為保證水電站運行安全，針對設(shè)有進水蝶閥水電站，開展了蝶閥動水關(guān)閉的現(xiàn)場試驗，建立了過渡過程仿真模型，并利用實測結(jié)果驗證了數(shù)學(xué)模型，進而對水電站事故飛逸過渡過程進行了仿真分析，研究了該過渡過程中壓力及機組轉(zhuǎn)速變化的特點，分析了蝶閥動作時間、滯后時間及過速保護定值對其過渡過程的影響，結(jié)果可為設(shè)進水蝶閥水電站事故飛逸過渡過程研究提供參考。

1、引言

　　水電站運行過程中有可能出現(xiàn)機組甩負荷調(diào)速機構(gòu)失靈的情況，此時導(dǎo)葉拒動機組進入飛逸，只能靠進水閥門或快速閘門來切斷水流從而保護機組。對于設(shè)有進水蝶閥的水電站，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(dǎo)葉拒動蝶閥動水關(guān)閉下的事故飛逸過渡過程，分析機組過速保護定值及蝶閥關(guān)閉時間等因素，以保障水電機組的安全運行。目前對水電站大波動過渡過程的研究主要集中在機組甩負荷導(dǎo)葉正常關(guān)閉下的情況，由現(xiàn)場真機試驗及仿真計算的結(jié)果對比來看，目前的數(shù)值仿真已經(jīng)能夠較為準確地模擬實際水電站正常甩負荷過渡過程，而對于機組事故飛逸過渡過程尚無相關(guān)研究�？紤]到安全因素，現(xiàn)場也無法進行事故飛逸過渡過程的真機測試，只能進行機組帶負荷的蝶閥動水關(guān)閉試驗來論證蝶閥的動水關(guān)閉能力。為準確分析機組事故下的甩負荷過渡過程，本文建立了其數(shù)值計算模型并開展了蝶閥動水關(guān)閉的現(xiàn)場實測，利用實測結(jié)果對數(shù)學(xué)模型進行了驗證，分析了影響其過渡過程的各主要因素，結(jié)果對設(shè)進水蝶閥水電站事故飛逸過渡過程研究具有一定的借鑒意義。

2、基本情況

　　南水水電廠位于廣東省韶關(guān)市乳源縣縣城西側(cè)，共設(shè)有3臺混流式水輪發(fā)電機組，其引水系統(tǒng)采用“一洞三機”的形式，引水隧洞長約4km，洞徑5.5m，設(shè)有帶下室的圓筒阻抗式上游調(diào)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。機組及進水蝶閥主要參數(shù)見表1。

表1 設(shè)備主要參數(shù)列表

　　注：額定容量單位為MVA；額定電壓單位為kV；額定電流單位為A；轉(zhuǎn)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、蝶閥動水關(guān)閉試驗

　　為論證蝶閥動水關(guān)閉能力，2011年12月電廠組織相關(guān)單位開展了南水水電廠機組進水蝶閥的動水關(guān)閉試驗，測試蝶閥動水關(guān)閉下機組、蝶閥振動位移及鋼管、尾水管及蝸殼內(nèi)的壓力變化過程�？紤]到安全因素，試驗采取機組帶負荷動水關(guān)閥的方式進行，當?shù)�閥全關(guān)機組進入調(diào)相運行時再立即啟動停機流程關(guān)閉導(dǎo)葉使機組停機。

　　測試系統(tǒng)采用PSTA便攜式振動壓力測試系統(tǒng)，主要布置的測點有蝸殼進口壓力、尾水管進口壓力、蝶閥前壓力鋼管壓力以及蝶閥、機組的振動、位移測點及蝶閥附近的噪聲測點等。蝶閥主要測點見圖1。

圖1 蝶閥動水關(guān)閉試驗蝶閥各主要測點示意圖

　　試驗前機組分別在空載、10MW、17MW負荷工況點穩(wěn)定運行，將開度限制設(shè)定在大于所帶負荷對應(yīng)導(dǎo)葉開度3%左右位置，儀器設(shè)備準備調(diào)校完畢后，啟動記錄各測點數(shù)據(jù)，然后操作關(guān)閉蝶閥，當?shù)�閥指示為全關(guān)時，立即啟動停機流程關(guān)閉水輪機導(dǎo)葉停機，待檢查測試數(shù)據(jù)和現(xiàn)場無異常情況后，再繼續(xù)下一次試驗。

