上海申弘閥門有限公司
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抽水蓄能電站球閥設(shè)計 |
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| 詳細介紹 | ||||||||||||||||
之前介紹JIS日標(biāo)不銹鋼截止閥標(biāo)準，現(xiàn)在介紹抽水蓄能電站球閥設(shè)計為了降低抽水蓄能機組水輪機工況甩負荷時蝸殼壓力上升值和壓力脈動值，應(yīng)用了球閥協(xié)同導(dǎo)葉關(guān)閉的流量控制方式。于2012年在蒲石河大型抽水蓄能電站，進行了水輪機工況甩負荷過渡過程球閥參與導(dǎo)葉控制方式的現(xiàn)場試驗。針對這量控制方式，利用內(nèi)特性法預(yù)測了在甩負荷過渡過程中各動態(tài)參數(shù)的瞬變規(guī)律，預(yù)測的機組轉(zhuǎn)速上升大值與試驗值的相對誤差為2.11%，預(yù)測的蝸殼壓力上升大值與試驗值的相對誤差為0.74%，從而驗證了內(nèi)特性方法的合理性;同時證明，只要合理地選擇導(dǎo)葉與球閥的控制規(guī)律，即可顯著改善水泵水輪機裝置水輪機工況甩負荷過渡過程的動態(tài)品質(zhì)，降低抽水蓄能電站引水系統(tǒng)的水壓上升值。 1、抽水蓄能電站球閥設(shè)計研究背景 近年來，高水頭大功率抽水蓄能電站得到了蓬勃發(fā)展。但由于機組安裝高程低、引排水道一般也較長，同時機組運行工況轉(zhuǎn)換頻繁、流量特性曲線在水輪機制動區(qū)及反水泵工況區(qū)存在著不穩(wěn)定倒“S”區(qū)域，因此抽水蓄能電站的水力過渡過程十分復(fù)雜。為了降低抽水蓄能電站水泵水輪機組甩負荷時機組轉(zhuǎn)速與蝸殼水壓力上升值，國內(nèi)外廣泛采用改變導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律的方式，使其維持在調(diào)保規(guī)范之內(nèi)。有的電站采用延時直線關(guān)閉導(dǎo)葉的方式，對傳統(tǒng)關(guān)閉規(guī)律存在的缺陷有所改善，取得了較好的優(yōu)化效果;有的電站采用快慢快的關(guān)閉規(guī)律，通過引入延時段，針對抽水蓄能機組過流特性，綜合兩段折線規(guī)律中快關(guān)與慢關(guān)的各自優(yōu)點，但由于液壓系統(tǒng)存在巨大的油流慣性，*準確延時實際上很難做到;有的電站采用引入轉(zhuǎn)速信號反饋導(dǎo)葉的關(guān)閉規(guī)律，避免了常規(guī)折線關(guān)閉規(guī)律中計算拐點位置與實際拐點位置偏差帶來的運行風(fēng)險，只要轉(zhuǎn)速閾值設(shè)定合理，可有效減少水壓力上升值，但該方法的可靠性還有待提高。針對以上這些問題需要探討其它的控制方式，處理高水頭水泵水輪機裝置甩負荷過渡過程中轉(zhuǎn)速上升值與壓力上升值的矛盾。 2、抽水蓄能電站球閥設(shè)計球閥參與甩負荷過渡過程流量的控制方式 上海申弘閥門有限公司主營閥門有：截止閥,電動截止閥技術(shù)規(guī)范要求，大中型高水頭水泵水輪機的進水閥門在任何工況下應(yīng)能動水關(guān)閉，因此球閥參與流量調(diào)節(jié)成為可能。一般水電站球閥的靜態(tài)流量特性如圖1中曲線1所示，即在大開度下的流量變化比導(dǎo)葉緩和，在小開度下則相對劇烈。而水輪機導(dǎo)葉的靜態(tài)流量特性如圖1中曲線2所示，即流量在大開度時變化慢，中間快，小開度下又變化慢的特性，因此大壓力上升值出現(xiàn)在中間某一導(dǎo)葉開度的位置。可以結(jié)合進水球閥與導(dǎo)葉的流量特性，在甩負荷后采取導(dǎo)葉延時關(guān)閉的同時，讓球閥開始關(guān)閉，以此控制方式參與流量調(diào)節(jié)，如圖2所示。只要導(dǎo)葉滯后時間與關(guān)閉時間設(shè)計合理，將不會產(chǎn)生過大的水壓上升。我國的西龍池、惠州、蒲石河等抽水蓄能電站機組均采用此種關(guān)閉控制方式。過渡過程的內(nèi)特性方法解析3.1、內(nèi)特性方法內(nèi)特性法進行抽水蓄能電站水泵水輪機裝置過渡過程的計算方程組如式(1)—式(13)所示。
