针对压力钢管爆管对并联调压室水电站瞬变流的影响

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第35卷第2期水利水电科技进展2015年3月V01．35No．2AdvancesinScienceandTechnologyofWaterResourcesMar．2015DOI：10．3880／j．issn．1006—7647．2015．02．012压力钢管爆管对并联调压室水电站瞬变流的影响乔艳伟，周建旭，结少鹏，张松磊，刘俊平(1．河海大学水利水电学院，江苏南京210098；2．浙江省水利水电勘测设计院，浙江杭州310002)摘要：为了研究水电站压力钢管爆管的特殊水力瞬变特性及其对运行机组的影响，建立压力钢管爆管计算模型，结合设置并联调压室的水电站，开展了明钢管爆管的瞬变流分析，研究了不同爆管特征断面和爆管孔口面积下水力一机械系统的水力参数特征。结果表明：水电站压力钢管爆管的瞬变特性与爆管位置及爆口面积大小密切相关；爆管支路的流量和压力发生剧烈变化，引起机组蜗壳失压、引水调压室漏空等典型事故现象；爆管支路蝶阀的关闭控制和并联调压室的存在，可以有效降低对并联支路和运行机组的影响。关键词：水电站；压力钢管；明钢管；爆管；并联调压室；瞬变流中图分类号：TV134；TV732．4l文献标志码：A文章编号：1006—7647(2015)02—0057—05Investigationoffluidtransientsinthehydropowerstationwitllparallelsurgechambersunderpressurizedsteelpipeburst／／QIAOYanwei，ZHOUJianxu，JIEShaopeng，ZHANGSonglei，LIUJunping(1．CollegeofWaterConservancyandHydropowerEngineering，HohaiUniversity，Nanjing210098，China；2．ZhejiangDesignInstituteofWaterConservancyandHydroelectricPower，Hangzhou310002，China)Abstract：Inordertostudythespecialhydraulictransientcharacteristicsofpressurizedsteelpipeburstinhydropowerstationsandtheirinfluenceonoperatingunits，themathematicalsimulationmodelofpressurizedsteelpipeburstWS．Sbuiltandthehydropowerstationwithparallelsurgechamberswasset．Basedonthat，thispaperanalyzedthefluidtransientsofexposedpressurizedpipeburstandinvestigatedthehydraulicparametersinthehydro-mechanicalsystemwithdifferentburstcharacteristicsectionsanddiferentburstareas．Theresultsshowedthatthereisastrongconnectionbetweenthetransientcharacteristicsofpressurizedsteelpipeburstinhydropowerstationsandtheburstpositionanditsareaaswel1．Additionally，theseverechangesofflowandpressureofthepipeburstbranchmayleadtosometypicalphenomenonsincludinginstantaneouslossofpressureatspiralcaseandwateremptyintheupstreamsurgechamber．Finally，itisalsoshowedthattheeffectofpipeburstalongonebranchontheparalleledbranchandtheoperatingunitiSalleviatedwhenthebutterflyvalveofthebranchandtheparallelsurgechambersareclosed．