基于Flowmaster模型技術(shù)供水系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)與暫態(tài)分析

耿田皓，余 波，闕宗泰，王晨陽，沈俊杰

(西華大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，四川 成都 610039)

技術(shù)供水系統(tǒng)是水電站輔助設(shè)備系統(tǒng)中相當(dāng)重要的組成部分，對(duì)電站的運(yùn)行有著不可或缺的作用。不同的電站，其技術(shù)供水方式也不盡相同，設(shè)計(jì)工程師會(huì)根據(jù)每個(gè)電站的具體情況，設(shè)計(jì)相應(yīng)的技術(shù)供水系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)過程中，主要難點(diǎn)在于對(duì)技術(shù)供水管網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)水力計(jì)算。如果出現(xiàn)設(shè)計(jì)不當(dāng)，將對(duì)電站的運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重影響:在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，可能出現(xiàn)供水量不足導(dǎo)致對(duì)設(shè)備冷卻效果不佳的情況，反之供水量過大會(huì)造成浪費(fèi)情況。在暫態(tài)過程中，可能出現(xiàn)強(qiáng)烈的水錘，對(duì)管路、設(shè)備造成嚴(yán)重破壞[1]。因此，開展水電站技術(shù)供水系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)分析對(duì)技術(shù)供水系統(tǒng)乃至水電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行都具有十分重要的意義。

1 技術(shù)供水系統(tǒng)模型建立

1.1 基本方程

求解水錘基本微分方程最常用的數(shù)值計(jì)算方法為特征線法。常用求解方式為將其沿特征線方向轉(zhuǎn)化為常微分方程，可以對(duì)常微分方程積分用有限元差分方程借助于計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力求出計(jì)算結(jié)果。有限差分方程是把管路和時(shí)間分為多個(gè)小段，每小段長度為Δx，每一段時(shí)間為Δt，對(duì)其逐次求解[2-4]。

特征線方程：

(1)

(2)

表1 技術(shù)供水泵后閥門不同開度各主要元件參數(shù)

表2 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)技術(shù)供水系統(tǒng)較為理想工況各冷卻器主要參數(shù)

以上方程組即為描述過渡過程流體的特征線方程，可以圖1描述其意義：在x-t平面上，A、B兩點(diǎn)分別是x位置上t時(shí)刻已知的兩點(diǎn)，其H值和V值也是已知。線PA和PB的斜率分別為±a，線K1和K2稱為特征線，式(1)和(2)稱為相容性方程，特征線把X-t平面劃分為兩個(gè)不同解支配的區(qū)域，解沿特征線是可以不連續(xù)的，相容性方程的解即為常微方程的解。Flowmaster作為一元流體過渡性分析軟件，其水錘分析基本原理即運(yùn)動(dòng)方程和連續(xù)方程，其解法之一即特征線法[4-5]。

圖1 特征線法示意

1.2 模型的建立

廣元昭化水電站位于廣元市昭化鎮(zhèn)境內(nèi)，電站裝設(shè)3臺(tái)20 MW的燈泡貫流式機(jī)組。技術(shù)供水系統(tǒng)取水方式為流道取水，供水方式為離心泵加壓供水，泵額定流量為190 m3/h，揚(yáng)程為22 m。主要用水設(shè)備為6臺(tái)發(fā)電機(jī)空氣冷卻器，2臺(tái)軸承冷卻器，冷卻器用水量為15 m3/(h·臺(tái))，工作壓力為0.2～0.25 MPa。利用一維流體分析軟件Flowmaster以技術(shù)供水系統(tǒng)圖為基礎(chǔ)并結(jié)合相關(guān)圖紙建立技術(shù)供水系統(tǒng)[6-9]。

