長引水系統(tǒng)電站大波動過渡過程研究綜述

腰貴玲，李 浩

(華北水利水電大學電力學院，河南 鄭州 450045)

0 引言

我國水資源豐富，可開發(fā)量居世界首位[1]，近年來，一批水電站建設基地不斷涌現(xiàn)。在水電站日常運行中，業(yè)內(nèi)把工況參數(shù)因機組工作條件改變而發(fā)生大幅變化的情況稱為大波動過渡過程，盡管是瞬時的，但工況參數(shù)大幅迅速地變換，會出現(xiàn)各種復雜的物理現(xiàn)象，水電站的運行品質(zhì)和安全性受到嚴重的影響。

水電站過渡過程是由水、機、電三者共同作用的，電站水力、機械方面的事故，大多在過渡過程中發(fā)生。此時，機組處于異常的制動或飛逸工況，系統(tǒng)產(chǎn)生較大的動負荷，并呈現(xiàn)劇烈的振動、壓力脈動和水擊，嚴重威脅電站安全。20世紀50年代發(fā)生在前蘇聯(lián)卡霍夫水電站的一次安全事故，就是水力機組甩負荷后導葉控制規(guī)律不合理產(chǎn)生反水擊，出現(xiàn)抬機現(xiàn)象，導致水輪機轉(zhuǎn)輪、導葉以及頂蓋被損毀，廠房被淹[2]。

對電站水力機組大波動過渡過程研究，尤其對那些管道較長的長距離引水式電站的研究，是為了找到最優(yōu)的導葉啟閉規(guī)律，將管道輸水系統(tǒng)水力機組轉(zhuǎn)速上升、水擊壓力變化等調(diào)保參數(shù)控制在合理范圍內(nèi)，以保證機組高效、穩(wěn)定運行。本文從長引水系統(tǒng)電站大波動過渡過程研究進展、存在問題和未來研究方向3方面進行闡述，希望能對該問題以后的研究有所幫助。

1 水電站過渡過程的研究歷史

對水力過渡過程的探討開始于波在空氣和在淺水中的傳播，但直到微積分學、彈性理論以及解偏微分方程的求解方式建立以前，這些問題都未能被解決[3]。門納布里亞(Menabrea)為彈性水擊的研究奠定了基礎，1858年他推導出的波速公式，闡釋了水擊基本原理，他被稱為研究水擊的第一人[4]；直接水擊計算公式1898年被儒可夫斯基(Joukowski)提出[5]；阿列維(Allievi)在水擊計算方面做出了很大的貢獻，1913年提出的末相水擊計算式、水擊連鎖方程組、Allievi水擊圖解曲線，在30多年后依然被廣泛采用[6]。轉(zhuǎn)速會隨機組負荷發(fā)生改變于1926被克爾(Kerr)和司朝格(Strowger)首次發(fā)表；在圖解分析法中第一次計入了阻力損失的是施尼德(Schnyder)；烏德1928年提出水擊圖解法，10年后，安吉斯(Angus)在分岔管研究方面作出了貢獻，他發(fā)表了對類型管道進行水擊計算的圖解法[7]；1945年，利席(Rich)在對水擊壓力進行分析的時候，首次嘗試將拉普拉斯變換運用其中，試驗結(jié)果比較成功。9年后，格萊(Gray)第一次提出用特征線法計算水擊，而最先使用此方法分析瞬變流發(fā)表論文的是賴(Lai)與斯特里特(Streeter)，1967年，斯特里特同懷利(Wylie E.B.)撰寫了《水力瞬變流》一書，1983年中文版被正式出版[8]。前蘇聯(lián)克里夫琴科等學者在對水力瞬變研究中作出不少貢獻[9]。

調(diào)壓室理論方面[10-11]，1910年，托馬(Thoma)最先發(fā)表適用于簡單式調(diào)壓室的托馬面積，之后，差動式調(diào)壓室的設計也出現(xiàn)在人們視野中，由約翰遜(Johnson)提出。20世紀60年代，Pickford對求調(diào)壓室水位波動的最高值與最低值的簡便方法進行研究，最后發(fā)現(xiàn)對數(shù)曲線計算調(diào)壓室波動時，更方便求得這2個值[12]。20世紀70年代，Seth在報告中說，條件一樣下，阻抗式調(diào)壓室只有簡式調(diào)壓室體積的0.3～0.4倍[12]。除此之外，在調(diào)壓室理論方面，彭特(Paynter)、馬里斯(Marris)、愛斯坎德(Escande)、畢尼(Binnie)等學者也貢獻頗豐。

