(shí)失壓、引水調(diào)壓室和上游壓力管道漏空等典型的事故現(xiàn)象。爆管點(diǎn)位置及爆口大小不同,調(diào)壓室漏空時(shí)間不同。對(duì)于較大爆口或高程較低的爆管點(diǎn),瞬時(shí)壓降較大,上游壓力管道流量增加較大,對(duì)相鄰并聯(lián)機(jī)組的影響較大,可以考慮蝶閥關(guān)閉規(guī)律的優(yōu)化,以有效控制壓力鋼管爆管的影響。

d.壓力鋼管爆口當(dāng)量直徑較大、爆管點(diǎn)地勢(shì)較低或靠近下游機(jī)組時(shí),壓力鋼管沿線可能出現(xiàn)嚴(yán)重的水汽兩相流現(xiàn)象,常用的有壓輸水系統(tǒng)瞬變流分析的特征線法不適于準(zhǔn)確揭示相應(yīng)的瞬變流特性,可以采用適于水汽兩相流模擬的數(shù)值分析算法開展進(jìn)一步的研究。

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Investigation of fluid transients in the hydropower station w ith parallel surge chambers under pressurized steel pipe burst

QIAO Yanwei1,ZHOU Jianxu1,JIE Shaopeng2,ZHANG Songlei1,LIU Junping1(1.College of Water Conservancy and Hydropower Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China;2.Zhejiang Design Institute ofWater Conservancy and Hydroelectric Power,Hangzhou 310002,China)

In order to study the special hydraulic transient characteristics of pressurized steel pipe burst in hydropower stations and their influence on operating units,themathematical simulation model of pressurized steel pipe burstwas built and the hydropower station with parallel surge chamberswas set.Based on that,this paper analyzed the fluid transients of exposed pressurized pipe burstand investigated the hydraulic parameters in the hydro-mechanical system with differentburst characteristic sections and different burst areas.The results showed that there is a strong connection between the transient characteristics of pressurized steel pipe burst in hydropower stations and the burst position and its area as well. Additionally,the severe changes of flow and pressure of the pipe burst branch may lead to some typical phenomenons including instantaneous loss of pressure at spiral case and water empty in the upstream surge chamber.Finally,it is also showed that the effect of pipe burst along one branch on the paralleled branch and the operating unit is alleviated when the butterfly valve of the branch and the parallel surge chambers are closed.

hydropower station;pressurized steel pipe;exposed pipe;pipe burst;parallel surge chamber;fluid transients

TV134;TV732.4+1

A

1006-7647(2015)02-0057-05

10.3880/j.issn.1006 7647.2015.02.012

2014-09-25 編輯:熊水斌)

國(guó)家自然科學(xué)基金(51079051)

喬艷偉(1988—),女,河南安陽(yáng)人,碩士研究生,主要從事水電站及泵站水力學(xué)研究。E-mail:qiaoyanweizuibang@126.com