2 穩(wěn)態(tài)分析

2.1 設(shè)置穩(wěn)態(tài)模擬條件

首次運(yùn)行時(shí)將技術(shù)供水泵后閥門保持全開同時(shí)保持各空冷器進(jìn)口閥門及軸承冷卻器進(jìn)口閥門開全開，且水泵以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，仿真類型選擇為“Incompressible Steay State”得到模擬結(jié)果，然后依次調(diào)節(jié)技術(shù)供水泵后閥門開度再進(jìn)行模擬[10-11]。

2.2 穩(wěn)態(tài)工況計(jì)算結(jié)果

因?yàn)樗啓C(jī)運(yùn)行工況較為復(fù)雜，所以取泵為額定流量時(shí)為最佳運(yùn)行工況，因昭化水電站選擇的泵額定流量為190 m3/h，由多次模擬可知在技術(shù)供水泵后閥門開度為0.12時(shí)較為符合其額定工況。(表1為開度泵后閥門開度分別為1、0.12、0.1時(shí)主要元件參數(shù))但是此時(shí)空氣冷卻器與軸承冷卻器流量大于其額定用水流量15 m3/h，軸承冷卻器工作壓力大于其額定工作壓力0.2×105～0.25×105Pa。所以此時(shí)調(diào)節(jié)空氣冷卻器與軸承冷卻器前閥門開度，經(jīng)多次調(diào)整的到供水系統(tǒng)較為理想的運(yùn)行工況，如表2所示。(1～6為空氣冷卻器，7～8為軸承冷卻器)。

由表2知，在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行較為理想的工況下空氣冷卻器與軸承冷卻器流量仍然偏大，但此時(shí)泵的流量較為符合其額定流量且空氣冷卻器與軸承冷卻器均符合工作壓力。

2.3 穩(wěn)態(tài)工況計(jì)算結(jié)果分析

通過穩(wěn)態(tài)計(jì)算分析，可得到下述結(jié)論。該電站技術(shù)供水泵的配置不夠合理，在泵出口閥全開情況下，其運(yùn)行工況明顯偏向大流量工況。當(dāng)將泵出口閥關(guān)至0.12后，泵運(yùn)行工況可得到明顯改善，運(yùn)行工況點(diǎn)基本處于額定工況點(diǎn)，但是此時(shí)軸承冷卻器工作壓力大于其額定工作壓力0.25 MPa，此時(shí)調(diào)節(jié)空氣冷卻器與軸承冷卻器前閥門開度，可得到其符合的工作壓力。故從對(duì)技術(shù)供水系統(tǒng)安全運(yùn)行的角度出發(fā)可選擇泵后閥門開度為0.12，空氣冷卻器前閥門分別為1、0.5、0.4、0.3、0.4、0.5，軸承冷卻器前閥門分別為0.5、1進(jìn)行運(yùn)行。若重新選擇選配合適的供水泵，還可進(jìn)一步改善其工作環(huán)境。

3 暫態(tài)分析

3.1 直接關(guān)閉技術(shù)供水閥暫態(tài)過程分析

電站技術(shù)供水管路系統(tǒng)一般會(huì)在主管上設(shè)置技術(shù)供水閥，來控制整個(gè)管路系統(tǒng)的投入和退出。有的電站就采用直接操作技術(shù)供水閥投入和退出技術(shù)供水系統(tǒng)。對(duì)于昭化水電站的技術(shù)供水系統(tǒng)，本節(jié)分析不停泵時(shí)直接關(guān)閉技術(shù)供水閥(電動(dòng)閥)的暫態(tài)過程。為實(shí)現(xiàn)這一過程的仿真，需在計(jì)算模型中加一個(gè)控制器來控制電動(dòng)閥的關(guān)閉。

仿真類型仍選擇為“Incompressible transient”，仿真步長為0.01 s，仿真時(shí)間為50 s。將電動(dòng)閥關(guān)閉時(shí)間暫設(shè)置為15 s，關(guān)閉規(guī)律為一段直線關(guān)閉[12-13]。

