CN105804030A - 一种整定爆破膜启爆压力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种整定爆破膜启爆压力的方法，揭示了对爆破膜启爆压力起决定性作用的三个主要因素，并定性的推导出爆破膜启爆压力的整定方法，对于设置多级爆破膜的水电站，给出了各级爆破膜启爆压力的整定原则。本发明在采用爆破膜作为水锤防护措施的水电站工程设计中可以提供理论基础，便捷的用于爆破膜的设置，而省略繁琐的过渡过程数值模拟计算，从而完善中小型水电站采用爆破膜作为水锤防护措施的设计技术体系，具有非常大的应用前景。

Description

一种整定爆破膜启爆压力的方法

技术领域

本发明涉及一种整定爆破膜启爆压力的方法，属于水利水电工程领域。

背景技术

调压室的功用是缩短压力管道或尾水管道的长度，优化增减负荷时的各种特征参数指标，对提高电站的运行安全性、供电质量有着不可忽视的作用。但调压室一般尺寸较大，造价较高，尤其地下式电站对围岩稳定和支护影响较大。有时受到地形地质条件的限制，亦难以在合适的位置建造调压井。对于中小型水电工程来说，由于其水道较长、水体惯性较大，极易发生直接水锤事故，故对于这一类中小型电站为降低工程造价，满足调保要求，采用爆破膜方案取代调压井方案(即“以膜代井”方案)具有较明显的优势，因而在国内外一些长引水管道的中小型电站上，爆破膜得到了普遍应用。爆破膜是用机械装置代替调压井的一项研究成果，其工作原理是：将一组经过严格计算、准确制造加工的金属膜片，安装在压力管道末端，作为人为给定的薄弱环节(如图1所示)。当机组突然甩负荷，水压力上升达到整定值时，膜片爆破，泄放流量，压力下降。如果泄量不够，随着导叶的继续关闭，水压力再次上升，当达到整定的爆破压力时，又有其他膜片相继爆破，泄流面积增大，使整个引水系统各部分的水压力均控制在允许值以内。由于水压力得到有效控制，导叶关闭时间可缩短，从而使机组的转速升高亦控制在允许值以内。一般情况下，爆破膜结构如图1所示，包括压力钢管1和支管2，在支管末端设置爆破膜3并用螺栓等紧固件4将爆破膜固定。

但目前爆破膜设置相关技术体系还不够完善，限制了爆破膜防护措施的应用。其中，爆破膜启爆压力的整定就是爆破膜设置技术体系中的一个薄弱环节。爆破膜的启爆压力是指作用在爆破膜孔口的测压管水头差达到了膜片的极限值而爆破的压力值，启爆压力的整定则是确定这个压力值并为厂家提供设计依据的工作。爆破膜的启爆压力是正确设置爆破膜调保措施的一个极为重要参数，但前人所作的研究中，并没有对这个问题太过重视，亦没有给出相应的整定方法或准则，大多认为爆破膜的爆破压力应小于设计规定的蜗壳压力，但仅仅凭启爆压力H_B小于规定的蜗壳压力这一非常粗略的条件是不足以正确整定出启爆压力的。并且，爆破膜不能同级备用，即如果设置多片爆破膜，各爆破膜的爆破压力一致，其效果相当于设置直径更大的爆破膜，启爆后产生的负压波传至上游可能造成上游压力隧洞失事。显然，如若启爆压力整定出错，则会影响爆破膜的水锤防护效果，甚至给将来应用此项不成熟技术的电站埋下安全隐患。

发明内容

针对当前爆破膜设置技术体系中存在的理论缺陷，爆破膜启爆压力的整定这一关键性问题，本发明旨在对爆破膜启爆压力整定起决定性的几个因素进行了研究，并定性的给出启爆压力大小的整定方法，可便捷的用于爆破膜的设置，而省略繁琐的过渡过程数值模拟计算，从而完善中小型水电站采用爆破膜作为水锤防护措施的设计技术体系。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

步骤一，确定爆破膜启爆压力的主要影响因素；

步骤二，推导爆破膜启爆压力整定的计算公式；

步骤三，整定各级爆破膜启爆压力。

具体地，所述步骤一中影响爆破膜启爆压力的三个主要因素分别为：(1)升压波传至爆破膜及降压波传至机组过程中的水头损失；(2)设升压波传至爆破膜的时间t₁，爆破膜爆破后产生的降压波传至机组的时间t₂，在t₁+t₂时间内蜗壳末端的压力上升值；(3)由膜片制作工艺及误差所需留有的安全裕量。

具体地，所述步骤二中爆破膜启爆压力整定的计算公式为

$H_1=H_{max}+h_{f0}-2\frac{{\mathrm{kL}}_1}{a_1}-\[H\]$

其中，H₁为爆破膜最高一级的启爆压力；H_max为规定的蜗壳末端最大压力；h_f0为恒定状态下爆破膜至机组总的水头损失；[H]为留有的安全裕量，其取值可根据膜片制作工艺及误差而定；L₁为爆破膜位置距机组的距离；a₁为水锤波的波速；k为初始阶段水锤压力上升斜率。

具体地，爆破膜不能同级备用，在设置多级爆破膜时，低一级的启爆压力应比高一级的小一安全值，所述步骤三中各级爆破膜启爆压力的整定方法为

H₁′＝H₁-a，H₁″＝H₁′-aL

其中，a为各级启爆压力间的安全差值；H₁′为第二级启爆压力；H₁″为第三级启爆压力；...

