水力機組甩負(fù)荷時基于根治抬機目標(biāo)的轉(zhuǎn)輪室水體運動控制探索

1． 前言 水輪發(fā)電機組甩負(fù)荷后，為防止出現(xiàn)超臨界轉(zhuǎn)速要求導(dǎo)水葉快速關(guān)閉，造成過水流量急劇下降導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪室-尾水管段產(chǎn)生水擊，反向水推力大于機組轉(zhuǎn)動部分重量時發(fā)生抬機，抬機下落碰撞產(chǎn)生沖擊應(yīng)力應(yīng)變，對機組結(jié)構(gòu)具有破壞力，須予以治理。傳統(tǒng)治抬措施存在原理性缺陷，但可總結(jié)得失并借鑒創(chuàng)新。抬機的根本癥結(jié)是轉(zhuǎn)輪室水擊，我們要探索機組甩負(fù)荷后轉(zhuǎn)輪室水體會怎樣運動；探索這一水體運動如何得到控制；探索如何時刻維持轉(zhuǎn)輪室與甩負(fù)荷前穩(wěn)定流狀態(tài)一致；探索如何建立氣阻消除轉(zhuǎn)輪室-尾水管段水擊，使機組甩負(fù)荷抬機得到根本治理。研究與控制水力機組甩負(fù)荷時轉(zhuǎn)輪室水體運動形成科學(xué)治理抬機措施對保證水力機組設(shè)備安全、延長其發(fā)電壽命、提供更多優(yōu)質(zhì)電能具有重要意義。 水力機組超臨界轉(zhuǎn)速又稱為最大允許飛逸轉(zhuǎn)速，其值ncr=30/π×{GJp(J1＋J2）/LJ1J2}1/2(rpm),式中G為軸的扭轉(zhuǎn)彈性系數(shù)、Jp為軸的極慣性矩=π/32×{外徑4－內(nèi)徑4}、J1為轉(zhuǎn)輪慣性矩=（軸流）{轉(zhuǎn)輪體重量×轉(zhuǎn)輪體重心半徑2＋葉片重量×葉片重心半徑2}/g、J2為轉(zhuǎn)子慣性矩=G2D22/2g、L為機組主軸的換算長度。 2．立論依據(jù) 18世紀(jì)中葉，由伯努力、歐拉等科學(xué)家從數(shù)學(xué)、力學(xué)的角度進行研究，形成了“水動力學(xué)”的系統(tǒng)理論；而牛頓、納維、斯托克斯等科學(xué)家為流體方程添加了液體的粘滯力；而今我國有工程實踐人員[1]證實特定條件下空氣阻礙水流運動甚于水的粘滯力，事實上，我國水力發(fā)電運行實踐中早就發(fā)現(xiàn)在不同位置適度“補氣”分別有利于減輕翼型與空腔汽蝕、有利于減緩機組振動、有利于防治水力機組抬機。 材料力學(xué)理論與實踐證明：沖擊過程中，沖擊物所減少的動能ΔT和勢能ΔV之和應(yīng)等于被沖擊物所增加的彈性應(yīng)變能ΔE，而且作用與反作用同時存在，沖擊應(yīng)變會朝沖擊應(yīng)力方向傳遞，遇薄弱斷面時如超允許應(yīng)力應(yīng)變就會發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞。水力機組甩負(fù)荷抬機后，下落過程中鏡板將撞擊推力瓦而產(chǎn)生沖擊應(yīng)力應(yīng)變，傳遞至主軸卡環(huán)凹處時結(jié)構(gòu)極易破壞，治理水輪機組甩負(fù)荷抬機具有十分必要性。 而水力機組甩負(fù)荷抬機的發(fā)生源于導(dǎo)水葉快速關(guān)閉進程中轉(zhuǎn)輪室-尾水管段產(chǎn)生水擊，反向水推力大于機組轉(zhuǎn)動部分重量時發(fā)生抬機。