变顶高尾水闸水力过渡过程试验研究

变顶高尾水闸水力过渡过程试验研究

三峡右岸地下管网厂占地6.700m，最大动力加速时间为3.3s（1.5s3.5s），在未产生压力的空间之间。在初步设计阶段推荐采用一机一洞的变顶高尾水洞,其布置特点:在尾水管的末端下游某处设置一拱包,将洞顶高程适当抬高,然后以一定的坡比使洞顶高程逐渐升高,以适应下游水位的变化,而沿程断面面积基本不变,即所谓“变顶高方案”,具体布置及尺寸见文献。由于尾水洞顶高程沿水流方向是逐渐升高的,因此,当下游水位处于低水位时,尾水洞有压段长度L(有压)较短,而水击压力与L(有压)成正比,即当L(有压)较小时,水击压力也较小;当下游水位升高时,虽然L(有压)段会加长,但下游水位升高产生的静水压力会抵消尾水管进口处的负压幅值。因此,无论下游水位怎样变化,尾水管进口处的负压始终处于较小的幅值,以达到减小尾水管进口真空度的目的。但对电站的水力过渡过程、明满交替流问题及机组运行的安全稳定性需要进行试验研究。为此在国内首次采用模型水轮发电机、调速器、励磁装置、接力器等,组合成一个小型水电站,对水力过渡过程进行仿真模拟,以达到预期的效果。1机组相似工况采用模型水轮发电机组进行水力过渡过程的模拟试验,除满足几何相似、重力相似外,还应满足水击波速及机组的相似。由水击基本方程可推导出水击波速比尺Cr与流速比尺vr相等,可使水击波速相似。模型水轮机与原型水轮机在相同工况下,应满足单位转速n′1、单位流量Q′1和单位出力N′1相等。模型水轮、发电机的转动惯量GD2应与原型相似。2模型机组的选用及转速模型水轮机转轮直径D1选用标准尺寸250mm,原型水轮机D1=9.85m,故模型比尺Lr=9.850.25=39.4Lr=9.850.25=39.4。考虑模型的强度、止水及制作要求,上下游管道的有机玻璃厚度分别选用5mm,8mm。模型机组运行的频率f为50Hz,发电机磁极对数p为6,因此,模型机组实际转速为nm=60fp=500r/minnm=60fp=500r/min,换算到原型值np=79.7r/min,与原型机组额定转速75r/min有一定差值,因此,需要对转速上升的试验值进行修正。3机组试验研究(1)根据D1=350mm综合特性曲线,进行本模型水轮机的能量试验,以测定其主要工作特性及比较与同一轮系水轮机的相似程度。(2)根据有关规范进行模型机组的性能试验,包括调速器的静态特性试验、空载摆动试验及空载扰动试验,以测定模型机组的有关参数是否满足国家标准要求。(3)上述二项试验满足要求后,进行水力过渡过程试验研究,重点研究以下内容:a.引水系统各部位水击压力过程,以求得尾水管进口的最大真空度、蜗壳进口最大水击相对升压ξmax;b.机组转速最大上升率βmax;c.导叶关闭按一段直线关闭、二段折线关闭进行优化试验,找出二段折线关闭的最佳拐点,测试导叶开度τ随时间的变化过程线;d.观察尾水系统的流态及明满交替流特性;e.测试尾水洞出口在水力过渡过程中水位的变幅过程z-t曲线。4中小型调速器转速控制根据中华人民共和国国家标准和行业标准,与本课题有关的技术指标要求如下:(1)接力器不动时间Tq≤0.2s;(2)特小型调速器的转速死区ix应不大于2‰;(3)自动空载摆动值不超过±0.3%;(4)甩100%负荷波动次数不超过2次,稳定时间不超过40s;(5)尾水管进口的负压幅值应小于80kPa;(6)机组转速的最大上升率βmax小于52%。