上述爆破膜启爆压力的影响因素及启爆压力的整定方法推算过程如下：

根据水力学的相关知识，机组正常运行的恒定流状态下，任一时刻都有

H_C＝H_B-h_f(1)

式中，H_C为阀门(或机组)节点处的测压管水头；H_B为爆破膜安装节点处的测压管水头；h_f为阀门(或机组)节点至爆破膜节点间的水头损失。故爆破膜启爆压力的整定首先需考虑水头损失的影响。

其次，在机组事故甩负荷后，蜗壳末端压力随着导叶的关闭急速上升，且产生的升压波源源不断的向爆破膜传去，当传至爆破膜前的测压管水头达到整定的启爆压力时，爆破膜爆破泄水降压(见图2)。因此，在升压波及降压波传播的过程中，蜗壳末端的压力上升需纳入考虑范围。

再者，考虑到爆破膜片制作工艺和材料均匀性的差别以及公式整定的误差，启爆压力的整定亦需留有一定的安全裕量。

综上所述，爆破膜的启爆压力至少由以下三因素决定：(1)升压波传至爆破膜及降压波传至机组过程中的水头损失(压力衰减忽略不计)；(2)设升压波传至爆破膜的时间t₁，爆破膜爆破后产生的降压波传至机组的时间t₂，在t₁+t₂时间内蜗壳末端的压力上升值；(3)留有一定的安全裕量。因此，有

H_max+h_f＝H₁+ΔH+[H](2)

式中，H_max为规定的蜗壳末端最大压力；H₁为爆破膜启爆压力；[H]为留有的安全裕量，其取值可根据膜片制作工艺及误差而定；h_f为非恒定状态下的水头损失，包括沿程水头损失和局部水头损失，主要是三岔管及阀门处的局部水头损失，可由恒定状态下的水头损失近似计算，设恒定状态下爆破膜至机组总的水头损失为h_f0，则h_f＝h_f0；ΔH为t₁+t₂时间内蜗壳末端的压力上升值，由爆破膜位置距机组的距离L₁、波速a₁及压力上升斜率k共同决定，故

$\mathrm{\Δ}H=2\frac{{\mathrm{kL}}_1}{a_1}---\left(3\right)$

2L₁/a₁一般小于2s，故在此时间段内，蜗壳末端的压力上升可近似认为是直线上升的。

联立式(2)及式(3)可得

$H_1=H_{max}+h_{f0}-2\frac{{\mathrm{kL}}_1}{a_1}-\[H\]---\left(4\right)$

式(4)即为爆破膜启爆压力整定的近似估算公式。

另外，虽然爆破膜能够在瞬间解决管道压力过大的问题，但同时也带来了一个非常严峻的问题，由于爆破膜是瞬间启爆，类似于管道发生爆管事故，如设置不当将在管道产生直接负水锤，爆破膜虽然保护了机组附近管道系统，但对远离机组的管道，尤其是上游的压力隧洞，初始工作压力较低，一旦不能有效消除爆破膜启爆时产生的负压，就可能造成上游压力隧洞失事。故爆破膜的膜片直径不宜过大，不能同级备用，即当安装一片爆破膜能够满足要求时，不能再加装一个同样启爆压力的膜片作为备用，且不可随意增加膜片数量。在实际工程中，一般设置一片爆破膜是不够的，公式(4)实际上确定的是最高一级的爆破膜启爆压力，低一级的启爆压力应比高一级的小一安全值a，此值宜根据膜片的制造工艺确定，即

H₁′＝H₁-a，H₁″＝H₁′-aL(5)

有益效果：本发明对比已有技术，揭示了影响爆破膜启爆压力的三个主要因素，成功地给出了爆破膜启爆压力的整定方法。本发明在采用爆破膜作为水锤防护措施的水电站工程设计中可以提供理论基础，便捷的用于爆破膜的设置，而省略繁琐的过渡过程数值模拟计算，从而完善中小型水电站采用爆破膜作为水锤防护措施的设计技术体系，具有非常大的应用前景。

