基于Flowmaster模型技術供水系統穩態與暫態分析

耿田皓，余 波，闕宗泰，王晨陽，沈俊杰

(西華大學能源與動力工程學院，四川 成都 610039)

技術供水系統是水電站輔助設備系統中相當重要的組成部分，對電站的運行有著不可或缺的作用。不同的電站，其技術供水方式也不盡相同，設計工程師會根據每個電站的具體情況，設計相應的技術供水系統。在設計過程中，主要難點在于對技術供水管網的穩態和暫態水力計算。如果出現設計不當，將對電站的運行產生嚴重影響:在穩態運行時，可能出現供水量不足導致對設備冷卻效果不佳的情況，反之供水量過大會造成浪費情況。在暫態過程中，可能出現強烈的水錘，對管路、設備造成嚴重破壞[1]。因此，開展水電站技術供水系統的穩態和暫態分析對技術供水系統乃至水電站的安全穩定運行都具有十分重要的意義。

1 技術供水系統模型建立

1.1 基本方程

求解水錘基本微分方程最常用的數值計算方法為特征線法。常用求解方式為將其沿特征線方向轉化為常微分方程，可以對常微分方程積分用有限元差分方程借助于計算機的計算能力求出計算結果。有限差分方程是把管路和時間分為多個小段，每小段長度為Δx，每一段時間為Δt，對其逐次求解[2-4]。

特征線方程：

(1)

(2)

表1 技術供水泵后閥門不同開度各主要元件參數

表2 穩態運行時技術供水系統較為理想工況各冷卻器主要參數

以上方程組即為描述過渡過程流體的特征線方程，可以圖1描述其意義：在x-t平面上，A、B兩點分別是x位置上t時刻已知的兩點，其H值和V值也是已知。線PA和PB的斜率分別為±a，線K1和K2稱為特征線，式(1)和(2)稱為相容性方程，特征線把X-t平面劃分為兩個不同解支配的區域，解沿特征線是可以不連續的，相容性方程的解即為常微方程的解。Flowmaster作為一元流體過渡性分析軟件，其水錘分析基本原理即運動方程和連續方程，其解法之一即特征線法[4-5]。

圖1 特征線法示意

1.2 模型的建立

廣元昭化水電站位于廣元市昭化鎮境內，電站裝設3臺20 MW的燈泡貫流式機組。技術供水系統取水方式為流道取水，供水方式為離心泵加壓供水，泵額定流量為190 m3/h，揚程為22 m。主要用水設備為6臺發電機空氣冷卻器，2臺軸承冷卻器，冷卻器用水量為15 m3/(h·臺)，工作壓力為0.2～0.25 MPa。利用一維流體分析軟件Flowmaster以技術供水系統圖為基礎并結合相關圖紙建立技術供水系統[6-9]。

2 穩態分析

2.1 設置穩態模擬條件

首次運行時將技術供水泵后閥門保持全開同時保持各空冷器進口閥門及軸承冷卻器進口閥門開全開，且水泵以額定轉速運行，仿真類型選擇為“Incompressible Steay State”得到模擬結果，然后依次調節技術供水泵后閥門開度再進行模擬[10-11]。

2.2 穩態工況計算結果

因為水輪機運行工況較為復雜，所以取泵為額定流量時為最佳運行工況，因昭化水電站選擇的泵額定流量為190 m3/h，由多次模擬可知在技術供水泵后閥門開度為0.12時較為符合其額定工況。(表1為開度泵后閥門開度分別為1、0.12、0.1時主要元件參數)但是此時空氣冷卻器與軸承冷卻器流量大于其額定用水流量15 m3/h，軸承冷卻器工作壓力大于其額定工作壓力0.2×105～0.25×105Pa。所以此時調節空氣冷卻器與軸承冷卻器前閥門開度，經多次調整的到供水系統較為理想的運行工況，如表2所示。(1～6為空氣冷卻器，7～8為軸承冷卻器)。

由表2知，在穩態運行較為理想的工況下空氣冷卻器與軸承冷卻器流量仍然偏大，但此時泵的流量較為符合其額定流量且空氣冷卻器與軸承冷卻器均符合工作壓力。

2.3 穩態工況計算結果分析

通過穩態計算分析，可得到下述結論。該電站技術供水泵的配置不夠合理，在泵出口閥全開情況下，其運行工況明顯偏向大流量工況。當將泵出口閥關至0.12后，泵運行工況可得到明顯改善，運行工況點基本處于額定工況點，但是此時軸承冷卻器工作壓力大于其額定工作壓力0.25 MPa，此時調節空氣冷卻器與軸承冷卻器前閥門開度，可得到其符合的工作壓力。故從對技術供水系統安全運行的角度出發可選擇泵后閥門開度為0.12，空氣冷卻器前閥門分別為1、0.5、0.4、0.3、0.4、0.5，軸承冷卻器前閥門分別為0.5、1進行運行。若重新選擇選配合適的供水泵，還可進一步改善其工作環境。

3 暫態分析

3.1 直接關閉技術供水閥暫態過程分析

電站技術供水管路系統一般會在主管上設置技術供水閥，來控制整個管路系統的投入和退出。有的電站就采用直接操作技術供水閥投入和退出技術供水系統。對于昭化水電站的技術供水系統，本節分析不停泵時直接關閉技術供水閥(電動閥)的暫態過程。為實現這一過程的仿真，需在計算模型中加一個控制器來控制電動閥的關閉。