3.1.1直接關(guān)閉技術(shù)供水閥門暫態(tài)過程計(jì)算結(jié)果

經(jīng)仿真計(jì)算，電動(dòng)閥后節(jié)點(diǎn)壓力變化如圖2所示。

圖2 15 s一段直線關(guān)閉電動(dòng)閥后節(jié)點(diǎn)壓力變化

由圖可知，電動(dòng)閥后節(jié)點(diǎn)壓力會(huì)達(dá)到汽化壓力，這必然導(dǎo)致電動(dòng)閥門后發(fā)生液柱分離再彌合現(xiàn)象，空腔體積如圖3所示，這種現(xiàn)象會(huì)對(duì)管路系統(tǒng)肯能造成危害。

圖3 15 s一段直線關(guān)閉電動(dòng)閥后節(jié)點(diǎn)空腔體積

鑒于此，故將關(guān)閉時(shí)間延長為30 s，重新仿真計(jì)算，結(jié)果如圖4所示。

圖4 30 s一段直線關(guān)閉電動(dòng)閥后節(jié)點(diǎn)壓力變化

由圖4可見，雖然電動(dòng)閥后節(jié)點(diǎn)壓力有所改善但仍會(huì)達(dá)到汽化壓力，產(chǎn)生空腔，對(duì)管路系統(tǒng)造成損害。

在前述計(jì)算分析基礎(chǔ)上，將電動(dòng)閥設(shè)置為兩段關(guān)閉，第一段關(guān)閉時(shí)間設(shè)置為10 s，關(guān)閉電動(dòng)閥90%；第二段關(guān)閉時(shí)間設(shè)置為20 s，關(guān)閉電動(dòng)閥開度最后10%。電動(dòng)閥后節(jié)點(diǎn)壓力變化如圖5所示，節(jié)點(diǎn)空腔體積如圖6所示。

圖5 30 s兩段直線關(guān)閉電動(dòng)閥后節(jié)點(diǎn)壓力變化

圖6 30 s兩段直線關(guān)閉電動(dòng)閥后空腔體積

由圖5、6可知，技術(shù)供水閥后節(jié)點(diǎn)壓力變化和一段直線關(guān)閉時(shí)相比已經(jīng)有所改善，但仍會(huì)達(dá)到汽化壓力，但此時(shí)空腔體積非常的小，基本可以忽律不計(jì)。

3.1.2直接關(guān)閉技術(shù)供水閥門暫態(tài)過程計(jì)算結(jié)果分析

由直接關(guān)閉閥門暫態(tài)結(jié)果可以知道，在不停泵情況關(guān)閉電動(dòng)閥是非常危險(xiǎn)的，特別是短時(shí)間以一段直線規(guī)律關(guān)閥。因此，建議盡量不采用此種方式。

從系統(tǒng)管路布置來看，由于電動(dòng)閥后續(xù)管路較長，而且其所處高程較高，位于用水設(shè)備之上，因此，直接關(guān)閉電動(dòng)閥會(huì)在閥后產(chǎn)生液柱分離現(xiàn)象。對(duì)于具有同類情形的技術(shù)供水系統(tǒng)需引起重視。

3.2 停泵后關(guān)閥暫態(tài)過程分析

3.2.1停泵后關(guān)閥暫態(tài)過程計(jì)算結(jié)果

從之前的模擬結(jié)果中可以看出，直接停泵對(duì)技術(shù)供水系統(tǒng)的運(yùn)行來說是安全的，但是技術(shù)供水系統(tǒng)并未有效退出，而直接關(guān)閉技術(shù)供水閥是危險(xiǎn)的。因此要保證技術(shù)供水系統(tǒng)安全有效的退出，應(yīng)考慮采取先停泵后關(guān)閥的操作方式。本節(jié)對(duì)此種操作方式進(jìn)行仿真計(jì)算。

計(jì)算條件設(shè)置為泵以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行2 s后停泵，在5 s時(shí)以30 s一段直線關(guān)閉電動(dòng)閥。仿真步長為0.01 s，仿真時(shí)間為50 s。仿真計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