這一點，原來認(rèn)識受前蘇聯(lián)影響較多，我國該類設(shè)計手冊[2]和教科書[3]不定量描述為：導(dǎo)葉關(guān)閉時，原已在轉(zhuǎn)輪室的水流在慣性作用下繼續(xù)向尾水管出口流動，出現(xiàn)真空現(xiàn)象，又倒流形成反水錘。基于這種理念產(chǎn)生了有原理性缺陷的傳統(tǒng)治理抬機的措施[4]：即強迫式真空破壞閥（進氣位置處頂蓋下轉(zhuǎn)輪室四周壓力較高區(qū)，能進氣量很?。?、自吸式真空破壞閥（動作時已形成大真空度，水擊波在0.05～0.1秒后返回，入氣位置雖佳仍進氣極少）、兩段關(guān)閉導(dǎo)水葉法（解決壓力鋼管水壓上升與機組轉(zhuǎn)速上升矛盾同時兼顧治理抬機亦不能消除轉(zhuǎn)輪室-尾水管段水擊，對有些機組有些效果[5]對葛洲壩等無效[6]）。過去在壓力鋼管段較好地應(yīng)用了水擊波理論，而小視了短而粗的轉(zhuǎn)輪室-尾水管段發(fā)生水擊，事實上尾水管水擊也可產(chǎn)生巨大破壞力。水力機組甩負(fù)荷抬機輕則減短設(shè)備壽命、重則破壞機組結(jié)構(gòu)，危害嚴(yán)重，文獻(xiàn)[7]中指出了四個案例。此外抬機的危害性還會在發(fā)電機勵磁電刷處表現(xiàn)。 3．治理甩負(fù)荷抬機的思路 3．1　目標(biāo)、內(nèi)容和關(guān)鍵問題 本項目研究目標(biāo)是怎樣控制水力機組甩負(fù)荷時轉(zhuǎn)輪室水體運動使轉(zhuǎn)輪室-尾水管段在機組甩負(fù)荷時不發(fā)生水擊，從而不發(fā)生抬機，為發(fā)電設(shè)備安全提供服務(wù)。首先俄國科學(xué)家儒可夫斯基等論述了水擊現(xiàn)象[8]：H1A-H0=c/g×（v0-v1)；ξmA=σ/2×[（σ2+4）1/2±σ]≈2σ/（2－σ），σ=Lvmax/gH0Ts。1987年湖南省巖屋潭水電站引水鋼管、1995年長沙市第五自來水廠之源水管發(fā)生的爆裂實證了水擊力大無窮，過去受前蘇聯(lián)專家的影響把注意力完全放在處理水電站引水鋼管段的可能危險了，此段重要些，調(diào)保計算就是抓這一主要矛盾的，無可非議。的確轉(zhuǎn)輪室-尾水管這節(jié)很短（三峽僅50米），彎肘的、斷面由圓漸變?yōu)榉角覞u擴，進行甩負(fù)荷后轉(zhuǎn)輪室-尾水管水體運動數(shù)學(xué)分析有一定難度，以致于無視尾水管段水擊存在，導(dǎo)致用牛頓慣性力學(xué)尋找治理甩負(fù)荷抬機的措施，真空破壞閥失敗[3]，焊箍卡住更是無奈，它們沒能戰(zhàn)勝有穿石之功的水力。還有一個管流摻氣問題，伯努利沒談、斯托克斯也沒講，但我國水電人卻在實踐中發(fā)現(xiàn)了“補氣”的妙用：防空化、減振動、治抬機（但要注意時機與位置都有差異，不可混淆），前不久翁先生跑到清華做實驗，提出“氣阻”概念，它在治理抬機中是個有益因素，就象“電阻”抑止振蕩、“摩擦”讓汽車奔弛一樣有益。