　　水壓測點試驗結(jié)果見表2、圖2。由表2、圖2可看出，隨著蝶閥關(guān)閉前機組負荷的增加，蝶閥關(guān)閉過程中產(chǎn)生的水壓、噪聲及振動也隨之加劇。各工況下各測點水壓值均未超過允許值，試驗過程中，機組狀態(tài)正常，蝶閥動水關(guān)閉未對機組造成危害，蝶閥各部位振動值雖然在動作過程中明顯增加，但試驗后蝶閥本體、壓力鋼管及基礎(chǔ)墩位移值基本能夠恢復(fù)至試驗前狀態(tài)，伸縮節(jié)未發(fā)生滲水現(xiàn)象。蝶閥動水關(guān)閉過程中，蝶閥關(guān)閉時間滿足設(shè)計要求(60～120s)。

表2 蝶閥動水關(guān)閉試驗主要試驗結(jié)果

圖2 17MW工況蝶閥動水關(guān)閉主要壓力測點測試結(jié)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(tǒng)數(shù)學(xué)模型

　　引水系統(tǒng)采用特征線法求解有壓輸水系統(tǒng)連續(xù)性方程和運動方程�？紤]到進口損失和進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(diào)壓井邊界基本方程為連續(xù)性方程、能量方程和調(diào)壓室水位變化方程，可聯(lián)立流道特征線方程求解。引水系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型見圖3。圖中，數(shù)字1～10為仿真計算中引水系統(tǒng)的編號；#1、#2、#3為機組編號。

圖3 引水系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

　　4.1.2、水輪機數(shù)學(xué)模型

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

　　4.1.3、蝶閥數(shù)學(xué)模型

　　南水水電廠進水蝶閥采用臥式布置，雙平板雙偏心自關(guān)閉的蝴蝶閥結(jié)構(gòu)，閥門公稱直徑為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流特性，本文采用CFD方法分析蝶閥各開度下的流場，得到蝶閥在不同開度下的流量系數(shù)。蝶閥過流部件三維仿真模型見圖4(a)。蝶閥活門附近局部網(wǎng)格采用四面體非結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為300mm，總網(wǎng)格數(shù)約為610000個，計算區(qū)域及網(wǎng)格示意圖見圖4(b)。

圖4 蝶閥過流部件的三維仿真模型

　　選取蝶閥開度分別為0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°，計算各開度下蝶閥內(nèi)的流場，不同開度下蝶閥流量系數(shù)變化過程見圖5。由圖5可看出，蝶閥流量系數(shù)與蝶閥開度變化呈現(xiàn)明顯的非線性關(guān)系，小開度下隨蝶閥開度的增加蝶閥流量系數(shù)增加較慢，大開度下蝶閥流量系數(shù)隨蝶閥開度的增加急劇增加。

圖5 蝶閥流量系數(shù)計算結(jié)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(jié)果與蝶閥動水關(guān)閉試驗結(jié)果進行對比分析，見圖6、7。

圖6 機組10MW工況蝸殼及蝶閥進口水壓試驗及仿真結(jié)果對比

圖7 機組17MW工況蝸殼及蝶閥進口水壓試驗及仿真結(jié)果對比

　　由圖6、7可看出：①蝶閥關(guān)閉初始時刻及中間時刻蝸殼進口壓力仿真結(jié)果與試驗結(jié)果十分吻合，而蝶閥關(guān)閉末仿真結(jié)果與試驗結(jié)果有一定的差異，主要原因在于蝶閥關(guān)閉末為避免機組進相運行導(dǎo)葉也開始關(guān)閉，而在仿真計算中未考慮導(dǎo)葉關(guān)閉對蝸殼進口壓力的影響。②蝶閥前壓力變化過程主要受調(diào)壓室涌浪的影響，仿真得到的壓力變化過程的波動周期、幅值均與試驗結(jié)果接近。因此，對于引水系統(tǒng)的壓力變化過程，無論是極值還是變化趨勢，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果均較為接近，可以將該數(shù)學(xué)模型作為水電廠事故飛逸過渡過程仿真模型。

