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水電站小機組過渡過程對大機組的影響

文檔作者：李璽鄭源一張麗敏劉君文檔來源： 1．河海大學水利水電工程學院 2．河海大學新能源研究所		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年10月27日
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第33卷第3期
2011年3月
人民黃河
YELI OW RIVER
VO1．33 ．NO．3
Mar．．20】1
【水利水電工程】
水電站小機組過渡過程對大機組的影響
李 璽 ，鄭 源 一，張麗敏 ，劉 君
(1．河海大學水利水電工程學院，江蘇南京210098；2．河海大學新能源研究所，江蘇南京210098)
摘要：在大機組正常發(fā)電運行情況下，對與引水管道相連的小機組開停機時引水岔管的水力特性進行了三維數(shù)值模擬
計算。采用非結構化網絡離散計算區(qū)域，利用UDF控制小機組管道的流量來模擬小機組開停機，為保證計算精度，采用
二階迎風格式，在壓強一速度關聯(lián)算法上選擇更適合于非定長計算的PISO格式。結果表明：小機組鋼管的水錘對大機
組鋼管內部的影響范圍不大，只會對局部的管段造成沖擊，不會影響大機組蝸殼進口處水流，對大機組的正常發(fā)電沒有
影響。
關鍵詞：水電站；岔管；壓強；CFD；大波動
中圖分類號：TV734．2 文獻標識碼：A doi：10．3969／j．issn．1000—1379．201 1．03．051
近年來，國內一些水電站常設置小機組作為培訓基地和試
驗平臺 。小機組往往從多臺大機組的壓力鋼管分叉引水。
小機組在開停機大波動過渡過程中會產生水錘，水錘的沖擊力
常常造成管道的振動和壓力的變化。由于與大機組壓力鋼管
相連，此時如果大機組正在運行，岔管連接處就會產生較高的
水頭和較大的流 ，岔管出口以肘管的形式串聯(lián)成一根直
管，當水錘波傳播到管道系統(tǒng)中的變徑接頭——肘管處時，作
用在結構上的不平衡動水壓力將導致管道整體運動_j ，因此岔
管處壓力的升高值是關注的重點。壓力升高還會沖擊大機組
引水系統(tǒng)，使其內部水流也產生壓力波動，有可能影響大機組
運行的穩(wěn)定性，使機組的運行效率降低，甚至有可能弓【起機組
振動 ，對大機組安全穩(wěn)定運行留下隱患。
計算流體力學(CFD)作為一種數(shù)值方法，正逐步走向成
熟，在流體機械中的應用越來越廣泛 ～ 。借助CFD技術可以
得到流體機械內任意位置的流動細節(jié)，如速度、壓力、能量損
失、壓力脈動、湍動量、旋渦等。筆者結合華東某電站的具體情
況，采用Gambit軟件進行三維建模和網格劃分，采用Fluent軟
件模擬小機組的開關機過程，計算出岔管連接處的壓強變化范
圍，分析了小機組大波動過渡過程對大機組壓力鋼管中水流的
影響，驗證了大機組正常運行的穩(wěn)定性。
1 仿真機組的弓I水管道布置及三維建模
根據實地情況結合廠方的意見，小機組從1號、2號、3號
機組壓力鋼管分別引出一條岔管，組成小機組的引水管道，平
面示意見 1。大機組的引水管道直徑為5．2 m，支管直徑為
0．65 m
通過計算機數(shù)值流場模擬方法，對小機組壓力引水管道與
大機組壓力引水管道相連的分岔點及與分岔點相連管段的壓
力和流速變化進行了分析。首先確定計算的管段并進行建模，
為了方便地對模型內不同斷面進行研究，更直觀地了解管道內
主要斷面的流速和壓力情況，選擇了兩個方位對管道進行切
割。Whole—cut斷面(見圖2)是對仿真機組引水管道與大機
組引水管道銜接處的整體縱切，該斷面可以分析研究仿真機在
大波動過渡過程中引水管道的水錘現(xiàn)象對大機組引水管道內
流體的影響。
3號
一一一一二二三一一? 一，， 號
二=■"-、< ： ===二二二 二 二_二? 大機組 ~pzz_
- -
：= 二 5 = = = = = = = = ? ～
上游壓力引水管
