抽水蓄能電站甩負(fù)荷主進(jìn)水閥動水關(guān)閉過程內(nèi)部流場仿真

張亞武，鄭 凱，周建中，徐利君，歐雅雯，彭緒意

(1.國家電網(wǎng)新源控股有限公司，北京 100053；2. 華中科技大學(xué) 水電與數(shù)字化工程學(xué)院，武漢 430074；3. 江西洪屏抽水蓄能有限公司，江西 宜春 330603)

主進(jìn)水閥是抽水蓄能電站重要的設(shè)備之一，其主要作用是：①當(dāng)電站機(jī)組異常時或者需要檢修時，可以截斷水流，以保障機(jī)組安全；②可以和調(diào)速器配合，參與機(jī)組調(diào)節(jié)以減輕水力振蕩。當(dāng)抽水蓄能電站發(fā)生甩負(fù)荷或者導(dǎo)葉拒動等異常時，主進(jìn)水閥應(yīng)迅速動水關(guān)閉，及時切斷水流，但其動水關(guān)閉過程中流場會劇烈變化，甚至?xí)霈F(xiàn)漩渦、空化和水擊等現(xiàn)象[1]。因此研究抽水蓄能電站甩負(fù)荷工況下，主進(jìn)水閥動水關(guān)閉過程中流場水力瞬變過程是非常必要的，可以為主進(jìn)水閥水力優(yōu)化設(shè)計和運(yùn)行維護(hù)改造提供理論指導(dǎo)，具有十分重要的工程實際意義。

CFD方法可以計算和顯示實驗很難測量甚至無法測量的流動參數(shù)，是研究水力機(jī)械內(nèi)部流動特性的一種常用的有效方法。國內(nèi)外學(xué)者對主進(jìn)水閥的流場特性進(jìn)行了研究，Nuno M C Martins等人[2]運(yùn)用Realizablek-ε湍流模型計算了閥門關(guān)閉時管道內(nèi)水擊壓力，分析了壓力波動變化，實現(xiàn)流動可視化有利于進(jìn)一步問題的分析；楊國強(qiáng)等人[3]在流體為常溫水，流道較短且流速較低的條件下，將球閥流道計算區(qū)域流體簡化為不可壓縮流體，選用k-ε模型對球閥在不同開度下的內(nèi)部流場進(jìn)行了數(shù)值模擬仿真，得出閥前閥后壓差、流量系數(shù)和流阻系數(shù)的變化，對球閥的設(shè)計和工程應(yīng)用有指導(dǎo)意義和實用價值。周東岳等人[4]采用CFD方法研究了主進(jìn)水閥各開度下的出口流量，計算得到局部損失系數(shù)及流量系數(shù)隨開度的變化，解決了主進(jìn)水閥過流特性數(shù)據(jù)缺乏的問題。許文奇等人[5]采用k-ε湍流模型模擬了基于不同關(guān)閥規(guī)律的瞬態(tài)過程，探究主進(jìn)水閥流場演變規(guī)律，結(jié)果表明該模型采用兩段線性關(guān)閉規(guī)律可降低水擊壓力。目前國內(nèi)外研究多集中于主進(jìn)水閥離散開度的穩(wěn)態(tài)計算和主進(jìn)水閥單獨關(guān)閉的流動分析，且鮮有針對抽水蓄能電站甩負(fù)荷工況時主進(jìn)水閥動水關(guān)閉過程的動態(tài)特性研究。

本文對甩負(fù)荷工況下主進(jìn)水閥導(dǎo)葉拒動與導(dǎo)葉協(xié)聯(lián)兩種關(guān)閥方式進(jìn)行動態(tài)CFD模擬，并分析上下游延伸段、閥芯和閥腔內(nèi)部流場的流動和演化規(guī)律，為預(yù)測兩種關(guān)閥方式對主進(jìn)水閥的影響、保障機(jī)組安全運(yùn)行提供了參考。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 控制方程

質(zhì)量守恒定律和動量守恒定律是描述流體運(yùn)動的基本定律[6]。對于本文所研究的主進(jìn)水閥過流部件中的流動問題，流動介質(zhì)是低速的水流，可近似為不可壓縮流體，選用連續(xù)性方程(1)和RANS方程(2)模擬主進(jìn)水閥內(nèi)部的湍流流動。

(1)

(2)