Keywords：hydropowerstation；pressurizedsteelpipe；exposedpipe；pipeburst；parallelsurgechamber；fluidtransients引水式水电站是全部或主要由引水系统集中水主要以分析爆管原因、预防控制措施为主。水头和引用流量以开发水能的水电站，压力钢管是引电站常用的调压室布置形式包括上游调压室、下游水式水电站引水系统的重要组成部分，在保证水电调压室、上下游双调压室和上游双调压室等形站安全可靠运行中发挥着关键的作用¨j。压力钢式⋯，而设置并联调压室的较少，而关于并联调压管在运行中承受相对较大的内水压力，一旦出现大室水电站压力钢管爆管下系统瞬变流特性的研究则位移、爆裂、塌陷等事故J，将直接危及下游侧厂房明显不足。与典型的机组增荷或甩荷过渡过程相的运行安全，而压力钢管爆管是水电站明钢管典型比，压力钢管爆管是一个更为复杂而剧烈的瞬变流的事故现象，会直接影响水电站的安全稳定运行。过程，爆管处的压力水头在爆管瞬时急剧下降，导致水电站压力钢管爆管过程属于典型的水电站水力一整个有压输水系统内流量和压力都发生剧烈变化，机械系统瞬变流过程，国内外在水电站水力一机械系主要表现为机组蜗壳进口瞬时失压、引水调压室和统瞬变流分析方面开展了系统而深入的研究，而上游压力管道漏空等典型的事故现象。对于设置并涉及水电站压力钢管爆管问题的研究相对较少，且联调压室且压力钢管较长的水电站而言，压力钢管基金项目：国家自然科学基金(51079051)作者简介：乔艳伟(1988一)，女，河南安阳人，硕士研究生，主要从事水电站及泵站水力学研究。E·mail：qiaoyanweizuibang@126．tom水利水电科技进展。2015，35(2)Tel：025—83786335E．mail：jz@hhu．edu．cnhttp：／／www．hehaiqikan．tit·57· 沿线可能发生爆管的特征断面较多，爆管引起的瞬变流现象对运行机组的影响复杂，因此，本文在分析压力钢管爆管的水力特性基础上建立爆管的节点计算模型，对明钢管爆管进行了模拟，并对爆管瞬变流特性及其对机组运行稳定性的影响进行了分析，从而为水电站的安全稳定运行奠定基础。图1基于管道虚拟阀的爆管水力模型1压力钢管爆管的水力特征分析Qv=CdAGd2gHv(1)式中：Q为爆口的过流量，m／s；C为孔口流量系产生压力钢管爆管事故的原因复杂多样，且爆数；A。为爆管孔口面积，In；Hv为爆管孔口的作用管历时很短，爆管时引起的水锤压力变化通常按直水头，m(考虑到爆管孔口出水侧即为自由出口，H接水锤考虑。理论上对于明敷管道，爆管后爆管点即为爆管孑L口压力钢管侧的内水压力)。处的压力为当地大气压，实际上由于爆口局部水头爆管点处管道的相容性方程为损失、爆管孔口大小和爆管时间等影响因素的存在，C：=CP—BPQPI(2)爆管点压力降低是一个较快的瞬变过程。水电站有压输水系统正常运行期间压力管道内C一：=CM+BMQP2(3)水压力较大，在爆管瞬间，爆管处的压力水头急剧下爆管点处满足流量平衡条件，即降，产生剧烈的降压波，并且向上下游传递，使沿线Q1=QP2+Qv(4)压力均产生大幅下降，整个有压输水系统内水压力不考虑连接管处的局部水头损失，有和流量均发生剧烈变化。由于爆管点上游地势较日P：日v+日v(5)高，内水压力相对较小，爆管后，爆管点上游管道可式中日为爆管点的高程。能出现较大的负压，下游也将产生剧烈的压力振荡，记R1，联立式()～(5)，可得机组蜗壳进口瞬时失压。压力钢管爆管后，水电站水力一机械系统产生复(6)杂的瞬变流过程，破坏系统及机组原有的稳定运行状态，为了保证机组及设备的安全，相应机组需要甩其中C·+负荷并停机，同时，可能影响相邻机组的运行稳定一土。性，甚至停机，需要采取相应的运行控制措施，包括一BP。BM紧急关闭爆管点上游侧事故闸门或蝶阀(若设置蝶C3=1—4C2Rk(C2Hv—C1)阀)，以尽可能降低压力钢管局部爆管对系统整体通过公式(6)求出虚拟阀出口流量，即爆管孔的不利影响。口流量Q后，可求出其他水力参数的瞬时值。2基于阀出流的明钢管爆管节点模型基于有压输水管道瞬变流分析的特征线法，并考虑输水系统中各水力元件节点处的水头和流量基于以上爆管现象的分析，以管道虚拟阀作为平衡条件，以及水轮机组的能量和效率特性，结合系模拟明钢管爆管孔口出流的水力计算分析模统中各边界条件的分析模型，引入阀出流的明钢管型_1J，如图1所示，来替代爆管孔口和模拟明钢爆管的节点模型，则可建立爆管瞬变流分析的计算管爆管下爆管点的水流过程。当压力钢管正常运行模型，开展压力钢管爆管的瞬变流及其影响分析。