其次，抬機造成沖擊應(yīng)力應(yīng)變，次數(shù)不多、力度不大或許能在彈性范疇，但注意沖擊應(yīng)力應(yīng)變能夠傳遞，遇薄弱斷面處將積累“傷痕”，量變朝質(zhì)變發(fā)展，斷軸事故有案可查，抬機的癥結(jié)需要我們清醒認(rèn)識，解決的唯一途徑就是對癥下藥，及時補氣消除轉(zhuǎn)輪室-尾水管段水擊，文獻(xiàn)[3]已談到了這一點，須注意水擊波速在1000m/s左右，為達(dá)成控制目標(biāo)仍需對甩負(fù)荷后轉(zhuǎn)輪室水體運動的流場旋場、空間狀態(tài)、壓強分布等細(xì)節(jié)進行研究，文獻(xiàn)[6]試圖用可編程序控制器在適宜位置做到較完美的及時補氣，試圖實施近乎瞬時的并且永遠(yuǎn)先進的PID控制，目的是根治水力機組甩負(fù)荷抬機。其三,我們要解決的關(guān)鍵問題是怎么在甩負(fù)荷情況下控制轉(zhuǎn)輪室尾水管內(nèi)水體運動，這是什么樣的控制系統(tǒng)呢？能辨識嗎?古典控制理論之根軌跡法、頻率響應(yīng)法僅解決單輸入-單輸出系統(tǒng)線性定常系統(tǒng)，用狀態(tài)空間分析法又怎樣入手呢？動力學(xué)系統(tǒng)在時間t的狀態(tài)是由t0時的狀態(tài)和t≥t0時的輸入確定，而它與t0前的狀態(tài)和輸入無關(guān)。哪些狀態(tài)變量能足夠描述動力學(xué)系統(tǒng)呢？可觀測嗎？看來需要一變復(fù)雜為簡單的智慧，李雅普諾夫、克拉索夫斯基或許能提供點靈感，當(dāng)然沒有長期的關(guān)注與腦力分析是得不出簡單結(jié)論的。其四，技術(shù)手段很重要，1994年借鑒長湖時間繼電器延時補氣提出不延時自動補氣，那個電氣控制電路的設(shè)計簡單巧妙已有應(yīng)用價值，凝聚了多年的心血?，F(xiàn)在可用可編程控制器，更簡單了。雖然取得了一定成效，但仍需進行深入的理論證明與探索，更好地把握本質(zhì)，使治理抬機有正確的理論支撐。 3．2 項目的來歷 1980年代，筆者注意到國家水力發(fā)電設(shè)計手冊和教科書描述抬機為：甩負(fù)荷導(dǎo)葉關(guān)閉時，原已運動在轉(zhuǎn)輪室的水流在慣性作用下繼續(xù)向尾水管出口流動，出現(xiàn)真空現(xiàn)象，又倒流形成反水錘，這是不定量的輕描淡寫，為什么有的機組有抬機現(xiàn)象而有的沒有呢？真空破壞閥、兩段關(guān)閉導(dǎo)葉法調(diào)保兼治抬有效嗎？長湖用時間繼電器延時補氣治理抬機寫進了國家水利電力部設(shè)計手冊，但太遠(yuǎn)無資金去不了，白魚潭抬機嚴(yán)重，85年8月、86年4月去時都沒遇上，1988年底帶學(xué)生實習(xí)到紅巖，耄耋老人向筆者談起當(dāng)年3月4#機甩負(fù)荷主軸卡環(huán)凹處斷裂一邊、發(fā)電機毀損事故，筆者當(dāng)時心中立即根據(jù)水力、電路、控制三個源頭理論及水電機組細(xì)微結(jié)構(gòu)判定系甩負(fù)荷時水輪機抬機所致，真空破壞閥怎么失效？答：c=1435/（1+KD/Eσe(1+9.5α0））1/2{或1435/（1+KDc2/Ee)1/2約1000m/s[7]，能進氣之時間極短！1988年7月葛洲壩14#機甩負(fù)荷后抬機25mm[5]，葛洲壩機組設(shè)有四只φ500mm的強迫式真空破壞閥，還同時采用1980年代初期華中工學(xué)院成果兩段關(guān)閉導(dǎo)葉法調(diào)節(jié)保證兼治抬，可見這些方法存在缺陷。