式中：μ為液體分子黏性數(shù)；下標(biāo)i可取值為1、2、3，以表示空間坐標(biāo)軸的3個方向；μt為湍流黏性數(shù)；fi為體積力。

1.2 湍流模型

本文研究主進(jìn)水閥中的流動狀態(tài)，流動介質(zhì)是低速的水流且研究對象尺度較小，可近似為不可壓縮流體，忽略流體介質(zhì)的密度變化[7]采用k-ε湍流模型，實現(xiàn)對主進(jìn)水閥內(nèi)部的湍流流動模擬[8]。Realizablek-ε模型考慮流體微團(tuán)轉(zhuǎn)動，對旋轉(zhuǎn)流動有較好的表現(xiàn)，更加符合湍流的物理特性，適合用于湍流壓力脈動的研究[9]，選擇Realizablek-ε湍流模型[10]進(jìn)行封閉。其中，湍動能方程(3)和湍動能耗散率方程(4)分別為：

(3)

(4)

其中湍流黏性系數(shù)：

(5)

式中：t表示時間；ρ為流體密度；k為湍動能；ui為流體速度分量；μ為層流黏性；μt為湍流動力黏性；xi的下標(biāo)i取1、2、3以表示空間坐標(biāo)軸的3個方向；模型常數(shù)為c1=1.44，c2=1.92，σk=1.0，cμ是湍流時間的函數(shù)。

2 仿真模型建立

本文以某抽水蓄能電站主進(jìn)水閥過流部件為研究對象，首先建立閥芯、閥腔、上游延伸段、下游延伸段等主要部分的三維幾何建模如圖1所示。各部件主要尺寸如表1所示。

表1 部件主要尺寸表Tab.1 Main dimension table of parts

采用結(jié)構(gòu)化劃分方式生成高質(zhì)量網(wǎng)格模型如圖2所示，為保證交界面處的網(wǎng)格質(zhì)量，更準(zhǔn)確地反應(yīng)壓力分布，在此區(qū)域運(yùn)用加密技術(shù)，最終生成的整體網(wǎng)格質(zhì)量大于0.5。

1-上游延伸段；2-閥腔；3-閥芯；4-下游延伸段；5-上游延伸段管道邊界；6-下游延伸段管道邊界；7-計算監(jiān)測截面圖1 主進(jìn)水閥水體模型Fig.1 Main inlet valve water body model

圖2 主進(jìn)水閥整體網(wǎng)格模型Fig.2 Main inlet valve overall mesh model

為保證計算結(jié)果不受網(wǎng)格生成結(jié)果影響，需要進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗證。本文對主進(jìn)水閥仿真模型進(jìn)行了四種網(wǎng)格數(shù)量的驗證，將CFD仿真的閥前閥后壓差值與一維仿真計算的壓差值進(jìn)行對比，對比如表2所示，綜合比較計算成本和結(jié)果精度后選擇120萬網(wǎng)格數(shù)的方案作為后續(xù)仿真計算的研究方案。

表2 方案對比Tab.2 Scheme comparison

3 求解設(shè)置與邊界條件

將得到的主進(jìn)水閥整體網(wǎng)格模型導(dǎo)入Fluent軟件中，選用基于壓力的求解器，采取二階迎風(fēng)離散格式以便得到更高精度的仿真結(jié)果。選用SIMPLEC算法，將亞松弛因子設(shè)置為1[11]，同時在近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。設(shè)置如圖1所示主進(jìn)水閥上游延伸段管道截面為速度入口邊界，主進(jìn)水閥下游延伸段管道截面為壓力出口邊界。邊界上時變的壓力值、速度值由編寫的profile文件給定。閥芯處的流體域運(yùn)動方式設(shè)置為Mesh Motion，由電站主進(jìn)水閥關(guān)閥時間為64 s，轉(zhuǎn)速設(shè)置為0.024 54 rad/s。

4 仿真計算結(jié)果與分析

4.1 導(dǎo)葉拒動時主進(jìn)水閥直線關(guān)閥

在額定發(fā)電工況下突甩負(fù)荷時，導(dǎo)葉拒動情況下，采取主進(jìn)水閥動水關(guān)閉操作確保及時切斷水流，確保機(jī)組安全。根據(jù)幾何尺寸計算出當(dāng)閥芯轉(zhuǎn)到84°時，閥芯已經(jīng)不與上游延伸段接觸，閥芯轉(zhuǎn)動范圍為0°～84°，約為60 s。設(shè)定時間步長為固定0.1 s，一共設(shè)置660個時間步，考慮動水關(guān)閉過程流動參數(shù)變化較為復(fù)雜，每個時間步中迭代次數(shù)適當(dāng)取較大值，設(shè)為400次迭代 ，監(jiān)測并保存每一時間步的閥前壓力。

將CFD瞬態(tài)仿真計算中監(jiān)測到的閥前壓力(圖1計算監(jiān)測截面)與一維仿真計算壓力作對比，一維仿真計算是基于有壓管道非恒定流特征線法[12]，對比如圖3所示?？梢钥闯鯟FD仿真壓力和一維仿真計算壓力變化趨勢大致相同，誤差在可接受范圍，可見CFD仿真結(jié)果具有較高的可信度。