仿真類型仍選擇為“Incompressible transient”，仿真步長為0.01 s，仿真時間為50 s。將電動閥關閉時間暫設置為15 s，關閉規律為一段直線關閉[12-13]。

3.1.1直接關閉技術供水閥門暫態過程計算結果

經仿真計算，電動閥后節點壓力變化如圖2所示。

圖2 15 s一段直線關閉電動閥后節點壓力變化

由圖可知，電動閥后節點壓力會達到汽化壓力，這必然導致電動閥門后發生液柱分離再彌合現象，空腔體積如圖3所示，這種現象會對管路系統肯能造成危害。

圖3 15 s一段直線關閉電動閥后節點空腔體積

鑒于此，故將關閉時間延長為30 s，重新仿真計算，結果如圖4所示。

圖4 30 s一段直線關閉電動閥后節點壓力變化

由圖4可見，雖然電動閥后節點壓力有所改善但仍會達到汽化壓力，產生空腔，對管路系統造成損害。

在前述計算分析基礎上，將電動閥設置為兩段關閉，第一段關閉時間設置為10 s，關閉電動閥90%；第二段關閉時間設置為20 s，關閉電動閥開度最后10%。電動閥后節點壓力變化如圖5所示，節點空腔體積如圖6所示。

圖5 30 s兩段直線關閉電動閥后節點壓力變化

圖6 30 s兩段直線關閉電動閥后空腔體積

由圖5、6可知，技術供水閥后節點壓力變化和一段直線關閉時相比已經有所改善，但仍會達到汽化壓力，但此時空腔體積非常的小，基本可以忽律不計。

3.1.2直接關閉技術供水閥門暫態過程計算結果分析

由直接關閉閥門暫態結果可以知道，在不停泵情況關閉電動閥是非常危險的，特別是短時間以一段直線規律關閥。因此，建議盡量不采用此種方式。

從系統管路布置來看，由于電動閥后續管路較長，而且其所處高程較高，位于用水設備之上，因此，直接關閉電動閥會在閥后產生液柱分離現象。對于具有同類情形的技術供水系統需引起重視。

3.2 停泵后關閥暫態過程分析

3.2.1停泵后關閥暫態過程計算結果

從之前的模擬結果中可以看出，直接停泵對技術供水系統的運行來說是安全的，但是技術供水系統并未有效退出，而直接關閉技術供水閥是危險的。因此要保證技術供水系統安全有效的退出，應考慮采取先停泵后關閥的操作方式。本節對此種操作方式進行仿真計算。

計算條件設置為泵以額定轉速運行2 s后停泵，在5 s時以30 s一段直線關閉電動閥。仿真步長為0.01 s，仿真時間為50 s。仿真計算結果如圖7所示。

圖7 30 s一段關閉電動閥后節點壓力變化

從圖7中可以看出，在電動閥接近全關時閥后有一定負壓，最低值為0.35 bar，不會造成液柱分離。為進一步改善閥后節點壓力，考慮采用兩段關閉的操作方式。第一段關閉設置為10 s，關閉閥門開度90%，第二段關閉設置為20 s，關閉閥門開度最后10%。

仿真計算結果如圖8所示。

圖8 30 s兩段關閉電動閥后節點壓力變化

由圖8可知，電動閥后節點壓力在停泵后迅速降低，在5 s后閥門開始關閉，最終下降到0.92×105Pa。技術供水系統暫態過渡過程得到較好地改善。

3.2.2停泵后關閥暫態過程計算結果分析

采用先停泵后關閥的操作方式，技術供水系統是安全的。但需注意關閥時間，關閥速度不能太快，最好采用兩段關閉規律關閥。

4 結 論

(1)對于穩態分析:發現用水設備的設計總用水量本身就低于泵額定流量，由此可以判斷，設計階段所選擇的泵的型號流量偏大。如今廣元昭化水電站已經投入使用，根據對電站實際運行情況的調查，技術供水泵出口閥門為全開，供水流量確實偏大。這是考慮到該流域河水夏季溫度過高，故有意加大冷卻水流量，以改善對機組的冷卻效果。盡管泵的運行工況不太理想，泵流量過大，但此時泵也能夠安全穩定的運行，從安全角度分析，尚無安全隱患。若不考慮運行費用的增加，可以維持現有運行方式。

(2)對暫態分析:直接關閉技術供水閥門，會造成管路中產生嚴重的液柱分離現象，這種情況會對管路和設備造成嚴重破壞，在水電站技術供水系統運行中是不允許的。在廣元昭化水電站技術供水系統運行中，不能直接關閉技術供水閥。停泵后關閥時，采用一段關閉在電動閥后節點處不會造成液柱分離現象，所以并不會對電站安全造成威脅；在采用兩段關閉的方式后，技術供水系統暫態過渡過程得到了更好改善。那么可以得出結論，在停泵后關閉電動閥是安全的，但是要注意關閥時間和操作方式，采用兩段關閉的方式更加安全。據了解，電站真實運行情況為先停泵后關閥方式與作者分析的第二種方式一致，因此電站所采取的操作方式是安全的。若需要進一步改善技術供水系統暫態水力過渡過程，建議在電動閥后裝設空氣閥。