變頂高尾水閘水力過渡過程試驗(yàn)研究

變頂高尾水閘水力過渡過程試驗(yàn)研究

三峽右岸地下管網(wǎng)廠占地6.700m，最大動(dòng)力加速時(shí)間為3.3s（1.5s3.5s），在未產(chǎn)生壓力的空間之間。在初步設(shè)計(jì)階段推薦采用一機(jī)一洞的變頂高尾水洞,其布置特點(diǎn):在尾水管的末端下游某處設(shè)置一拱包,將洞頂高程適當(dāng)抬高,然后以一定的坡比使洞頂高程逐漸升高,以適應(yīng)下游水位的變化,而沿程斷面面積基本不變,即所謂“變頂高方案”,具體布置及尺寸見文獻(xiàn)。由于尾水洞頂高程沿水流方向是逐漸升高的,因此,當(dāng)下游水位處于低水位時(shí),尾水洞有壓段長度L(有壓)較短,而水擊壓力與L(有壓)成正比,即當(dāng)L(有壓)較小時(shí),水擊壓力也較小;當(dāng)下游水位升高時(shí),雖然L(有壓)段會(huì)加長,但下游水位升高產(chǎn)生的靜水壓力會(huì)抵消尾水管進(jìn)口處的負(fù)壓幅值。因此,無論下游水位怎樣變化,尾水管進(jìn)口處的負(fù)壓始終處于較小的幅值,以達(dá)到減小尾水管進(jìn)口真空度的目的。但對電站的水力過渡過程、明滿交替流問題及機(jī)組運(yùn)行的安全穩(wěn)定性需要進(jìn)行試驗(yàn)研究。為此在國內(nèi)首次采用模型水輪發(fā)電機(jī)、調(diào)速器、勵(lì)磁裝置、接力器等,組合成一個(gè)小型水電站,對水力過渡過程進(jìn)行仿真模擬,以達(dá)到預(yù)期的效果。1機(jī)組相似工況采用模型水輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行水力過渡過程的模擬試驗(yàn),除滿足幾何相似、重力相似外,還應(yīng)滿足水擊波速及機(jī)組的相似。由水擊基本方程可推導(dǎo)出水擊波速比尺Cr與流速比尺vr相等,可使水擊波速相似。模型水輪機(jī)與原型水輪機(jī)在相同工況下,應(yīng)滿足單位轉(zhuǎn)速n′1、單位流量Q′1和單位出力N′1相等。模型水輪、發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量GD2應(yīng)與原型相似。2模型機(jī)組的選用及轉(zhuǎn)速模型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑D1選用標(biāo)準(zhǔn)尺寸250mm,原型水輪機(jī)D1=9.85m,故模型比尺Lr=9.850.25=39.4Lr=9.850.25=39.4?？紤]模型的強(qiáng)度、止水及制作要求,上下游管道的有機(jī)玻璃厚度分別選用5mm,8mm。模型機(jī)組運(yùn)行的頻率f為50Hz,發(fā)電機(jī)磁極對數(shù)p為6,因此,模型機(jī)組實(shí)際轉(zhuǎn)速為nm=60fp=500r/minnm=60fp=500r/min,換算到原型值np=79.7r/min,與原型機(jī)組額定轉(zhuǎn)速75r/min有一定差值,因此,需要對轉(zhuǎn)速上升的試驗(yàn)值進(jìn)行修正。3機(jī)組試驗(yàn)研究(1)根據(jù)D1=350mm綜合特性曲線,進(jìn)行本模型水輪機(jī)的能量試驗(yàn),以測定其主要工作特性及比較與同一輪系水輪機(jī)的相似程度。(2)根據(jù)有關(guān)規(guī)范進(jìn)行模型機(jī)組的性能試驗(yàn),包括調(diào)速器的靜態(tài)特性試驗(yàn)、空載擺動(dòng)試驗(yàn)及空載擾動(dòng)試驗(yàn),以測定模型機(jī)組的有關(guān)參數(shù)是否滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。(3)上述二項(xiàng)試驗(yàn)滿足要求后,進(jìn)行水力過渡過程試驗(yàn)研究,重點(diǎn)研究以下內(nèi)容:a.引水系統(tǒng)各部位水擊壓力過程,以求得尾水管進(jìn)口的最大真空度、蝸殼進(jìn)口最大水擊相對升壓ξmax;b.機(jī)組轉(zhuǎn)速最大上升率βmax;c.