圖3 CFD仿真壓力和一維仿真壓力變化曲線對比Fig.3 Comparisons between CFD simulation pressure and one-dimensional simulation pressure curve

根據(jù)瞬態(tài)過程計算，由圖4可知，在動水關(guān)閥過程中，壓力變化多集中在閥芯出入口與上下游延伸段的交界處，閥芯壓力場分布較紊亂，下游延伸段壓力變化較明顯，局部出現(xiàn)低壓區(qū)。由圖5可知，在動作時間前35 s的時間，高流速區(qū)集中在閥芯內(nèi)部和閥腔內(nèi)，部分出現(xiàn)在下游延伸段。在關(guān)閥動作25 s時，閥腔內(nèi)部形成渦流，35 s以后，高流速區(qū)出現(xiàn)在閥芯與上下游延伸段交界處、下游延伸段和閥腔內(nèi)，同時閥腔內(nèi)部形成渦流，渦流的形成影響了流場的穩(wěn)定性。

由圖6可知，閥腔內(nèi)部壓力最大出現(xiàn)在樞軸處，最大壓力約為9.5 MPa，閥芯與閥腔連接處有較大壓強(qiáng)。樞軸壓力分布不均勻且壓差過大，可能引起樞軸處的形變和疲勞損傷，對機(jī)組運(yùn)行安全產(chǎn)生隱患。在動作的第42 s即開度約為60°時，閥腔流速約為70 m/s，為整個流場中流速最大的區(qū)域，水流不斷沖擊閥體，會形成高壓區(qū)，增加閥體受力的不穩(wěn)定性。

圖4 各時刻整體壓力圖Fig.4 Pressure diagram at every moment

圖5 各時刻整體流速圖Fig.5 Velocity diagram at every moment

圖6 t=42 s時閥腔壓力和速度圖Fig.6 Valve chamber pressure and velocity diagram at t=42 s

4.2 導(dǎo)葉與主進(jìn)水閥協(xié)聯(lián)關(guān)閉

實際工作中，可采用主進(jìn)水閥與導(dǎo)葉協(xié)聯(lián)關(guān)閉的操作方式，導(dǎo)葉從開始動作到結(jié)束時間為25 s，主進(jìn)水閥采取直線關(guān)閉方式，從動作開始到結(jié)束時間為64 s。在主進(jìn)水閥動作結(jié)束后，水流并沒有立刻停止運(yùn)動，由于水流慣性和水錘波的傳遞，水流來回波動、反向，此時流場還存在變化，為了充分反映主進(jìn)水閥動作后的流場變化情況，選擇模擬70 s的CFD仿真過程。設(shè)定時間步長為固定0.2 s，一共設(shè)置350個時間步，考慮動水關(guān)閉過程流動參數(shù)變化較為復(fù)雜，每個時間步中迭代次數(shù)適當(dāng)取較大值，設(shè)為400次迭代，監(jiān)測并保存每一時間步的閥前壓力。

將瞬態(tài)計算中監(jiān)測到的閥前壓力(圖1計算監(jiān)測截面)與一維仿真計算壓力作對比，計算結(jié)果對比如圖7所示，可以看出CFD仿真結(jié)果和一維仿真結(jié)果變化趨勢基本吻合，誤差極小，可見CFD仿真結(jié)果具有較高的可信度。由一維仿真計算可知，在導(dǎo)葉完全關(guān)閉后通過主進(jìn)水閥的水流量接近于零，如圖8所示，此時主進(jìn)水閥內(nèi)部流場變化較小，因此主要研究導(dǎo)葉動作的25 s內(nèi)的主進(jìn)水閥流場變化情況。分別選取5、10、15、20、25、26 s時刻，進(jìn)行壓力、流速及流場分析。

由圖9可知，主進(jìn)水閥開始動作后，上下游延伸段壓力隨著關(guān)閥動作而改變，主進(jìn)水閥每秒流場壓力變化頻繁，上下游延伸段與閥腔連接處由于水流的沖擊，易形成高壓區(qū)。上下游延伸段壓力差多次出現(xiàn)負(fù)值，在此壓力差的作用下流經(jīng)主進(jìn)水閥的水流出現(xiàn)多次反向。如圖10所示，流量反向過程中，會在閥芯內(nèi)部形成渦旋，擾亂原本的流場，流速較大值多次出現(xiàn)在主進(jìn)水閥閥芯進(jìn)出口處和下游延伸段，該處受到?jīng)_擊最大。在導(dǎo)葉完全關(guān)閉后，主進(jìn)水閥內(nèi)部的流量驟減，主進(jìn)水閥在后續(xù)關(guān)閉過程中流場變化很小，由于水流在主進(jìn)水閥內(nèi)部不停地波動，不斷形成渦旋，最后隨著能量耗散趨于穩(wěn)定。