5模型战舰的能量测试5.1试验的目通过模型水轮机的能量试验,可较精确地测量各种工况下水轮机的有关参数,从而计算出模型水轮机的效率,并可绘出模型水轮机的综合特性曲线。5.2同重机关的增加通过6个导叶开度及相应组次的模型水轮机能量试验,根据换算出的Q′1,n′1,η′1,可绘得模型水轮机的综合特性曲线,见图1。并将6个试验开度α0的(Q′1,n′1)绘在D1=350mm的综合特性曲线上,发现同一轮系的二个水轮机其对应开度的吻合程度是相当好的。说明在相同工况下,模型水轮机可满足n′1,Q′1,N′1的相似要求。模型水轮机和D1=350mm水轮机的最高效率分别为91.1%(相应α0=14.30mm),91.8%(对应α0=20.00mm),且位置相同,前者略小于后者。一般情况下,转轮直径小的水轮机的效率要低于转轮直径大的效率,因此这是合理的。6模型机组的性能试验6.1接力器位移值进行静态试验时,蜗壳处于无水状态,接力器模拟油开关合闸,调速器处于自动工况。通过单方向升高或降低频率,测试接力器的位移值,当接力器行程S=56.3mm时,接力器位移最大偏差ΔS=0.3mm,则转速死区ix=0.32‰。对于特小型调整器来说,国标要求ix不大于2‰,而0.32‰远小于国标值。6.2自动投励磁测量当调速器比例系数kp=2.5,积分系数kI=0.15,微分系数kD=0时,分别在3分钟内对调速器连续测量3次,求出每次频率变化的平均值。在自动投励磁工况下,频率摆动值为Δf=±0.07Hz,Δff0=±0.14%Δf=±0.07Ηz,Δff0=±0.14%。国标要求Δff0Δff0值不大于±0.3,可满足国标要求。6.3kp对导叶的影响在自动空载稳定工况下,设置不同组的调节系数(即kp,kI,kD),改变频率值(48ue0f252Hz),观察并记录接力器位移过程和频率变化过程。从试验中发现,频率(即转速)的变化会引起导叶的来回摆动;尽管调节参数不同,其超调量及波动次数均不同,但波动过程均可收敛。当kp,kI逐渐减小时,超调量和波动次数也逐渐减少。当kp=2.5,kI=0.2,kD=0时,基本上趋于稳定,超调量仅为10%左右,波动次数为0.5次,调节品质较好,该调节参数为运行的最佳参数,可作为下一步水力过渡过程试验设定的参数。7水流过渡过程的研究7.1分段折线关闭试验从一段关闭的试验成果可证实,本机组输水系统的水击类型为极限水击,即最大水击压力值发生在导叶关闭的最后时刻,水击压力值随导叶关闭时间的增加而减小。假如在关闭过程的某一时刻,改变导叶关闭的速率,即先快后慢的方式,则最大水击压力会发生在此拐点处,相应最大水击压力值会小于相同关闭时间下的一段关闭值,第二段慢速关闭使水击压力变得均化;另一方面,折线关闭可减小与纵横座标(τ-Ts)包围的面积,见图2,这样可减小机组的转速上升。这是分段折线关闭的优点。可把一段直线关闭的两端看作是二段折线关闭的特例,则在中间必有一点为极值点,即最佳拐点,可使水击压力和转速上升最小。试验进行了3个水位、流量组合共6个导叶关闭时间的最佳拐点优化试验,成果见文献。试验发现有一个共同的规律,导叶开度α在38.2%附近负压幅值最小或正压值最大;机组转速上升值则随着拐点的下移(即开度的变小)有减小的趋势,但变化量较小,这与理论分析是一致的。因此,综合考虑尾水管进口的压力值和机组转速上升值,最佳拐点位置:导叶开度为38.2%,关闭时间拐点为Ts1∶Ts2=0.6181∶0.3820.62≈1∶1Τs1∶Τs2=0.6181∶0.3820.62≈1∶1,即整段关闭时间的中点。