时，虚拟阀处于完全关闭的状态；当压力钢管某特征断面爆管时，形成爆管孔口P，相应的虚拟阀瞬时打3设置并联调压室的水电站爆管影响分析开，其中爆管孔口的当量直径可近似确定，在计算中以某水电站输水系统为例，进行压力钢管爆管可取不同的爆口当量直径进行敏感性分析。对于拟过渡过程计算，分析压力钢管爆管对水电站瞬变流定的爆管孔口P，爆管孔口的局部水头损失Ah是流的影响。图2和图3为该水电站输水系统平面布置量的单值函数。连接阀门的支管的长度取决于压力和爆管支路压力管道纵剖面布置简图，设置了并联钢管的埋藏深度和地质地形条件，对于明钢管而言，阻抗式调压室且压力钢管较长，每根支管上游侧分可不考虑其长度，近似忽略其水头损失。别布置蝶阀，调压室下游侧双线压力钢管明钢管分利用孔口出流方程⋯模拟明钢管爆管的瞬别长2．34km和2．32km_l，包括洞内明钢管和露变流过程，控制方程为·58·水利水电科技进展，2015，35(2)Tel：025—83786335E-mail：豇@hhu．edu．cnhttp：／／www．hehaiqikan．cn 天明钢管，布置起伏较大，近厂房段为坡度较大的露b．不爆管工况(B2)：水库正常蓄水位1756．00rn，天明钢管。运行过程中，压力钢管承受较大的内水两机额定水头额定出力运行，1号机组甩负荷，正常压力且局部承受较大的不平衡力，可能的爆管点分运行的2号机组在调压室水位最高时甩负荷。布较为广泛，在一些不利的运行条件下可能发生压3．2压力钢管爆管的瞬变流计算分析力钢管爆管事故，引起复杂的瞬变流过程，严重影响压力钢管爆管时，爆管产生的瞬变流过程与爆系统的正常运行。管点的位置、爆管孑L口大小、爆管点位置管径等因素有关¨，不同的爆管点和不同的爆口面积对系统水水库2号蝶阀2号调压室2号机组力瞬变特性的影响也不完全相同。尾水·ff1爆管工况，在t=10s时，1号机组支管发生爆管事故，采用阀f-fL口出流控制方程对该爆管工况进l号蝶阀1号调压室1号机组行详细的瞬变流计算分析。爆管产生后，因蝶阀及图2输水系统平面布置简图导叶的关闭，调压室及压力钢管将出现漏空现象，因3．1系统参数和控制工况此，侧重于对爆管支路调压室水位降至底板高程之图2所示水电站的主要参数如下：并联调压室前的水力瞬变流及其影响进行分析。阻抗孔口直径3．0m，竖井有效面积30．175in；机组3．2．1不同爆管点的瞬变特性额定流量115．6m／s，设计水头430．74m，机组转动因不同爆管点的初始内水压力和高程不同，爆惯量10130t·m，机组导叶采用直线关闭规律，管后引起的瞬时压降不同，同一爆口面积下不同爆rs=15．0s；蝶阀采用直线紧急关闭规律，rs=60s。管点爆管对有压输水系统的瞬变流特性的影响不控制工况如下：同。考虑爆口当量直径为1．5m，如图3所示，分别a．爆管工况(B1)：水库正常蓄水位1756．00m，两对P1、P2、P3点爆管进行详细的爆管瞬变流分析，机额定水头额定出力运行，l号机组所在压力钢管结果见图4—7，表1给出了爆管口主要水力参数、突发爆管事故，1号蝶阀紧急关闭，正常运行的2号相邻2号支路调压室水位和机组蜗壳进口内水压力机组在调压室水位最高时甩负荷，导叶正常关闭。的特征值。1号机组图3爆管支路压力管道纵剖面布置简图(单位：m)450360270l8090020406O80l0O120t／s图41号支管不同爆管点处的压力变化过程线图51号支管不同爆管点处的爆口涌出流量变化过程线650l785600l775乓1765乓550遗50017554501745400l735图7不同爆管点爆管时2号并联支路机组图6不同爆管点爆管时2号并联支路引水调压室水位变化过程线蜗壳进口内水压力变化过程线水利水电科技进展，2015，35(2)Tel：025—83786335E-mail：jz@hhu．edu．cnhttp：／／www．hehaiqikan．cn·59· 表1不同爆管点主要水力参数的特征值注：内水压力用压力水头表不，表2l司。分析图4—7和表1可知：2．0m、3．0m，对爆管瞬变特性进行分析，结果见表2。a．压力钢管爆管后，爆管点压力瞬时降低，爆分析表2可知：管孔口涌出流量瞬时增大。对于同一爆口面积不同a．对于同一爆管点，爆口面积越大，爆管引起爆管点，爆管时均出现了严重的瞬时压降，且爆管点的瞬时压降越大，引起沿线压力钢管出现越大的负高程越低瞬时压降越大。高程最低的P3点爆管时，压，亦可采用适于水汽两相流模拟的数值算法进行压降和涌出流量较大，压力钢管沿线出现了不同程进一步分析。爆口面积较小时，瞬时压降相对较小，度的严重负压现象，下游机组蜗壳失压亦最为严重。爆管点最大压力较大；爆口面积较大时，爆口局部阻对负压现象可进一步采用适于水汽两相流模拟的数抗系数较小，同时涌出流量较大，内水压力变化趋势值分析算法进行仿真研究。因输水系统沿线布置起较为平缓。