導(dǎo)葉關(guān)閉按一段直線關(guān)閉、二段折線關(guān)閉進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn),找出二段折線關(guān)閉的最佳拐點(diǎn),測試導(dǎo)葉開度τ隨時(shí)間的變化過程線;d.觀察尾水系統(tǒng)的流態(tài)及明滿交替流特性;e.測試尾水洞出口在水力過渡過程中水位的變幅過程z-t曲線。4中小型調(diào)速器轉(zhuǎn)速控制根據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),與本課題有關(guān)的技術(shù)指標(biāo)要求如下:(1)接力器不動(dòng)時(shí)間Tq≤0.2s;(2)特小型調(diào)速器的轉(zhuǎn)速死區(qū)ix應(yīng)不大于2‰;(3)自動(dòng)空載擺動(dòng)值不超過±0.3%;(4)甩100%負(fù)荷波動(dòng)次數(shù)不超過2次,穩(wěn)定時(shí)間不超過40s;(5)尾水管進(jìn)口的負(fù)壓幅值應(yīng)小于80kPa;(6)機(jī)組轉(zhuǎn)速的最大上升率βmax小于52%。5模型戰(zhàn)艦的能量測試5.1試驗(yàn)的目通過模型水輪機(jī)的能量試驗(yàn),可較精確地測量各種工況下水輪機(jī)的有關(guān)參數(shù),從而計(jì)算出模型水輪機(jī)的效率,并可繪出模型水輪機(jī)的綜合特性曲線。5.2同重機(jī)關(guān)的增加通過6個(gè)導(dǎo)葉開度及相應(yīng)組次的模型水輪機(jī)能量試驗(yàn),根據(jù)換算出的Q′1,n′1,η′1,可繪得模型水輪機(jī)的綜合特性曲線,見圖1。并將6個(gè)試驗(yàn)開度α0的(Q′1,n′1)繪在D1=350mm的綜合特性曲線上,發(fā)現(xiàn)同一輪系的二個(gè)水輪機(jī)其對應(yīng)開度的吻合程度是相當(dāng)好的。說明在相同工況下,模型水輪機(jī)可滿足n′1,Q′1,N′1的相似要求。模型水輪機(jī)和D1=350mm水輪機(jī)的最高效率分別為91.1%(相應(yīng)α0=14.30mm),91.8%(對應(yīng)α0=20.00mm),且位置相同,前者略小于后者。一般情況下,轉(zhuǎn)輪直徑小的水輪機(jī)的效率要低于轉(zhuǎn)輪直徑大的效率,因此這是合理的。6模型機(jī)組的性能試驗(yàn)6.1接力器位移值進(jìn)行靜態(tài)試驗(yàn)時(shí),蝸殼處于無水狀態(tài),接力器模擬油開關(guān)合閘,調(diào)速器處于自動(dòng)工況。通過單方向升高或降低頻率,測試接力器的位移值,當(dāng)接力器行程S=56.3mm時(shí),接力器位移最大偏差ΔS=0.3mm,則轉(zhuǎn)速死區(qū)ix=0.32‰。對于特小型調(diào)整器來說,國標(biāo)要求ix不大于2‰,而0.32‰遠(yuǎn)小于國標(biāo)值。6.2自動(dòng)投勵(lì)磁測量當(dāng)調(diào)速器比例系數(shù)kp=2.5,積分系數(shù)kI=0.15,微分系數(shù)kD=0時(shí),分別在3分鐘內(nèi)對調(diào)速器連續(xù)測量3次,求出每次頻率變化的平均值。在自動(dòng)投勵(lì)磁工況下,頻率擺動(dòng)值為Δf=±0.07Hz,Δff0=±0.14%Δf=±0.07Ηz,Δff0=±0.14%。國標(biāo)要求Δff0Δff0值不大于±0.3,可滿足國標(biāo)要求。6.3kp對導(dǎo)葉的影響在自動(dòng)空載穩(wěn)定工況下,設(shè)置不同組的調(diào)節(jié)系數(shù)(即kp,kI,kD),改變頻率值(48ue0f252Hz),觀察并記錄接力器位移過程和頻率變化過程。從試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),頻率(即轉(zhuǎn)速)的變化會(huì)引起導(dǎo)葉的來回?cái)[動(dòng);盡管調(diào)節(jié)參數(shù)不同,其超調(diào)量及波動(dòng)次數(shù)均不同,但波動(dòng)過程均可收斂。