附图说明

图1为爆破膜布置简图；

图2为爆破膜启爆降压原理图；

图3为本发明实施例某实际电站输水系统布置简图；

图4为本发明实施例选定方案(膜径0.20m)蜗壳末端及各爆破膜前压力变化过程；

图5为本发明实施例不同启爆压力设置下A点水锤压力变化过程线。

图中：压力钢管1，压力支管2，爆破膜3，螺栓等紧固件4，上游水库5，上游闸门井6，上平段末7，水轮机组8，下游水库9。

具体实施方式

图3为国内某实际电站输水系统布置简图，图中依次布置有上游水库5，上游闸门井6，上平段末7，压力钢管1，压力支管2，爆破膜3，水轮机组8，下游水库9。该电站采用“一洞两机”的布置型式，基本参数为：装机容量为2×3.125MW，额定水头183.00m，额定流量2.085m³/s，额定转速1000r/min；引水管道直径1.80m，引水道长约6578.82m，支管直径0.7m，长47.6m，爆破膜支路管径0.7m，长约20.0m。上库最高水位1467.98m，正常蓄水位1467.60m；下库正常尾水位1271.23m，最低尾水位1270.68m。机组9s一段直线关闭，现采用爆破膜作为调节保证措施。根据相关设计规范，采用爆破膜时的调节保证计算控制标准为：输水管路中沿程最小压力大于2.0m；机组最大转速上升率不超过额定转速的55.0％；蜗壳最大压力控制值H_max＝255.0m。

爆破膜不动作的前提下，爆破膜前初始压力H_B0＝199.08m，1#(2#)机组蜗壳末端初始压力H_C0＝183.25m，t＝4s内机组蜗壳末端压力升至H_C1＝283.69m，压力波从机组传至爆破膜所需时间约t₁＝0.6s。则

h_f0＝H_B0-H_C0＝199.08-183.25＝15.83m

ΔH＝2(H_C1-H_C0)t₁/t＝2×(283.69-183.25)×0.6/4＝30.13m

若不考虑预留裕量，则基于上述计算结果，利用式(4)便可得到爆破膜最高一级的启爆压力

H₁＝H_max+h_f0-ΔH-[H]＝255.0+15.83-30.13＝240.7m

设预留裕量[H]＝0.7m，则

H₁＝240.7-0.7＝240.0m

考虑膜片间安全值a＝5.0m，则第二级，第三级…爆破压力有

H₁′＝H₁-a＝240.0-5.0＝235.0mH₁″＝H₁′-a＝235.0-5.0＝230.0m…

表1给出了按照传统爆破膜启爆压力设置和按照本发明设置启爆压力下的计算结果。当将4片0.2m的爆破膜启爆压力均整定为240.0m时，4片爆破膜同时启爆会产生相当大的负压波，由于隧洞A点初始压力较低，使得A点的最低压力达到-31.15m(此时水体早已汽化)，从而导致隧洞失事坍塌。而若按照本发明所述方法设置，则即能保证机组处的最大压力及转速满足调保要求，也能保证整个输水管道最小压力满足要求，结果如图4～图5所示。相应计算结果说明，爆破膜不可同级备用，各级启爆压力之间应存在一差值，避免所设置的爆破膜同时启爆，产生过大的负压波，造成上游引水隧洞失事。

表1不同爆破膜启爆压力设置及关键参数计算结果

注：A点为输水系统出现最小压力的上平段末节点。

以上结合附图对本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的普通技术人员而言，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种整定爆破膜启爆压力的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一，确定爆破膜启爆压力的主要影响因素；

步骤二，推导爆破膜启爆压力整定的计算公式；

步骤三，整定各级爆破膜启爆压力。

2.根据权利要求1所述的一种整定爆破膜启爆压力的方法，其特征在于：所述步骤一中影响爆破膜启爆压力的三个主要影响因素分别为：1、升压波传至爆破膜及降压波传至机组过程中的水头损失；2、设升压波传至爆破膜的时间t₁，爆破膜爆破后产生的降压波传至机组的时间t₂，在t₁+t₂时间内蜗壳末端的压力上升值；3、由膜片制作工艺及误差所需留有的安全裕量。

3.根据权利要求1所述的一种整定爆破膜启爆压力的方法，其特征在于：所述步骤二中爆破膜启爆压力整定的计算公式为

$H_1=H_{max}+h_{f0}-2\frac{{\mathrm{kL}}_1}{a_1}-\[H\]$

其中，H₁为爆破膜最高一级的启爆压力；H_max为规定的蜗壳末端最大压力；h_f0为恒定状态下爆破膜至机组总的水头损失；[H]为留有的安全裕量，其取值根据膜片制作工艺及误差而定；L₁为爆破膜位置距机组的距离；a₁为水锤波的波速；k为初始阶段水锤压力上升斜率。

4.根据权利要求1所述的一种整定爆破膜启爆压力的方法，其特征在于：爆破膜不能同级备用，在设置多级爆破膜时，低一级的启爆压力应比高一级的小一安全值，此安全值宜根据膜片的制造工艺确定。

5.根据权利要求4所述的一种整定爆破膜启爆压力的方法，其特征在于：所述步骤三中各级爆破膜启爆压力的整定方法为

H₁′＝H₁-a，H₁″＝H₁′-aL

其中，a为各级启爆压力间的安全差值；H₁′为第二级启爆压力；H₁″为第三级启爆压力。