我國20世紀50年代初才著手水力瞬變過程的研究，早期主要采用解析算法解決系統(tǒng)水擊壓力和機組轉(zhuǎn)速變化的問題，現(xiàn)場試驗領(lǐng)域在同期也取得了一定的成就。20世紀80年代初期，我國學者用計算機技術(shù)對水泵全特性曲線和泵站水錘進行研究[13]。近些年，雖然各種過渡過程計算理論日漸成熟，但還有一些問題尚未被解決，未來我們還要不斷地探索。

2 研究現(xiàn)狀及存在問題

2.1 水電站水力過渡過程研究方法

把實驗研究(原、模型實驗)與理論分析(基礎理論+計算方法)結(jié)合起來對電站大波動過渡過程進行研究，這點與其他應用科學一樣。大量的模型試驗促進了該領(lǐng)域的全面發(fā)展，又為以后的研究提供了科學依據(jù)，流體力學、水力學理論已能解決大部分工程實際需要的求解問題。目前，電子計算機數(shù)值解法在計算方法的研究中被廣泛采用，正逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)的圖解法和解析法，它以計算機為載體，用隱式有限差分法和特征線法等數(shù)值分析方法，對微分方程進行求解。隱式有限差分法穩(wěn)定性好、特征線法精度高、收斂性好，前者即使對步長沒有嚴苛的要求，但對過多的非線性方程進行求解時太過復雜，后者對步長要求十分嚴格，雖然必須足夠小的Δt，才能滿足柯朗特穩(wěn)定條件，但它對復雜的邊界的處理能力特別強，目前計算機的發(fā)展使該方法在實際中被廣泛應用，也得到了比較滿意的解答[14-17]。。

不同的水輪機邊界會有不同的數(shù)值解法，內(nèi)、外特性2種數(shù)值解法是依據(jù)水輪機特性曲線差異進行化分的。內(nèi)特性法[18]優(yōu)點在于只需知道過渡過程的原始條件、基本結(jié)構(gòu)參數(shù)、水輪機及其裝置的幾何參數(shù)就可得到過渡過程的計算結(jié)果，但由于水輪機內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)難于獲得而沒有得到廣泛的應用[19]。外特性法基本思路是：當工況變化速度在允許范圍內(nèi)時，可以利用在恒定流狀態(tài)下測得的水輪機的綜合特性曲線或全特性曲線(也叫靜特性曲線)進行求解，此時誤差在工程允許范圍內(nèi)。

2.2 長引水系統(tǒng)水電站大波動過渡過程研究內(nèi)容

2.2.1 水擊方面

計算水擊時，把水流視作一元非恒定流處理，結(jié)合下面2種基本方程，最后用計算機計算的特征線法求解，是目前廣泛使用的方法。

運動方程：

(1)

連續(xù)方程：

(2)

其中：a為水擊波速；H為瞬時水頭；f為阻力系數(shù)；D為管道直徑；x為管道方向的位移；V為瞬時速度；g為重力加速度；α是管道與水平方向夾角；t為時間變量。

當下水擊研究存在問題依然很多，例如現(xiàn)在使用的水擊計算方程組不適于恒定流態(tài)液體的研究，文獻[20]最先在《水電站建筑物》教材中提到造成此問題的原因可能是因為推導公式中不計高階微量，但真正因為什么，文中并沒有進一步闡述。索麗生教授等在《系統(tǒng)中的瞬變流》一書中把摩擦阻力和傾斜管道的影響也考慮了進去，并引入了馬赫數(shù)，但建立的簡化的非恒定流連續(xù)性方程沒有實質(zhì)性變化，用于水擊計算的基本微分方程組不滿足于液體處于恒定流態(tài)的條件仍然存在[21]。水擊的研究對象從單一的液體轉(zhuǎn)為兩相流、三相流的研究，并考慮相互的耦合作用，全部基于老水擊基本方程組進行計算，這個理論是否正確，還需我們進一步驗證。除此之外，水擊共振發(fā)生的原因，氣、液兩相瞬變流問題、流速水頭與波形改變對水擊的影響及在實際應用、液柱分離問題等問題都需要深入的研究[22]。

