抽水蓄能電站甩負荷主進水閥動水關閉過程內部流場仿真

2020-06-15 05:53:28張亞武周建中徐利君歐雅雯彭緒意

中國農村水利水電 2020年3期

張亞武，鄭凱，周建中，徐利君，歐雅雯，彭緒意

(1.國家電網新源控股有限公司，北京 100053；2. 華中科技大學水電與數字化工程學院，武漢 430074；3. 江西洪屏抽水蓄能有限公司，江西宜春 330603)

主進水閥是抽水蓄能電站重要的設備之一，其主要作用是：①當電站機組異常時或者需要檢修時，可以截斷水流，以保障機組安全；②可以和調速器配合，參與機組調節以減輕水力振蕩。當抽水蓄能電站發生甩負荷或者導葉拒動等異常時，主進水閥應迅速動水關閉，及時切斷水流，但其動水關閉過程中流場會劇烈變化，甚至會出現漩渦、空化和水擊等現象[1]。因此研究抽水蓄能電站甩負荷工況下，主進水閥動水關閉過程中流場水力瞬變過程是非常必要的，可以為主進水閥水力優化設計和運行維護改造提供理論指導，具有十分重要的工程實際意義。

CFD方法可以計算和顯示實驗很難測量甚至無法測量的流動參數，是研究水力機械內部流動特性的一種常用的有效方法。國內外學者對主進水閥的流場特性進行了研究，Nuno M C Martins等人[2]運用Realizablek-ε湍流模型計算了閥門關閉時管道內水擊壓力，分析了壓力波動變化，實現流動可視化有利于進一步問題的分析；楊國強等人[3]在流體為常溫水，流道較短且流速較低的條件下，將球閥流道計算區域流體簡化為不可壓縮流體，選用k-ε模型對球閥在不同開度下的內部流場進行了數值模擬仿真，得出閥前閥后壓差、流量系數和流阻系數的變化，對球閥的設計和工程應用有指導意義和實用價值。周東岳等人[4]采用CFD方法研究了主進水閥各開度下的出口流量，計算得到局部損失系數及流量系數隨開度的變化，解決了主進水閥過流特性數據缺乏的問題。許文奇等人[5]采用k-ε湍流模型模擬了基于不同關閥規律的瞬態過程，探究主進水閥流場演變規律，結果表明該模型采用兩段線性關閉規律可降低水擊壓力。目前國內外研究多集中于主進水閥離散開度的穩態計算和主進水閥單獨關閉的流動分析，且鮮有針對抽水蓄能電站甩負荷工況時主進水閥動水關閉過程的動態特性研究。

本文對甩負荷工況下主進水閥導葉拒動與導葉協聯兩種關閥方式進行動態CFD模擬，并分析上下游延伸段、閥芯和閥腔內部流場的流動和演化規律，為預測兩種關閥方式對主進水閥的影響、保障機組安全運行提供了參考。

1 數學模型

1.1 控制方程

質量守恒定律和動量守恒定律是描述流體運動的基本定律[6]。對于本文所研究的主進水閥過流部件中的流動問題，流動介質是低速的水流，可近似為不可壓縮流體，選用連續性方程(1)和RANS方程(2)模擬主進水閥內部的湍流流動。

(1)

(2)

式中：μ為液體分子黏性數；下標i可取值為1、2、3，以表示空間坐標軸的3個方向；μt為湍流黏性數；fi為體積力。

1.2 湍流模型

本文研究主進水閥中的流動狀態，流動介質是低速的水流且研究對象尺度較小，可近似為不可壓縮流體，忽略流體介質的密度變化[7]采用k-ε湍流模型，實現對主進水閥內部的湍流流動模擬[8]。Realizablek-ε模型考慮流體微團轉動，對旋轉流動有較好的表現，更加符合湍流的物理特性，適合用于湍流壓力脈動的研究[9]，選擇Realizablek-ε湍流模型[10]進行封閉。其中，湍動能方程(3)和湍動能耗散率方程(4)分別為：

(3)

(4)

其中湍流黏性系數：

(5)

式中：t表示時間；ρ為流體密度；k為湍動能；ui為流體速度分量；μ為層流黏性；μt為湍流動力黏性；xi的下標i取1、2、3以表示空間坐標軸的3個方向；模型常數為c1=1.44，c2=1.92，σk=1.0，cμ是湍流時間的函數。