随着相应支路蝶阀的关闭，调压室水位伏较大，压力管道特性多样，爆管点以及输水系统沿下降，爆口面积越大，调压室漏空时间越早，甚至在线压力产生剧烈的振荡。随着相应爆管支路蝶阀的蝶阀还没完全关闭时就已漏空，可能引起上游管道关闭，机组导叶也关闭，上游压力钢管内水流逐渐减进气，引发二次事故。少，调压室水位持续下降，直至漏空，且爆管点不同，b．爆管支路蜗壳出现了严重失压现象，由于并调压室漏空时间不同。随着上游蝶阀的关闭，爆口联调压室的缓冲作用和上游蝶阀的关闭控制，对相的流量逐渐减小，爆管点的压力随着调压室水位的邻2号并联支路调压室最高涌浪及蜗壳进口最大内降低逐渐减小。水压力的影响得以减轻。随着爆管支路爆管孑L口面b．考虑到蝶阀的关闭切断了爆管支路对并联积的增大，爆管点上游侧压力钢管和主管道流量增支路的影响，以及并联调压室对爆管影响的减缓作量亦增大，蝶阀关闭后，对2号机组支路的影响也较用，削弱了爆管产生的降压波对蝶阀上游及并联支明显，并联支路最高涌浪、蜗壳进口最大内水压力均路的影响。1号支路爆管后，受蝶阀关闭时间的影增大。响，对2号并联支路机组导叶关闭后相应的调节保C．与不爆管工况相比，2号调压室最高涌浪水证计算参数有一定的影响。1号支路爆管点位置越位均有所升高，当爆口当量直径较小时爆管点最大低，爆管点上游侧支管和主管道流量增量越大，蝶阀内水压力较不爆管工况大，2号机组蜗壳进口最大关闭后，对2号机组支路的影响也越明显，主要表现内水压力较不爆管工况小，随着爆口当量直径加大，为2号调压室最高涌浪水位较高，2号机组蜗壳进爆管点最大内水压力过渡为较不爆管工况小，蜗壳口最大内水压力较大。进口最大内水压力过渡为较不爆管工况大，2号支c．与不爆管工况相比，爆管工况下，爆管点最路相应的调节保证计算参数大于不爆管工况。大内水压力及2号机组蜗壳进口最小内水压力均明4结论显降低，而2号调压室最高涌浪水位及2号机组蜗壳进口最大内水压力有所增大。a．水电站压力钢管爆管过渡过程是一个复杂3．2．2同一爆管点不同爆口面积的瞬变特性的非恒定流过程。压力钢管爆管后，爆管点出现剧以爆管点P2为例，爆口当量直径分别取1．0m、烈的瞬时压降和较大的涌出流量，致使所在支路的表2不同爆管面积主要水力参数的特征值·60·7g．f,l水电科技进展，2015，35(2)Tel：025—83786335E-mail：jz@hhu．edu．crthttp：／／www．hehaiqikan．cn 压力和流量发生剧烈变化，压力管道局部可能出现科学技术协会．第六届全国水电站压力管道学术论文严重负压，引发二次爆管事故。集．北京：中国水利水电出版社，2006：46-49．[8]肖正康．水电站压力钢管破坏影响因素与改进措施b．压力钢管爆管产生的瞬变流特性及其影响[J]．科技与企业，2014(13)：333．(XIAOZhengkang．不仅与爆管位置、爆管孔口大小有关，还与压力钢管Analysisoninfluencefactorsandimprovementmeasureon的运行控制有关。爆管支路蝶阀的关闭控制和并联destructionofhydraulicsteelpenstocks[J]．Science调压室的存在，可以有效降低某一支路压力钢管爆TechnologyandEnterprise，2014(13)：333．(in管对并联支路及相应机组的影响。Chinese))c．爆管主要表现为机组蜗壳进口瞬时失压、引[9]韦山红．水电站压力钢管破坏影响因素与改进措施水调压室和上游压力管道漏空等典型的事故现象。[J]．红水河，2013(4)：64-66．(WEIShanhong．Analysis爆管点位置及爆口大小不同，调压室漏空时间不同。oninfluencefactorsandimprovementmeasureon对于较大爆口或高程较低的爆管点，瞬时压降较大，destructionofhydraulicsteelpenstocks[J]．Hongshui上游压力管道流量增加较大，对相邻并联机组的影River，2013(4)：64-66．(inChinese))[10]梅燕，王兆成．水电站压力钢管用600MPa级CF钢产响较大，可以考虑蝶阀关闭规律的优化，以有效控制生焊接裂纹的探讨[J]．水力发电，2008，34(3)：76-78．压力钢管爆管的影响。(MEIYan，WANGZhaocheng．Researchonweldingcrackd．压力钢管爆口当量直径较大、爆管点地势较of600MPacrackfreesteelofpenstock『J]．Water低或靠近下游机组时，压力钢管沿线可能出现严重Power，2008，34(3)：76-78．