圖7 30 s一段關(guān)閉電動(dòng)閥后節(jié)點(diǎn)壓力變化

從圖7中可以看出，在電動(dòng)閥接近全關(guān)時(shí)閥后有一定負(fù)壓，最低值為0.35 bar，不會(huì)造成液柱分離。為進(jìn)一步改善閥后節(jié)點(diǎn)壓力，考慮采用兩段關(guān)閉的操作方式。第一段關(guān)閉設(shè)置為10 s，關(guān)閉閥門開度90%，第二段關(guān)閉設(shè)置為20 s，關(guān)閉閥門開度最后10%。

仿真計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

圖8 30 s兩段關(guān)閉電動(dòng)閥后節(jié)點(diǎn)壓力變化

由圖8可知，電動(dòng)閥后節(jié)點(diǎn)壓力在停泵后迅速降低，在5 s后閥門開始關(guān)閉，最終下降到0.92×105Pa。技術(shù)供水系統(tǒng)暫態(tài)過渡過程得到較好地改善。

3.2.2停泵后關(guān)閥暫態(tài)過程計(jì)算結(jié)果分析

采用先停泵后關(guān)閥的操作方式，技術(shù)供水系統(tǒng)是安全的。但需注意關(guān)閥時(shí)間，關(guān)閥速度不能太快，最好采用兩段關(guān)閉規(guī)律關(guān)閥。

4 結(jié) 論

(1)對(duì)于穩(wěn)態(tài)分析:發(fā)現(xiàn)用水設(shè)備的設(shè)計(jì)總用水量本身就低于泵額定流量，由此可以判斷，設(shè)計(jì)階段所選擇的泵的型號(hào)流量偏大。如今廣元昭化水電站已經(jīng)投入使用，根據(jù)對(duì)電站實(shí)際運(yùn)行情況的調(diào)查，技術(shù)供水泵出口閥門為全開，供水流量確實(shí)偏大。這是考慮到該流域河水夏季溫度過高，故有意加大冷卻水流量，以改善對(duì)機(jī)組的冷卻效果。盡管泵的運(yùn)行工況不太理想，泵流量過大，但此時(shí)泵也能夠安全穩(wěn)定的運(yùn)行，從安全角度分析，尚無安全隱患。若不考慮運(yùn)行費(fèi)用的增加，可以維持現(xiàn)有運(yùn)行方式。

(2)對(duì)暫態(tài)分析:直接關(guān)閉技術(shù)供水閥門，會(huì)造成管路中產(chǎn)生嚴(yán)重的液柱分離現(xiàn)象，這種情況會(huì)對(duì)管路和設(shè)備造成嚴(yán)重破壞，在水電站技術(shù)供水系統(tǒng)運(yùn)行中是不允許的。在廣元昭化水電站技術(shù)供水系統(tǒng)運(yùn)行中，不能直接關(guān)閉技術(shù)供水閥。停泵后關(guān)閥時(shí)，采用一段關(guān)閉在電動(dòng)閥后節(jié)點(diǎn)處不會(huì)造成液柱分離現(xiàn)象，所以并不會(huì)對(duì)電站安全造成威脅；在采用兩段關(guān)閉的方式后，技術(shù)供水系統(tǒng)暫態(tài)過渡過程得到了更好改善。那么可以得出結(jié)論，在停泵后關(guān)閉電動(dòng)閥是安全的，但是要注意關(guān)閥時(shí)間和操作方式，采用兩段關(guān)閉的方式更加安全。據(jù)了解，電站真實(shí)運(yùn)行情況為先停泵后關(guān)閥方式與作者分析的第二種方式一致，因此電站所采取的操作方式是安全的。若需要進(jìn)一步改善技術(shù)供水系統(tǒng)暫態(tài)水力過渡過程，建議在電動(dòng)閥后裝設(shè)空氣閥。