1990年，低水頭（32.3～22～15m）大直徑（8.5m）大流量（556）的江西萬安投運了，筆者沒有載波電話就寫平信問情況，回答“微抬”，并得知其真空破壞閥直徑與葛洲壩同樣為500mm，1993年筆者歸納寫成《水輪機防抬措施探討》，分析了甩負(fù)荷抬機的根本癥結(jié)系尾水管段水擊，源頭性分析了傳統(tǒng)治抬各種策略的原理性缺陷并創(chuàng)新性提出水輪機抬機判據(jù)、水力機組轉(zhuǎn)動部分相對重量的概念，還把長湖延時補氣方案修改為不延時自動補氣，設(shè)計了巧妙、簡單的電氣控制電路，1996年冀姚莊采用并取得好效果。此后一直想搞個多段或曲線關(guān)閉導(dǎo)葉的方案，由于無計算機輔助，無法實施。到本世紀(jì)2005年，筆者初步寫成《用PLC根治水力機組甩負(fù)荷抬機》，這次調(diào)整了控制目標(biāo)：變成恒水壓PID控制。技術(shù)粗糙時代，抬機十分頭疼，隨著高精度新技術(shù)的出現(xiàn)，棘手問題有了曙光，我們要做的應(yīng)當(dāng)是追本溯源用高新技術(shù)去滲透處理解決水力發(fā)電生產(chǎn)中有一定普遍性的傳統(tǒng)問題。 3．3 反思與前景 本項目的研究有以下幾個特點，一是涉及到水動力學(xué)、材料力學(xué)、機械科學(xué)（依動作原理否定真空破壞閥方案）、現(xiàn)代控制論、氣動力學(xué)、電氣控制技術(shù)（含電動力學(xué)）與電子控制器技術(shù)等多個學(xué)科，有意思的是水動力學(xué)竟相似于電動力學(xué)，比如渦線類似通電導(dǎo)線、旋渦強度類似電流強度、速度場類似磁場。二是否定了用牛頓慣性力學(xué)分析尾水管大擾動情況下之非穩(wěn)定流，指出了短管中也存在每秒千米速的水擊波，這是水流運動的深層本質(zhì)，也是抬機的根本原因，當(dāng)然旋渦能的影響還需探索。三是控制對象是一流場、旋渦場俱存、總體轉(zhuǎn)向、斷面漸大且由圓變方的短管流水體，其復(fù)雜性非同一般，但可通過壓強分布分析知道了補氣的理想位置，順便指出，甩負(fù)荷后只要補氣及時，水擊波返回后可由“氣墊”緩沖。四是控制目標(biāo)與控制策略幾度變化，在原國家水利電力部時代，是一種經(jīng)驗“補氣”，是水電工程實踐人員一種經(jīng)驗措施，總之是有實際治抬效果的，但只作了符合慣性力學(xué)的粗略解釋，這是一種開環(huán)式的、瞎子摸象式的填充，所以有的水電廠（站）細(xì)節(jié)不正確而治抬失敗，須知細(xì)節(jié)決定成敗，在這一時代筆者已開始琢磨“補氣”妙、怎樣更妙的問題；在國家能源部水利部時代，筆者樹立“尾水管水擊”的概念，繼承傳統(tǒng)、推陳出新地提出把原國家水利電力部設(shè)計手冊之長湖時間繼電器延時補氣實行揚棄并創(chuàng)新，在甩負(fù)荷時由電氣控制電路立即不延時啟動電動補氣閥，實現(xiàn)了機械控制向電氣控制的轉(zhuǎn)化，控制策略是模糊式的，靠硬件粗略維持進氣量與關(guān)導(dǎo)葉進程中轉(zhuǎn)輪室水流量減小值；跨入新世紀(jì)，由于可編程控制器逐漸普及，這種新型電子裝置的PID運算保證控制系統(tǒng)的高調(diào)節(jié)品質(zhì)，正因為動力學(xué)系統(tǒng)在時間t的狀態(tài)