5、事故飛逸過渡過程仿真分析

　　調(diào)速器拒動蝶閥動水關(guān)閉機組事故飛逸過渡過程計算結(jié)果見圖8。由圖8可看出，在事故飛逸過渡過程中，由蝶閥關(guān)閉所產(chǎn)生的流道內(nèi)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(dǎo)葉正常關(guān)閉工況。而機組轉(zhuǎn)速最大上升率遠大于機組甩負荷導(dǎo)葉正常關(guān)閉的情況，其值達88.54%，最大轉(zhuǎn)速為707.03r/min，達到了當前水頭下的飛逸轉(zhuǎn)速，且其轉(zhuǎn)速變化過程在高轉(zhuǎn)速停留的時間長，在600r/min以上持續(xù)時間長達54.4s。

圖8 蝶閥動水關(guān)閉機組事故飛逸過渡過程計算結(jié)果

　　相比導(dǎo)葉關(guān)閉，蝶閥的關(guān)閉時間一般均較長，因此蝶閥關(guān)閉下事故飛逸過渡過程所產(chǎn)生的壓力上升一般小于機組正常甩負荷，不會對水輪機及引水系統(tǒng)產(chǎn)生較大的破壞，而機組轉(zhuǎn)速上升值遠大于甩負荷導(dǎo)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(zhuǎn)速，且機組持續(xù)在高轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速上升率及其在高轉(zhuǎn)速下的運行時間，保護設(shè)備安全。

6、影響因素分析

　　水輪發(fā)電機組嚴禁在飛逸轉(zhuǎn)速下長時間運行，主機廠家會給出發(fā)電機極限的允許飛逸時間，若機組的飛逸時間超過了該值則會對發(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渡過程中轉(zhuǎn)速變化過程進行詳細的仿真計算，研究各因素的影響以保證機組的安全。

　　6.1、蝶閥關(guān)閉時間的影響

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

圖9 蝶閥不同關(guān)閉時間、動作滯后時間下機組轉(zhuǎn)速變化過程

　　6.2、蝶閥動作滯后時間的影響

　　由于作用于蝶閥關(guān)閉的控制環(huán)節(jié)較多，其不可避免的會存在一定的滯后，實測南水水電廠蝶閥動作的滯后時間一般在10～20s之間。

　　不同蝶閥動作滯后時間下仿真結(jié)果見圖9(b)。由圖9(b)可看出，蝶閥動作的滯后時間對機組轉(zhuǎn)速變化的影響較小，且只能影響機組轉(zhuǎn)速變化的下降過程，蝶閥動作的滯后時間越長機組在高轉(zhuǎn)速運行的時間也越長。

　　6.3、過速保護定值的影響

　　在水電站實際運行中進水蝶閥動作條件主要為：①機組轉(zhuǎn)速上升至115%+調(diào)速器拒動；②機組轉(zhuǎn)速上升到電氣過速保護定值；③機組轉(zhuǎn)速上升到機械過速整定值。為分析保護定值對蝶閥動水關(guān)閉過渡過程的影響，需要對蝶閥動作條件進行分析，不同動作轉(zhuǎn)速下仿真結(jié)果見圖10。計算中均設(shè)定調(diào)速器拒動，其中電氣過速及機械過速保護整定值按規(guī)定取值。

圖10 不同過速保護動作下機組轉(zhuǎn)速變化過程

　　由圖10可看出，由于在甩負荷調(diào)速器拒動情況下機組轉(zhuǎn)速上升極快，達到150%的時間僅需4s左右，而蝶閥動作滯后時間就大于4s，因此無論是機組轉(zhuǎn)速在115%還是在150%下蝶閥動作，其機組轉(zhuǎn)速過渡過程均無較大差異。

7、結(jié)論

　　a.現(xiàn)場實測了蝶閥動水關(guān)閉下的壓力及其所產(chǎn)生的噪聲、振動情況，并通過一維過渡過程理論結(jié)合三維CFD計算建立了仿真模型，同時利用現(xiàn)場實測結(jié)果對數(shù)學(xué)模型進行了驗證，最后利用數(shù)學(xué)模型研究了導(dǎo)葉拒動蝶閥關(guān)閉下機組甩負荷過渡過程。

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