基于Flowmaster模型技术供水系统稳态与暂态分析

耿田皓，余 波，阙宗泰，王晨阳，沈俊杰

(西华大学能源与动力工程学院，四川 成都 610039)

技术供水系统是水电站辅助设备系统中相当重要的组成部分，对电站的运行有着不可或缺的作用。不同的电站，其技术供水方式也不尽相同，设计工程师会根据每个电站的具体情况，设计相应的技术供水系统。在设计过程中，主要难点在于对技术供水管网的稳态和暂态水力计算。如果出现设计不当，将对电站的运行产生严重影响:在稳态运行时，可能出现供水量不足导致对设备冷却效果不佳的情况，反之供水量过大会造成浪费情况。在暂态过程中，可能出现强烈的水锤，对管路、设备造成严重破坏[1]。因此，开展水电站技术供水系统的稳态和暂态分析对技术供水系统乃至水电站的安全稳定运行都具有十分重要的意义。

1 技术供水系统模型建立

1.1 基本方程

求解水锤基本微分方程最常用的数值计算方法为特征线法。常用求解方式为将其沿特征线方向转化为常微分方程，可以对常微分方程积分用有限元差分方程借助于计算机的计算能力求出计算结果。有限差分方程是把管路和时间分为多个小段，每小段长度为Δx，每一段时间为Δt，对其逐次求解[2-4]。

特征线方程：

(1)

(2)

表1 技术供水泵后阀门不同开度各主要元件参数

表2 稳态运行时技术供水系统较为理想工况各冷却器主要参数

以上方程组即为描述过渡过程流体的特征线方程，可以图1描述其意义：在x-t平面上，A、B两点分别是x位置上t时刻已知的两点，其H值和V值也是已知。线PA和PB的斜率分别为±a，线K1和K2称为特征线，式(1)和(2)称为相容性方程，特征线把X-t平面划分为两个不同解支配的区域，解沿特征线是可以不连续的，相容性方程的解即为常微方程的解。Flowmaster作为一元流体过渡性分析软件，其水锤分析基本原理即运动方程和连续方程，其解法之一即特征线法[4-5]。

图1 特征线法示意

1.2 模型的建立

广元昭化水电站位于广元市昭化镇境内，电站装设3台20 MW的灯泡贯流式机组。技术供水系统取水方式为流道取水，供水方式为离心泵加压供水，泵额定流量为190 m3/h，扬程为22 m。主要用水设备为6台发电机空气冷却器，2台轴承冷却器，冷却器用水量为15 m3/(h·台)，工作压力为0.2～0.25 MPa。利用一维流体分析软件Flowmaster以技术供水系统图为基础并结合相关图纸建立技术供水系统[6-9]。

2 稳态分析

2.1 设置稳态模拟条件

首次运行时将技术供水泵后阀门保持全开同时保持各空冷器进口阀门及轴承冷却器进口阀门开全开，且水泵以额定转速运行，仿真类型选择为“Incompressible Steay State”得到模拟结果，然后依次调节技术供水泵后阀门开度再进行模拟[10-11]。

2.2 稳态工况计算结果

因为水轮机运行工况较为复杂，所以取泵为额定流量时为最佳运行工况，因昭化水电站选择的泵额定流量为190 m3/h，由多次模拟可知在技术供水泵后阀门开度为0.12时较为符合其额定工况。(表1为开度泵后阀门开度分别为1、0.12、0.1时主要元件参数)但是此时空气冷却器与轴承冷却器流量大于其额定用水流量15 m3/h，轴承冷却器工作压力大于其额定工作压力0.2×105～0.25×105Pa。所以此时调节空气冷却器与轴承冷却器前阀门开度，经多次调整的到供水系统较为理想的运行工况，如表2所示。(1～6为空气冷却器，7～8为轴承冷却器)。

由表2知，在稳态运行较为理想的工况下空气冷却器与轴承冷却器流量仍然偏大，但此时泵的流量较为符合其额定流量且空气冷却器与轴承冷却器均符合工作压力。

2.3 稳态工况计算结果分析

通过稳态计算分析，可得到下述结论。该电站技术供水泵的配置不够合理，在泵出口阀全开情况下，其运行工况明显偏向大流量工况。当将泵出口阀关至0.12后，泵运行工况可得到明显改善，运行工况点基本处于额定工况点，但是此时轴承冷却器工作压力大于其额定工作压力0.25 MPa，此时调节空气冷却器与轴承冷却器前阀门开度，可得到其符合的工作压力。故从对技术供水系统安全运行的角度出发可选择泵后阀门开度为0.12，空气冷却器前阀门分别为1、0.5、0.4、0.3、0.4、0.5，轴承冷却器前阀门分别为0.5、1进行运行。若重新选择选配合适的供水泵，还可进一步改善其工作环境。

3 暂态分析

3.1 直接关闭技术供水阀暂态过程分析

电站技术供水管路系统一般会在主管上设置技术供水阀，来控制整个管路系统的投入和退出。有的电站就采用直接操作技术供水阀投入和退出技术供水系统。对于昭化水电站的技术供水系统，本节分析不停泵时直接关闭技术供水阀(电动阀)的暂态过程。为实现这一过程的仿真，需在计算模型中加一个控制器来控制电动阀的关闭。