當(dāng)kp,kI逐漸減小時(shí),超調(diào)量和波動(dòng)次數(shù)也逐漸減少。當(dāng)kp=2.5,kI=0.2,kD=0時(shí),基本上趨于穩(wěn)定,超調(diào)量僅為10%左右,波動(dòng)次數(shù)為0.5次,調(diào)節(jié)品質(zhì)較好,該調(diào)節(jié)參數(shù)為運(yùn)行的最佳參數(shù),可作為下一步水力過渡過程試驗(yàn)設(shè)定的參數(shù)。7水流過渡過程的研究7.1分段折線關(guān)閉試驗(yàn)從一段關(guān)閉的試驗(yàn)成果可證實(shí),本機(jī)組輸水系統(tǒng)的水擊類型為極限水擊,即最大水擊壓力值發(fā)生在導(dǎo)葉關(guān)閉的最后時(shí)刻,水擊壓力值隨導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間的增加而減小。假如在關(guān)閉過程的某一時(shí)刻,改變導(dǎo)葉關(guān)閉的速率,即先快后慢的方式,則最大水擊壓力會(huì)發(fā)生在此拐點(diǎn)處,相應(yīng)最大水擊壓力值會(huì)小于相同關(guān)閉時(shí)間下的一段關(guān)閉值,第二段慢速關(guān)閉使水擊壓力變得均化;另一方面,折線關(guān)閉可減小與縱橫座標(biāo)(τ-Ts)包圍的面積,見圖2,這樣可減小機(jī)組的轉(zhuǎn)速上升。這是分段折線關(guān)閉的優(yōu)點(diǎn)?？砂岩欢沃本€關(guān)閉的兩端看作是二段折線關(guān)閉的特例,則在中間必有一點(diǎn)為極值點(diǎn),即最佳拐點(diǎn),可使水擊壓力和轉(zhuǎn)速上升最小。試驗(yàn)進(jìn)行了3個(gè)水位、流量組合共6個(gè)導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間的最佳拐點(diǎn)優(yōu)化試驗(yàn),成果見文獻(xiàn)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)有一個(gè)共同的規(guī)律,導(dǎo)葉開度α在38.2%附近負(fù)壓幅值最小或正壓值最大;機(jī)組轉(zhuǎn)速上升值則隨著拐點(diǎn)的下移(即開度的變小)有減小的趨勢,但變化量較小,這與理論分析是一致的。因此,綜合考慮尾水管進(jìn)口的壓力值和機(jī)組轉(zhuǎn)速上升值,最佳拐點(diǎn)位置:導(dǎo)葉開度為38.2%,關(guān)閉時(shí)間拐點(diǎn)為Ts1∶Ts2=0.6181∶0.3820.62≈1∶1Τs1∶Τs2=0.6181∶0.3820.62≈1∶1,即整段關(guān)閉時(shí)間的中點(diǎn)。7.2尾集料口處正壓試驗(yàn)從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn),機(jī)組上游引水管道的最大壓力上升率發(fā)生在蝸殼進(jìn)口處;尾水管道的最小壓力值發(fā)生在尾水管的進(jìn)口處,其余壓測點(diǎn)均表現(xiàn)為正壓。將試驗(yàn)最關(guān)心的蝸殼進(jìn)口壓力測點(diǎn)、尾水管進(jìn)口壓力測點(diǎn)、機(jī)組轉(zhuǎn)速上升率及尾水洞出口最大波幅值匯總于表1(該流量、水位組合為最不利的工況)。根據(jù)第2節(jié)的分析,機(jī)組轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與原型的相似性存在一定的差異,這會(huì)影響到機(jī)組轉(zhuǎn)速上升率的試驗(yàn)值,因此需要進(jìn)行修正,修正方法采用參考文獻(xiàn)的“長辦”公式。7.2.1導(dǎo)葉采用兩步關(guān)閉方式試驗(yàn)結(jié)果從表1中看出,一、二段關(guān)閉均隨著導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間Ts的增加,尾水管進(jìn)口處的壓力值逐漸增大。