7.2尾集料口处正压试验从试验数据中发现,机组上游引水管道的最大压力上升率发生在蜗壳进口处;尾水管道的最小压力值发生在尾水管的进口处,其余压测点均表现为正压。将试验最关心的蜗壳进口压力测点、尾水管进口压力测点、机组转速上升率及尾水洞出口最大波幅值汇总于表1(该流量、水位组合为最不利的工况)。根据第2节的分析,机组转速和转动惯量与原型的相似性存在一定的差异,这会影响到机组转速上升率的试验值,因此需要进行修正,修正方法采用参考文献的“长办”公式。7.2.1导叶采用两步关闭方式试验结果从表1中看出,一、二段关闭均随着导叶关闭时间Ts的增加,尾水管进口处的压力值逐渐增大。一段关闭最低负压值为-58.4kPa>-80kPa,可满足要求,最低负压出现的时间为8.3s,见图3,与8.8s较接近,试验也证明了水击的类型为极限水击。当实行二段关闭时,Ts=9～12.9s范围内,尾水管进口的负压幅值比一段关闭减小4.0～10.1kPa,因此,导叶实行二段关闭对减小尾水管进口的负压幅值是很有效果的。从图4中看出,二段关闭最小压力出现的时间在拐点或稍后一点的范围内,这也是符合极限水击现象的。7.2.2分段关闭的速率从试验中发现,蜗壳进口压力上升率ξ随着Ts的增加而减小,即与导叶关闭的速率成正比。在相同导叶关闭时间下,二段关闭中的第一段斜率(即关闭速率)要大于一段关闭的斜率,且蜗壳进口的最大压力出现在拐点附近,因此,二段关闭的ξ要大于一段关闭的ξ。如Ts=9～13s,一段关闭ξ=34.4%～24.0%,而二段关闭ξ=37.2%～25.9%,增幅为1.5%～3.7%。7.2.3段关闭均符合这一规律导叶关闭时间愈长,机组积蓄的能量愈多,则机组转速的上升值愈大。一、二段关闭均符合此规律,见表1。Ts=9～13s,一段关闭β=48.1%～53.8%,而二段关闭β=45.6%～51.4%,比一段关闭减小了1.4%～2.5%,说明二段关闭对降低机组转速上升率效果也较明显。7.2.4水位高拱包下泄波来振荡下游尾水渠的下泄最大波浪发生在尾水洞的出口处,最大波幅Smax受下游水位和过机流量的影响较大,与导叶关闭时间和是否分段关闭基本无关。当下游水位为最低水位62m,处于变顶高的拱包处,Smax=1.34～1.60m;当下游水位为65m,处于变顶高明流与满流的中间位置,下泄波来回振荡较大,Smax=1.83～2.17m,为最不利工况;当下游水位高于68.54m(尾水洞出口顶高程),处于淹没出流时,则Smax<0.5m。7.2.5导叶关闭的影响当下游水位处于62.0～68.54m之间,则变顶高段水流处于明满交替流,流态相对较复杂,下游水位处于变顶高的中间处,为最不利工况。当导叶关闭时,变顶高尾水洞内的水位迅速下降,最低可下降至拱包起始高程58.0m,但没有气泡进入尾水管;然后波在尾水洞内作一来回周期的振荡,可基本消失,历时约为1.5min。波在尾水洞内传播的距离与导叶关闭的速率成正比,因此,二段关闭要长于一段关闭。波在传播过程中形成的气囊会发生碰撞,形成轻度的溃灭声和拍击声。8尾排放段采用分段关闭方式影响机组转速上升和负压(1)水力过渡过程的大波动试验表明,当电站的水力加速时间常数tw处于设与不设调压室之间时,变顶高尾水洞充分利用了下游水位的变化,使尾水管进口的真空度和机组转速的最大上升率等主要技术指标,始终限制在允许的范围之内。此方案可取消尾水调压