(inChinese))的水汽两相流现象，常用的有压输水系统瞬变流分[11]HUJianyong，ZHANGJian，YuXiaodong．Studyon析的特征线法不适于准确揭示相应的瞬变流特性，hydraulicsimulationmodelofpipebreak[C]／／World可以采用适于水汽两相流模拟的数值分析算法开展EnvironmentalandWaterResourcesCongress2011：进一步的研究。BearingKnowledgeforSustainability．NewYork：ASCE，2011：4488_4497．参考文献：[12]胡建永，张健，陈胜．大型多支线供水工程的爆管水力过渡过程分析[J]．水电能源科学，2014，32(1)：73-76．[1]王仁坤，张春生．水工设计手册：第8卷水电站建筑(HUJianyong，ZHANGJian，CHENSheng．Hydraulic物[M]．北京：中国水利水电出版社，2012：169-242．transientprocessanalysisofpipeburstinlarge—scaleand[2]刘扬．小型水电站长压力钢管设计参数的合理选择multi·branchwatersupplyproject[J]．WaterResources[c]／／福建省水利学会青年学术工作委员会．福建省andPower，2014，32(1)：73-76．(inChinese))第九届水利水电青年学术交流会论文集．福州：福建省[13]赵丹丹．基于SCADA系统的爆管监测方法研究[D]．水利学会，2005：133-139．杭州：浙江大学，2014．[3]郑源，张健．水力机组过渡过程[M]．北京：北京大学出[14]王捷，贾辉，张宏伟，等．供水管线渗漏水力分析[J]．水版社，2008：13-76．利学报，2008，39(8)：1001·1004．(WANGJie，JIAHui，[4]WYLIEEB，STREETERVL，SUOLisheng．FluidZHANGHongwei，eta1．Hydraulicanalysisonleakageoftransientsinsystems[M]．Englewood，NewJersey：Prenticewatersupplypipeline[J]．JournalofHydraulicHall，1993．Engineering，2008，39(8)：1001·1004．(inChinese))[5]何文学，李茶青．水电站大波动过渡过程研究现状及发[15]周建旭，邵卫红，黄笑同，等．设置并联调压室的长引水展趋势[J]．水利水电科技进展，2003，23(4)：58-61．式水电站稳定性分析[J]．河海大学学报：自然科学版，(HEWenxue，LIChaqing．Theresearchadvanceand2014，42(2)：159-164．(ZHOUJianxu，SHAOWeihong，trendanalysisonthebigfluctuationtransientconditionofHUANGXiaotong，ZHUFei，eta1．Stabilityanalysisofahydropowerstation[J]．AdvancesinScienceandlong··distancewaterdiversion—-typehydropowerstationwithTechnologyofWaterResources，2003，23(4)：58-61．(inparallelsurgechambers[J]．JournalofHohaiUniversity：Chinese))NaturalSciences，2014，42(2)：159-164．(inChinese))[6]亚当·亚当科夫斯基，马元埏．波兰Lapino水电站压力(收稿13期：2014—09—25编辑：熊水斌)钢管破裂的调查和分析[J]．水利水电快报，2002，23(6)：1-3．(ADAMAdamkhodorkovsky，MAYuanting．InvestigationandanalysisonpressuredsteelpipefailurePolandLapinohydropowerstation[J]．ExpressWaterResources＆HydropowerInformation，2002，23(6)：1-3．(inChinese))[7]钟秉章．响水水电站压力钢管事故剖析[C]／／贵州省水利水电科技进展，2015，35(2)Tel：025—83786335E-mail：@hhu．edu．Cnhttp：／／www．hehaiqikan．ca-61·