2 仿真模型建立

本文以某抽水蓄能電站主進水閥過流部件為研究對象，首先建立閥芯、閥腔、上游延伸段、下游延伸段等主要部分的三維幾何建模如圖1所示。各部件主要尺寸如表1所示。

表1 部件主要尺寸表Tab.1 Main dimension table of parts

采用結構化劃分方式生成高質量網格模型如圖2所示，為保證交界面處的網格質量，更準確地反應壓力分布，在此區域運用加密技術，最終生成的整體網格質量大于0.5。

1-上游延伸段；2-閥腔；3-閥芯；4-下游延伸段；5-上游延伸段管道邊界；6-下游延伸段管道邊界；7-計算監測截面圖1 主進水閥水體模型Fig.1 Main inlet valve water body model

圖2 主進水閥整體網格模型Fig.2 Main inlet valve overall mesh model

為保證計算結果不受網格生成結果影響，需要進行網格無關性驗證。本文對主進水閥仿真模型進行了四種網格數量的驗證，將CFD仿真的閥前閥后壓差值與一維仿真計算的壓差值進行對比，對比如表2所示，綜合比較計算成本和結果精度后選擇120萬網格數的方案作為后續仿真計算的研究方案。

表2 方案對比Tab.2 Scheme comparison

3 求解設置與邊界條件

將得到的主進水閥整體網格模型導入Fluent軟件中，選用基于壓力的求解器，采取二階迎風離散格式以便得到更高精度的仿真結果。選用SIMPLEC算法，將亞松弛因子設置為1[11]，同時在近壁面采用標準壁面函數。設置如圖1所示主進水閥上游延伸段管道截面為速度入口邊界，主進水閥下游延伸段管道截面為壓力出口邊界。邊界上時變的壓力值、速度值由編寫的profile文件給定。閥芯處的流體域運動方式設置為Mesh Motion，由電站主進水閥關閥時間為64 s，轉速設置為0.024 54 rad/s。

4 仿真計算結果與分析

4.1 導葉拒動時主進水閥直線關閥

在額定發電工況下突甩負荷時，導葉拒動情況下，采取主進水閥動水關閉操作確保及時切斷水流，確保機組安全。根據幾何尺寸計算出當閥芯轉到84°時，閥芯已經不與上游延伸段接觸，閥芯轉動范圍為0°～84°，約為60 s。設定時間步長為固定0.1 s，一共設置660個時間步，考慮動水關閉過程流動參數變化較為復雜，每個時間步中迭代次數適當取較大值，設為400次迭代，監測并保存每一時間步的閥前壓力。

將CFD瞬態仿真計算中監測到的閥前壓力(圖1計算監測截面)與一維仿真計算壓力作對比，一維仿真計算是基于有壓管道非恒定流特征線法[12]，對比如圖3所示。可以看出CFD仿真壓力和一維仿真計算壓力變化趨勢大致相同，誤差在可接受范圍，可見CFD仿真結果具有較高的可信度。

圖3 CFD仿真壓力和一維仿真壓力變化曲線對比Fig.3 Comparisons between CFD simulation pressure and one-dimensional simulation pressure curve

根據瞬態過程計算，由圖4可知，在動水關閥過程中，壓力變化多集中在閥芯出入口與上下游延伸段的交界處，閥芯壓力場分布較紊亂，下游延伸段壓力變化較明顯，局部出現低壓區。由圖5可知，在動作時間前35 s的時間，高流速區集中在閥芯內部和閥腔內，部分出現在下游延伸段。在關閥動作25 s時，閥腔內部形成渦流，35 s以后，高流速區出現在閥芯與上下游延伸段交界處、下游延伸段和閥腔內，同時閥腔內部形成渦流，渦流的形成影響了流場的穩定性。

由圖6可知，閥腔內部壓力最大出現在樞軸處，最大壓力約為9.5 MPa，閥芯與閥腔連接處有較大壓強。樞軸壓力分布不均勻且壓差過大，可能引起樞軸處的形變和疲勞損傷，對機組運行安全產生隱患。在動作的第42 s即開度約為60°時，閥腔流速約為70 m/s，為整個流場中流速最大的區域，水流不斷沖擊閥體，會形成高壓區，增加閥體受力的不穩定性。