圖1 仿真水輪機引水管道示意
一1 2 3
圖2 Whole—cut斷面
h—cut斷面(見圖3)是對大機組引水管道的橫向剖切，同
樣，也選擇與仿真機組引水管道分叉相連的斷面進行剖切。該
斷面不僅可以觀察流體在大機組引水管道中的流動速度和管
道壓力的分布，也可以反映出仿真機組開關機產生的水錘水擊
在大機組引水管道中的影響范圍及流體流動的變化趨勢。
收稿日期：2010—05-25
作者簡介：國家“863”計劃項目(2009AA05Z429)。
作者簡介：李璽(1984一)，男，河南新 人，碩士研究生，研究方向為流體機械
工程、水利機組仿真等
E—mail：lilixi5217@ 163．com
· l25 ·
人民黃河2011年第3期
／jl／Jl／j墓
圖3 h—cut斷面
2 數(shù)值模擬計算與分析
由于小機組沒有真正并網，只是用于培訓和試驗，甩負荷
的情況基本不會出現(xiàn)，因此只模擬開機和關機兩個大波動過
程。數(shù)值計算采用CFD軟件包FLUENT6．0。從物理上看，分
又管是典型的三維復雜內部流動，它包含流動的分離和旋
渦 ，同時涉及非定長流動計算，采用標準k—s湍流模型 ，
分離求解器，為保證計算精度，采用二階迎風格式，在壓強一速
度關聯(lián)算法上選擇了更適合于非定長計算的PISO格式，借助
C語言程序，利用UDF實現(xiàn)對機組開關機的模擬。
2．1 小機組壓力管道
小機組開、關機規(guī)律設為導葉直線開啟、關閉，時間為4 S，
把whole—cut斷面分成1—5段，分別記錄1、2、2．5、3、4 S時每
段管道的平均壓強，結果見表1、表2。開、關機前，大機組都處
于發(fā)電運行狀態(tài)，各個管段的壓強都保持在700 kPa。
當開始開機時，最接近出口的1管段壓強最先開始變小，
之后隨著開機過程的進行，壓強減小的影響向右側延伸，2—5
管段的壓強也逐步變小。由于I管道離小機組最近，從總體上
看4管段壓強變化最快，3管段離出口處相對較遠，受到的影響
很小，因此I管道是小機組過渡過程中主要監(jiān)視觀察的對象。
表1 開機過程各管段平均壓強
關機過程管段壓強均不同程度上升，在接近2．5 s時l管 與開機時一樣，4管段壓強變化較快，最接近小機組的I管道受
段的壓強上升到最大值738 kPa，其余管段的變化都相對較小， 到小機組過渡過程的影響最大。
表2 關機過程各管段平均壓強
2．2 大機組壓力管道
從上面的分析得出，大機組壓力管道中1號機組受到的影
響最大，因此對1號機組對應的I管道斷面設置監(jiān)視器，跟蹤
監(jiān)視其壓強的連續(xù)性變化情況，得到加權平均壓強變化過程。
結果表明，大機組與小機組壓力管道相連斷面受到小機組大波
動過渡過程所產生的水錘震蕩影響明顯。
開機2．5 S時Whole—cut斷面的壓強云圖顯示，大機組管
道壓強的波動值沒有小機組管道大，開、關機時壓強的最大變
幅為±30 kPa，而小機組管道開、關機時壓強的最大變化幅為
±40 kPa。小機組的壓力波動對各個大機組管道內流體的影響
范圍不同，1號機組受到的影響和范圍最大。再從h—cut斷面
來觀察1號管道的壓強影響范圍，開機2．5 S時壓強云圖顯示
在管段岔點附近的壓強變化明顯，但是在岔點之后到大機組這
段范圍內壓強基本沒有太大改變，因此小機組的大波動過程對
大機組的正常運行沒有影響。
3 結論
鋼管內水錘變化建立三維模型，比較了不同管段內壓強變化情
況，管道壓強的最大變化量不超過6％ ，從大機組壓力鋼管引出
的3條鋼管壓強變化不同，最接近小機組的4管段變化最大，
達到5．8％ ，最遠的3管段變化最小，只有1．5％ 。與4管段相
連的大機組鋼管內部水流壓力也有變化，I管道壓強的最大變
化為5．5％ ，但是小機組鋼管的水錘對大機組鋼管內部的影響
范圍不大，只會對局部的管段造成沖擊，不會影響大機組蝸殼
進口處水流，對大機組的正常發(fā)電沒有影響。
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· 126·
、
(下轉第128頁)