抽水蓄能電站中球閥協(xié)同導(dǎo)葉關(guān)閉的水力瞬變過程控制方式 (3) 3.2、抽水蓄能電站球閥設(shè)計邊界條件 圖3所示的抽水蓄能水電站中，較常見的均有下調(diào)壓井，針對這一水力系統(tǒng)，給出式(1)—式(13)的 計算邊界條件。為計算準確，管道需分段計算，每段根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)計算出相應(yīng)的水擊波傳播速度a1，沿管道長度分成若干個計算節(jié)點，利用特征線方程求式中：Vp、Hp為相對應(yīng)管段的流速與壓力水頭;C2=C4=g/a1;C1=-CMC2;C3=CPC4;其它符號同 前。將整個管路分成4段，各段長分別為l1、l2、l3、l4，每段的水力損失系數(shù)分別為f1、f2、f3、f4每段均有兩個端點。 (1)l1段。對l1管段，利用特征線方程可計算管道A、B兩點中間各節(jié)點的流速與壓力瞬態(tài)值，A點為上游水庫，水位不變，即B點為球閥，當(dāng)導(dǎo)葉開度不變時，為主要調(diào)節(jié)元件，其邊界條件為 (16) 式中：為球閥相對開度， ;τ、τ0、Hm0分別為球閥的開度、初始開度以及初始壓力水頭。當(dāng)導(dǎo)葉動作后，由于球閥的變化速度遠小于導(dǎo)葉的變化速度，因此可將球閥當(dāng)成具有局部損失的元件進行計算，即式中：B1、B2分別為球閥進、出口相應(yīng)的值;fB為球閥的水力損失系數(shù)，與球閥開度有關(guān)。 (2)l2段。此段為球閥與導(dǎo)葉管段，需針對導(dǎo)葉是否動作分別考慮。當(dāng)導(dǎo)葉未動作時，B端為球閥的出口，此時球閥為主要的調(diào)節(jié)元件，出口邊界條件為當(dāng)導(dǎo)葉動作后，球閥邊界按局部阻力邊界考慮，即C端為導(dǎo)葉端，采用式(1)進行計算。值得注意的是，根據(jù)導(dǎo)葉是否動作、水泵水輪機的不同的工況水輪機的靜態(tài)流量、動態(tài)流量及力矩表達式分別不同。 (3)l3段。此段為尾水管段，利用特征線差分方程，可以計算從D到E中間各節(jié)點的瞬態(tài)流速與壓力。D點為轉(zhuǎn)輪出口，也是尾水管的起始點，即式中：F3為尾水管進口斷面面積，其它符號同前。QH在式(2)中已經(jīng)計算過，因此，任意時刻D點處的流量或流速已知，則D截面的壓力即可確定，對 于E點，為下調(diào)壓井，有如下方程組式中：Fs為下調(diào)壓井?dāng)嗝婷娣e;A3、A4、V3、V4分別為調(diào)壓井上游側(cè)與下游側(cè)的管路斷面面積和流速，其它符號同前。 (4)l4段。此段兩端分別為下調(diào)壓井及下游水庫，對E點有F點為水庫的入口，水庫水位保持不變，邊界條件
4、抽水蓄能電站球閥設(shè)計蒲石河抽水蓄能水電站水輪機工況甩負荷現(xiàn)場試驗 4.1、電站的基本情況 蒲石河抽水蓄能電站位于遼寧省寬甸滿族自治縣境內(nèi)，是我國東北地區(qū)座大型純抽水蓄能電站。電站安裝4臺300MW機組，總裝機容量1200MW;電站的引水系統(tǒng)為二管四機的布置方式;尾水系統(tǒng)為一管四機的布置方式。2012年6月18日，蒲石河抽水蓄能電廠在2號機組上進行了300MW甩負荷試驗，機組的主要技術(shù)參數(shù)及甩負荷前的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。表1 機組主要參數(shù)及甩負荷前主要參數(shù)表1 機組主要參數(shù)及甩負荷前主要參數(shù) 4.2、測點的布置 水輪機裝置過渡過程現(xiàn)場試驗需要量測的動態(tài)參數(shù)瞬變規(guī)律與試驗的目的有關(guān)。針對2號機組的特點，在水輪機儀表盤處布置了壓力鋼管、轉(zhuǎn)輪與底環(huán)間、蝸殼進口及出口、尾水管進口及出口各一個壓力或壓力脈動傳感器，轉(zhuǎn)輪與頂蓋間、轉(zhuǎn)輪與導(dǎo)葉間以及尾水管肘管處各兩個壓力或壓力脈動傳感器;除尾水管肘管處為AK-4型號外，其他均為IMF型號。