一段關(guān)閉最低負(fù)壓值為-58.4kPa>-80kPa,可滿足要求,最低負(fù)壓出現(xiàn)的時(shí)間為8.3s,見圖3,與8.8s較接近,試驗(yàn)也證明了水擊的類型為極限水擊。當(dāng)實(shí)行二段關(guān)閉時(shí),Ts=9～12.9s范圍內(nèi),尾水管進(jìn)口的負(fù)壓幅值比一段關(guān)閉減小4.0～10.1kPa,因此,導(dǎo)葉實(shí)行二段關(guān)閉對減小尾水管進(jìn)口的負(fù)壓幅值是很有效果的。從圖4中看出,二段關(guān)閉最小壓力出現(xiàn)的時(shí)間在拐點(diǎn)或稍后一點(diǎn)的范圍內(nèi),這也是符合極限水擊現(xiàn)象的。7.2.2分段關(guān)閉的速率從試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),蝸殼進(jìn)口壓力上升率ξ隨著Ts的增加而減小,即與導(dǎo)葉關(guān)閉的速率成正比。在相同導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間下,二段關(guān)閉中的第一段斜率(即關(guān)閉速率)要大于一段關(guān)閉的斜率,且蝸殼進(jìn)口的最大壓力出現(xiàn)在拐點(diǎn)附近,因此,二段關(guān)閉的ξ要大于一段關(guān)閉的ξ。如Ts=9～13s,一段關(guān)閉ξ=34.4%～24.0%,而二段關(guān)閉ξ=37.2%～25.9%,增幅為1.5%～3.7%。7.2.3段關(guān)閉均符合這一規(guī)律導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間愈長,機(jī)組積蓄的能量愈多,則機(jī)組轉(zhuǎn)速的上升值愈大。一、二段關(guān)閉均符合此規(guī)律,見表1。Ts=9～13s,一段關(guān)閉β=48.1%～53.8%,而二段關(guān)閉β=45.6%～51.4%,比一段關(guān)閉減小了1.4%～2.5%,說明二段關(guān)閉對降低機(jī)組轉(zhuǎn)速上升率效果也較明顯。7.2.4水位高拱包下泄波來振蕩下游尾水渠的下泄最大波浪發(fā)生在尾水洞的出口處,最大波幅Smax受下游水位和過機(jī)流量的影響較大,與導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間和是否分段關(guān)閉基本無關(guān)。當(dāng)下游水位為最低水位62m,處于變頂高的拱包處,Smax=1.34～1.60m;當(dāng)下游水位為65m,處于變頂高明流與滿流的中間位置,下泄波來回振蕩較大,Smax=1.83～2.17m,為最不利工況;當(dāng)下游水位高于68.54m(尾水洞出口頂高程),處于淹沒出流時(shí),則Smax<0.5m。7.2.5導(dǎo)葉關(guān)閉的影響當(dāng)下游水位處于62.0～68.54m之間,則變頂高段水流處于明滿交替流,流態(tài)相對較復(fù)雜,下游水位處于變頂高的中間處,為最不利工況。當(dāng)導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí),變頂高尾水洞內(nèi)的水位迅速下降,最低可下降至拱包起始高程58.0m,但沒有氣泡進(jìn)入尾水管;然后波在尾水洞內(nèi)作一來回周期的振蕩,可基本消失,歷時(shí)約為1.5min。波在尾水洞內(nèi)傳播的距離與導(dǎo)葉關(guān)閉的速率成正比,因此,二段關(guān)閉要長于一段關(guān)閉。波在傳播過程中形成的氣囊會(huì)發(fā)生碰撞,形成輕度的潰滅聲和拍擊聲。8尾排放段采用分段關(guān)閉方式影響機(jī)組轉(zhuǎn)速上升和負(fù)壓(1)水力過渡過程的大波動(dòng)試驗(yàn)表明,當(dāng)電站的水力加速時(shí)間常數(shù)tw處于設(shè)與不設(shè)調(diào)壓室之間時(shí),變頂高尾水洞充分利用了下游水位的變化,使尾水管進(jìn)口的真空度和機(jī)組轉(zhuǎn)速的最大上升率等主要技術(shù)指標(biāo),始終限制在允許的范圍之內(nèi)。此方案可取消尾水調(diào)壓