人民黃河2011年第3期
式中：u為滿足此分布的參數(shù)值(可以足強度、彈性模量、泊松
比等)；u 與所有單元參數(shù)平均值有關，但不是平均值；，n為形
狀參數(shù)，定義了Weibul1分布密度函數(shù)的形狀。
本試驗采用現(xiàn)有文獻中用到的概率密度函數(shù)，然后利用
MATLAB語言編制程序，來生成混凝土數(shù)值試樣。把 和m稱
為材料的Weibul1分布參數(shù)，對于材料的每個力學參數(shù)都必須
在給定其Weibul1分布參數(shù)條件下按照式(1)隨機分布賦值。
當“ ：100、m分別為1．5、3．0、6．0時，Weibul1分布密度曲線
見圖2。
0-025
0D20
010l5
越
招
據
0．010
OD05
0
0 20 40 60 80 l00 l20 l4o I6() l8o
單元參數(shù)
圖2 Weibul1分布密度函數(shù)曲線(U =100)
圖2反映了Weibul1分布參數(shù)的離散程度，當其由小到大
變化時，材料細觀單元力學性質分布密度函數(shù)由矮而寬到高而
窄變化，細觀單元力學性質分布變得較為集中、材料較為均勻，
材料內部所包含的大部分細觀單元近乎性質相同，接近于給定
的參數(shù)“ 。常數(shù)m反映了數(shù)值模型中材料結構的均質性，稱之
為均質度。m越大，組成材料的細觀單元越趨于平均值“ 。
MATLAB軟件是一套高性能的數(shù)值計算和可視化軟件，可
方便地應用于數(shù)學計算、算法開發(fā)、數(shù)據采集和數(shù)據繪圖等方
面 。筆者利用文獻[1]提供的方法，在給定尺寸為100 mm x
100 mm平面區(qū)域內，利用MATLAB語言編制程序，生成100 x
100個力學性質整體上滿足給定Weibul1分布的細觀單元。利
用MATLAB應用數(shù)學工具箱中的統(tǒng)計工具箱，根據問題特點，
調用相應的概率密度函數(shù)，進而生成服從一定概率密度的隨機
數(shù)，隨機數(shù)的個數(shù)根據問題需要確定。由細觀單元可以看出，
隨著分布參數(shù)m的增大，各個單元強度接近于給定的分布平均
值，顏色不同可以表明混凝土材料內部的不均勻性。100 x 100
個單元中，每個單元對應于一個隨機數(shù)，其數(shù)值大小可用相直
灰度圖像來表示，按藍色、綠色、紅色順序，隨機數(shù)數(shù)值逐漸增
加。 =6．0時，分布密度集中在較小范圍內，對應灰度圖像顏
色主要集中在0．4～0．5；m=1．5時，對應灰度圖像顏色主要集
中在0．3以下，因此m=6．0時，單元的力學性質參數(shù)更接近于
某一數(shù)值。其他形式的概率密度函數(shù)也可采用類似方法，在指
定區(qū)域內放置隨機數(shù)矩陣，每一次生成的隨機數(shù)矩陣都是不同
的，矩陣中各元素數(shù)值反映材料中各成分的分布范圍和性質參
數(shù)。根據實際配合情況，修改矩陣元素的數(shù)值，來調整局部的
性質參數(shù)。每一數(shù)值對應灰度值不同，灰度值和灰度圖像的顏
色可以反映出材料的不均勻性。
· 128 ·
4 結語
利用數(shù)值試驗方法可以模擬混凝土配合過程的計算工作
以及生成物中各成分的隨機分布情況。實際應用中，混凝土中
各成分所占比例在配合前通過計算可以確定，并且各成分材料
屬性可以確定，經過各種工藝形成混合料后，各成分分布是隨
機的，最終形成的混凝土是非均質的。利用數(shù)值模擬方法將其
反映出來，在此基礎上，可以進一步分析混凝土內部的受力變
形、局部損傷和破壞形態(tài)。
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【責任編輯張華巖】
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【責任編輯張華巖】

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