仿真类型仍选择为“Incompressible transient”，仿真步长为0.01 s，仿真时间为50 s。将电动阀关闭时间暂设置为15 s，关闭规律为一段直线关闭[12-13]。

3.1.1直接关闭技术供水阀门暂态过程计算结果

经仿真计算，电动阀后节点压力变化如图2所示。

图2 15 s一段直线关闭电动阀后节点压力变化

由图可知，电动阀后节点压力会达到汽化压力，这必然导致电动阀门后发生液柱分离再弥合现象，空腔体积如图3所示，这种现象会对管路系统肯能造成危害。

图3 15 s一段直线关闭电动阀后节点空腔体积

鉴于此，故将关闭时间延长为30 s，重新仿真计算，结果如图4所示。

图4 30 s一段直线关闭电动阀后节点压力变化

由图4可见，虽然电动阀后节点压力有所改善但仍会达到汽化压力，产生空腔，对管路系统造成损害。

在前述计算分析基础上，将电动阀设置为两段关闭，第一段关闭时间设置为10 s，关闭电动阀90%；第二段关闭时间设置为20 s，关闭电动阀开度最后10%。电动阀后节点压力变化如图5所示，节点空腔体积如图6所示。

图5 30 s两段直线关闭电动阀后节点压力变化

图6 30 s两段直线关闭电动阀后空腔体积

由图5、6可知，技术供水阀后节点压力变化和一段直线关闭时相比已经有所改善，但仍会达到汽化压力，但此时空腔体积非常的小，基本可以忽律不计。

3.1.2直接关闭技术供水阀门暂态过程计算结果分析

由直接关闭阀门暂态结果可以知道，在不停泵情况关闭电动阀是非常危险的，特别是短时间以一段直线规律关阀。因此，建议尽量不采用此种方式。

从系统管路布置来看，由于电动阀后续管路较长，而且其所处高程较高，位于用水设备之上，因此，直接关闭电动阀会在阀后产生液柱分离现象。对于具有同类情形的技术供水系统需引起重视。

3.2 停泵后关阀暂态过程分析

3.2.1停泵后关阀暂态过程计算结果

从之前的模拟结果中可以看出，直接停泵对技术供水系统的运行来说是安全的，但是技术供水系统并未有效退出，而直接关闭技术供水阀是危险的。因此要保证技术供水系统安全有效的退出，应考虑采取先停泵后关阀的操作方式。本节对此种操作方式进行仿真计算。

计算条件设置为泵以额定转速运行2 s后停泵，在5 s时以30 s一段直线关闭电动阀。仿真步长为0.01 s，仿真时间为50 s。仿真计算结果如图7所示。

图7 30 s一段关闭电动阀后节点压力变化

从图7中可以看出，在电动阀接近全关时阀后有一定负压，最低值为0.35 bar，不会造成液柱分离。为进一步改善阀后节点压力，考虑采用两段关闭的操作方式。第一段关闭设置为10 s，关闭阀门开度90%，第二段关闭设置为20 s，关闭阀门开度最后10%。

仿真计算结果如图8所示。

图8 30 s两段关闭电动阀后节点压力变化

由图8可知，电动阀后节点压力在停泵后迅速降低，在5 s后阀门开始关闭，最终下降到0.92×105Pa。技术供水系统暂态过渡过程得到较好地改善。

3.2.2停泵后关阀暂态过程计算结果分析

采用先停泵后关阀的操作方式，技术供水系统是安全的。但需注意关阀时间，关阀速度不能太快，最好采用两段关闭规律关阀。

4 结 论

(1)对于稳态分析:发现用水设备的设计总用水量本身就低于泵额定流量，由此可以判断，设计阶段所选择的泵的型号流量偏大。如今广元昭化水电站已经投入使用，根据对电站实际运行情况的调查，技术供水泵出口阀门为全开，供水流量确实偏大。这是考虑到该流域河水夏季温度过高，故有意加大冷却水流量，以改善对机组的冷却效果。尽管泵的运行工况不太理想，泵流量过大，但此时泵也能够安全稳定的运行，从安全角度分析，尚无安全隐患。若不考虑运行费用的增加，可以维持现有运行方式。

(2)对暂态分析:直接关闭技术供水阀门，会造成管路中产生严重的液柱分离现象，这种情况会对管路和设备造成严重破坏，在水电站技术供水系统运行中是不允许的。在广元昭化水电站技术供水系统运行中，不能直接关闭技术供水阀。停泵后关阀时，采用一段关闭在电动阀后节点处不会造成液柱分离现象，所以并不会对电站安全造成威胁；在采用两段关闭的方式后，技术供水系统暂态过渡过程得到了更好改善。那么可以得出结论，在停泵后关闭电动阀是安全的，但是要注意关阀时间和操作方式，采用两段关闭的方式更加安全。据了解，电站真实运行情况为先停泵后关阀方式与作者分析的第二种方式一致，因此电站所采取的操作方式是安全的。若需要进一步改善技术供水系统暂态水力过渡过程，建议在电动阀后装设空气阀。