圖7 CFD仿真壓力和一維仿真壓力變化曲線對比Fig.7 Comparisons between CFD simulation pressure and one-dimensional simulation pressure curve

圖8 過閥流量圖Fig.8 Over-valve flow chart

圖9 各時刻整體壓力圖Fig.9 Pressure diagram at every moment

圖10 各時刻整體流線圖Fig.10 Velocity diagram at every moment

由圖11可知，在動作后第6秒閥腔壓力達(dá)到整個關(guān)閥過程中的最大值，在閥腔靠近下游延伸段處，約為7.6 MPa，在導(dǎo)葉還未完全關(guān)閉前，主進(jìn)水閥閥腔內(nèi)壓力變化較復(fù)雜，低壓區(qū)和高壓區(qū)均常見于閥腔與上下游延伸段連接處，且樞軸處常出現(xiàn)壓力最大值。在運(yùn)行過程中，樞軸處較容易存在安全隱患。

4.3 兩種關(guān)閥方式對比

為了評估兩種動水關(guān)閥方式在甩負(fù)荷發(fā)生后過渡過程中的調(diào)節(jié)效果，對兩種關(guān)閥方式進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到兩種關(guān)閥方式的一維數(shù)值仿真計算和三維仿真計算結(jié)果，如表3所示。協(xié)聯(lián)關(guān)閉的最大機(jī)組轉(zhuǎn)速和最大閥前壓力與主進(jìn)水閥單獨關(guān)閉時差別較小，因為此時主進(jìn)水閥開度較大，協(xié)聯(lián)關(guān)閉的調(diào)節(jié)效果不明顯。但是協(xié)聯(lián)關(guān)閉與主進(jìn)水閥單獨關(guān)閉相比，可以較快的降低機(jī)組轉(zhuǎn)速(降低約76 r/min與5 r/min)和閥前壓力值(降低約34 m和10.9 m)，因為此時主進(jìn)水閥開度減小約27°，流量減小和局部阻力系數(shù)明顯增大，使得協(xié)聯(lián)關(guān)閉調(diào)節(jié)效果較明顯。同時協(xié)聯(lián)關(guān)閉時閥腔壓力最大值低于主進(jìn)水閥單獨關(guān)閉，流速遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于主進(jìn)水閥單獨關(guān)閉，而閥腔是主進(jìn)水閥最容易發(fā)生故障的位置，協(xié)聯(lián)關(guān)閉方式對主進(jìn)水閥更安全。

圖11 各時刻閥腔壓力Fig.11 Valve chamber pressure at each moment

表3 主進(jìn)水閥兩種關(guān)閥方式數(shù)據(jù)對比Tab.3 Data comparison of two valve closing modes

5 結(jié) 語

本文對主進(jìn)水閥在甩負(fù)荷工況兩種動水關(guān)閥方式下的流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了在不同關(guān)閥方式下主進(jìn)水閥內(nèi)部流場的動態(tài)特性，綜合分析得出以下結(jié)論。

(1)在主進(jìn)水閥單獨關(guān)閉時，閥前閥后壓差會隨著主進(jìn)水閥關(guān)閉而增大；關(guān)閥時水流在主進(jìn)水閥內(nèi)部多次反向，流態(tài)紊亂，易形成渦流，影響流場穩(wěn)定。

(2)渦流的形成與主進(jìn)水閥內(nèi)部流量反向有關(guān)，流量反向的前后時間易產(chǎn)生渦流；渦流不僅影響流量控制，還產(chǎn)生壓力波動以及噪聲。

(3)在兩種關(guān)閥方式中，閥芯與上下游延伸段的交接處由于水流的沖擊，會形成局部高壓區(qū)，增加主進(jìn)水閥受力的不平衡性；閥腔內(nèi)部壓力較高，閥腔中的壓力最大值常出現(xiàn)在樞軸處，此處更易產(chǎn)生形變和疲勞損傷。

(4)在發(fā)生甩負(fù)荷時，兩種關(guān)閥方式中，協(xié)聯(lián)關(guān)閉的方式可以有效降低機(jī)組轉(zhuǎn)速和主進(jìn)水閥進(jìn)口壓力，同時，閥腔中的最大壓力和最大流速較小，因此協(xié)聯(lián)關(guān)閉能夠有效的改善水擊壓力和減小壓力脈動，使機(jī)組運(yùn)行更安全。

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