圖4 各時刻整體壓力圖Fig.4 Pressure diagram at every moment

圖5 各時刻整體流速圖Fig.5 Velocity diagram at every moment

圖6 t=42 s時閥腔壓力和速度圖Fig.6 Valve chamber pressure and velocity diagram at t=42 s

4.2 導葉與主進水閥協聯關閉

實際工作中，可采用主進水閥與導葉協聯關閉的操作方式，導葉從開始動作到結束時間為25 s，主進水閥采取直線關閉方式，從動作開始到結束時間為64 s。在主進水閥動作結束后，水流并沒有立刻停止運動，由于水流慣性和水錘波的傳遞，水流來回波動、反向，此時流場還存在變化，為了充分反映主進水閥動作后的流場變化情況，選擇模擬70 s的CFD仿真過程。設定時間步長為固定0.2 s，一共設置350個時間步，考慮動水關閉過程流動參數變化較為復雜，每個時間步中迭代次數適當取較大值，設為400次迭代，監測并保存每一時間步的閥前壓力。

將瞬態計算中監測到的閥前壓力(圖1計算監測截面)與一維仿真計算壓力作對比，計算結果對比如圖7所示，可以看出CFD仿真結果和一維仿真結果變化趨勢基本吻合，誤差極小，可見CFD仿真結果具有較高的可信度。由一維仿真計算可知，在導葉完全關閉后通過主進水閥的水流量接近于零，如圖8所示，此時主進水閥內部流場變化較小，因此主要研究導葉動作的25 s內的主進水閥流場變化情況。分別選取5、10、15、20、25、26 s時刻，進行壓力、流速及流場分析。

由圖9可知，主進水閥開始動作后，上下游延伸段壓力隨著關閥動作而改變，主進水閥每秒流場壓力變化頻繁，上下游延伸段與閥腔連接處由于水流的沖擊，易形成高壓區。上下游延伸段壓力差多次出現負值，在此壓力差的作用下流經主進水閥的水流出現多次反向。如圖10所示，流量反向過程中，會在閥芯內部形成渦旋，擾亂原本的流場，流速較大值多次出現在主進水閥閥芯進出口處和下游延伸段，該處受到沖擊最大。在導葉完全關閉后，主進水閥內部的流量驟減，主進水閥在后續關閉過程中流場變化很小，由于水流在主進水閥內部不停地波動，不斷形成渦旋，最后隨著能量耗散趨于穩定。

圖7 CFD仿真壓力和一維仿真壓力變化曲線對比Fig.7 Comparisons between CFD simulation pressure and one-dimensional simulation pressure curve

圖8 過閥流量圖Fig.8 Over-valve flow chart

圖9 各時刻整體壓力圖Fig.9 Pressure diagram at every moment

圖10 各時刻整體流線圖Fig.10 Velocity diagram at every moment

由圖11可知，在動作后第6秒閥腔壓力達到整個關閥過程中的最大值，在閥腔靠近下游延伸段處，約為7.6 MPa，在導葉還未完全關閉前，主進水閥閥腔內壓力變化較復雜，低壓區和高壓區均常見于閥腔與上下游延伸段連接處，且樞軸處常出現壓力最大值。在運行過程中，樞軸處較容易存在安全隱患。

4.3 兩種關閥方式對比

為了評估兩種動水關閥方式在甩負荷發生后過渡過程中的調節效果，對兩種關閥方式進行了數值模擬，得到兩種關閥方式的一維數值仿真計算和三維仿真計算結果，如表3所示。協聯關閉的最大機組轉速和最大閥前壓力與主進水閥單獨關閉時差別較小，因為此時主進水閥開度較大，協聯關閉的調節效果不明顯。但是協聯關閉與主進水閥單獨關閉相比，可以較快的降低機組轉速(降低約76 r/min與5 r/min)和閥前壓力值(降低約34 m和10.9 m)，因為此時主進水閥開度減小約27°，流量減小和局部阻力系數明顯增大，使得協聯關閉調節效果較明顯。同時協聯關閉時閥腔壓力最大值低于主進水閥單獨關閉，流速遠遠低于主進水閥單獨關閉，而閥腔是主進水閥最容易發生故障的位置，協聯關閉方式對主進水閥更安全。