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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

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

2007/1/17 9:01:00
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)
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