在主接力器處布置了一個型號為PTIMA-20-FR-420E-M6的拉線式位移傳感器用于測量導(dǎo)葉開度的變化規(guī)律;其它參數(shù)引自自動監(jiān)控系統(tǒng)。圖4標(biāo)示出了測點位置。圖4 測點布置圖4 測點布置 4.3、試驗結(jié)果 球閥與導(dǎo)葉的關(guān)閉規(guī)律如圖2所示。甩負荷開始，球閥在60s內(nèi)以一段直線規(guī)律關(guān)閉;而導(dǎo)葉一開始不動，11s之后，以一段直線規(guī)律在15s內(nèi)關(guān)閉。 圖5中實線為該機組甩負荷時動態(tài)參數(shù)的現(xiàn)場示波圖。由圖5可知，壓力上升的個高峰值，出現(xiàn)在甩負荷后8.9s，此時球閥已開始關(guān)閉，導(dǎo)葉未參與關(guān)閉。由于球閥在大開度時開度變化對流量的影響較小，當(dāng)導(dǎo)葉開度不變時，流量的微小變化即可引起較大的轉(zhuǎn)速上升值，轉(zhuǎn)速的上升又會引起壓力的上升。此時壓力上升值主要是由轉(zhuǎn)速上升引起的。在轉(zhuǎn)速曲線上B點，機組所受的動態(tài)軸力矩為零，達暫態(tài)飛逸轉(zhuǎn)速;此后機組進入制動區(qū)，雖然轉(zhuǎn)速下降，由離心效應(yīng)引起的流量下降作用減小，但由于球閥的調(diào)節(jié)作用加大，流量減少率增大，因此壓力值仍增加;壓力曲線C點處壓力達到大，即流量的變化率大;D點導(dǎo)葉開始關(guān)閉，此時機組處于反水泵工況區(qū)，導(dǎo)葉開度變化對壓力大值的上升并沒有太大的影響，由于導(dǎo)葉開度的減小，反向流量減小，可以減小壓力的第二個峰值，即E點處第二個壓力峰值比個峰值要小得多。圖5 動態(tài)參數(shù)瞬變曲線圖5 動態(tài)參數(shù)瞬變曲線
5、抽水蓄能電站球閥設(shè)計甩負荷過渡過程計算 為了研究內(nèi)特性法在球閥參與過渡過程時計算的準確性，應(yīng)用編制的基于方程組式(1)—式(13)的內(nèi)特性軟件IFT2.0，對該機組現(xiàn)場試驗同一工況，采用相同的球閥關(guān)閉規(guī)律及導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律，進行了甩300MW負荷過渡過程計算。 圖5中虛線為該機組甩全負荷時蝸殼進口壓力及機組轉(zhuǎn)速隨時間的變化曲線。由圖可知，與試驗值相比，內(nèi)特性法計算的壓力大值與轉(zhuǎn)速上升大值偏差很小。但在后面機組進入反水泵工況時，有一定的誤差。但由于機組在甩負荷過渡過程中，關(guān)心的是壓力上升極值及轉(zhuǎn)速上升極值，因此內(nèi)特性法*工程實際的要求。 表2示出了2#機組甩全負荷時動態(tài)參數(shù)極值的試驗值與內(nèi)特性法計算值，可知采用球閥參與流量控制的方法能夠滿足過渡過程動態(tài)品質(zhì)的要求。表2 機組甩300MW時動態(tài)參數(shù)的極值表2 機組甩300MW時動態(tài)參數(shù)的極值 6、抽水蓄能電站球閥設(shè)計結(jié)論 (1)分析了抽水蓄能電站水輪機工況甩負荷過渡過程中球閥參與流量控制的合理性，并由蒲石河抽水蓄能電站現(xiàn)場甩負荷試驗所證實。 (2)在抽水蓄能電站甩負荷過渡過程中，采用球閥與導(dǎo)葉結(jié)合的控制方式，只要合理地選取導(dǎo)葉延時時間與關(guān)閉時間，就可以有效地降低壓力上升值，因此當(dāng)電站在電力系統(tǒng)中的作用，以及地形、地質(zhì)、壓力水道布置等因素滿足的條件下，它可以用來取代調(diào)壓井的作用，從而降低電站造價。 (3)基于內(nèi)特性理論編制的抽水蓄能機組過渡過程數(shù)值計算軟件IFT2.0經(jīng)蒲石河電站甩負荷試驗證明，計算準確性滿足工程需要，它大的優(yōu)點是無需已知水泵水輪機的全特性曲線，就可完成過渡過程的計算。與本文相關(guān)的產(chǎn)品有不銹鋼波紋管密封安全閥 |
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