2.2.2 導葉啟閉規(guī)律方面

進行長引水式電站水力機組大波動過渡過程問題的研究時，除了對管道水擊壓力變化、機組最大轉(zhuǎn)速上升值等調(diào)保參數(shù)進行計算，還要找到最優(yōu)導葉啟閉規(guī)律[23]。當下，大多學者對機組甩負荷時導葉啟閉規(guī)律的優(yōu)化問題研究得比較多。導葉啟閉規(guī)律優(yōu)化從以下2種方法進行介紹[24]：對某些控制參數(shù)進行優(yōu)化，通過線性調(diào)節(jié)達到優(yōu)化目的，以滿足工程需要，稱作事先假定了某種導葉關(guān)閉規(guī)律，這種使用比較受限，但對于高水頭水電站[25]，直線關(guān)閉卻是機組導葉的最優(yōu)關(guān)閉規(guī)律類型；另一種反算法，是通過調(diào)節(jié)閥門大小找到最優(yōu)的導葉啟閉規(guī)律，使調(diào)保參數(shù)滿足設計要求，也稱不事先假定導葉關(guān)閉規(guī)律。目前，非線性導葉啟閉規(guī)律的研究成為熱點，文獻[26]對電站進行過渡過程計算時通過構(gòu)造非線性評價函數(shù)，找到了最優(yōu)導葉啟閉方式。文獻[27]得到的非固定模式的導葉啟閉方式，提高了機組的運行品質(zhì)。文獻[28]指出調(diào)壓室優(yōu)化對長引水式電站導葉啟閉規(guī)律的優(yōu)化有很大影響。文獻[29]討論了在特定情況下導葉啟閉規(guī)律對水電站過渡過程的影響。

2.2.3 調(diào)壓室設置方面

對于一些長引水系統(tǒng)電站，管道較長，提高供電品質(zhì)、優(yōu)化大波動過渡過程最常見的是在上游設置調(diào)壓室，調(diào)壓室分為阻抗式、差動式、圓筒式等類型，而憑借需要容積小、波動振幅小等優(yōu)點的阻抗式調(diào)壓室，在工程中被廣泛使用[30]。隨著研究的不斷深入，新型組合式調(diào)壓室，不斷進入人們的視野，文獻[31]提出的新型組合式調(diào)壓室，經(jīng)過實例分析，減小了誤差，降低了工程造價。文獻[32]介紹了雙室——差動混合型調(diào)壓室，可對很多類型的調(diào)壓室進行涌浪分析。

3 發(fā)展趨勢

隨著科技越來越發(fā)達，長引水系統(tǒng)電站大波動過渡過程在將來的研究會更多地朝多元化發(fā)展，未來在計算方面要求也更為精確。直到現(xiàn)在，計算長引水系統(tǒng)電站大波動過渡過程水擊時，我們廣泛把水流作為一元非恒定流處理。我們對一元流的研究已相當成熟，水擊的研究對象從單一的液體轉(zhuǎn)為兩相流、三相流的研究，并考慮相互的耦合作用，都用老水擊計算基本方程組，而這個理論正確性還需要不斷地驗證。對二維、三維過渡過程的計算方法，類特征線法、雙特征線法等方法的出現(xiàn)，記錄著著我們在這類問題上的探索，雖然也取得了一些成績，但計算方法還不夠成熟，依然存在一些問題；多維比一維更能體現(xiàn)水流特性，因此，未來對多維的研究將是重點。目前，水擊計算的基本微分方程組并不適用于對恒定流態(tài)液體的研究，在這方面，還需要我們進一步探索。涉及三維問題時，Lattice-Boltz-mann(LB)法在多相流、多孔介質(zhì)流、三維流場的模擬上體現(xiàn)了其巨大的優(yōu)勢。除此之外，水擊共振發(fā)生的原因，氣、液兩相瞬變流問題、液柱分離問題等問題都需要深入的研究。在導葉啟閉規(guī)律方面，非線性的導葉啟閉規(guī)律優(yōu)化的研究是今后研究的熱點課題。

采用計算機對水力過渡過程進行計算是目前最簡便，也是最普遍的方法，雖然國外也開發(fā)了一些軟件，但這些軟件并不完全適用于對水力機組過渡過程的研究，雖然，我們國家不少的學者、學校、其他機構(gòu)等也在嘗試軟件的研究與開發(fā)[33-34]，但軟件還存在一些問題，為更好地推動該學科的發(fā)展，因此，未來還需要堅持不懈地對該領(lǐng)域商用軟件進行研發(fā)。