CN112560242A - 一种提前判断水电站进水球阀泄漏导致管道自激振荡的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及的一种提前判断水电站进水球阀泄漏导致管道自激振荡的方法，本发明首先对水电站进水球阀进行数值模拟仿真，模拟水电站进水球阀在有微小漏水时，20s内密封上游侧压力脉动变化；同时通过压力脉动传感器时刻监视现实球阀密封上游侧压力脉动值，并将实测值与仿真模拟得到的球阀泄漏时密封上游侧压力脉动值进行对比，若发现20s内实测压力值与模拟值保持同样振荡趋势与幅值变化趋势，出现压力脉动快速振荡扩大的波形，则表明水电站进水球阀已经产生泄漏并导致了管道自激振荡，应尽快采取相应措施，以免使得自激振荡扩大，产生破坏性结果。本发明方法简单，操作智能，在监测水电站进水球阀泄漏和管道自激振荡上有广泛的应用前景。

Description

一种提前判断水电站进水球阀泄漏导致管道自激振荡的方法
技术领域
本发明属于工程施工技术领域，特别是涉及一种提前判断水电站进水球阀泄漏导致管道自激振荡的领域。
背景技术
在工程项目中，压力引水管道中的水力振动，其发生原因在于管道下端所安装的球阀密封无法正常工作，类似于在管道中安装了具有弹性阻尼作用的阀体，由于水压变化而产生间歇的动作，由此引起管道内的水压振荡。若这一振荡频率与管道系统的主振频率或某个谐振频率相近，则引水系统管道内发生大范围共振。考虑到共振能量来自于水压变化自身，这种共振现象一旦开始就会经久不息。在这种情况下,管系统形成一个驻波，压力节点在水库水面，压力始发点在球阀处，振荡的全振幅在理论上可达到正常水压两倍。因此，如何在自激振荡发生之初，尽快发现并采取相应措施防止自激振荡压力进一步扩大显得尤为重要。
中国专利ZL.201721223477.1中涉及一种球阀泄漏检测装置，体积小，且能够有较长的使用期限，但其对球阀结构要求苛刻单一，只能检测单一的球阀类型，且不能判断是否会导致管道自激振荡。中国专利ZL.95241521.6中涉及一种球阀泄漏自动监测器，该装置能够自动报警，且能够针对各种类型球阀。但是其仍然无法判断是否会导致管道自激振荡。
综上所述，国内急需一种结构简单、操作方便且能提前判断球阀是否漏水以及是否导致管道自激振荡的设备及方法。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的不足而提供一种提前判断水电站进水球阀泄漏导致管道自激振荡的方法，
一种提前判断水电站进水球阀泄漏导致管道自激振荡的方法，其特征在于首先通过对水电站进水球阀进行数值模拟仿真试验，模拟水电站进水球阀在有微小漏水时，设定时间长度内密封上游侧压力脉动变化，水电站进水球阀数值模拟仿真试验步骤如下：
步骤1：模型建立：根据球阀结构图建立球阀及上下游管道三维模型；球阀关闭状态下，将球阀三维模型密封处留有微小间隙；所述微小间隙一般比球阀密封间隙大2mm以上，并接近2mm；
步骤2：网格划分：将步骤1中建立的三维模型，导入网格划分软件ICEM中进行结构化网格划分，生成计算流体软件fluent可以使用的mesh文件；
步骤3：数值计算：将步骤2中的mesh文件导入计算流体软件fluent中后，(1)定义边界条件，上游进口管道为正常水压进口，下游为自由出流；(2)选定算例所需湍流模型为大涡模拟；(3)设置水电站进水球阀密封上游侧监视点，监视其压力脉动值，其中监视点数量不少于2个，两个监视点互为备用；(4)设置时间步长和球阀过流时间，时间步长优选小于机组旋转周期的1/2；
步骤4：结果分析：对过流时间内，水电站进水球阀密封上游侧的监视点压力脉动值进行记录，同时绘制成曲线，作为水电站进水球阀有微小渗漏时的报警参考曲线值。
对现实水电站进水球阀密封的上游侧设置压力脉动传感器，通过压力脉动传感器时刻监视现实进水球阀密封上游侧压力脉动值，并将现实球阀密封上游侧压力脉动值与步骤(4)得到的报警参考曲线值对比，若发现对比时间段内现实球阀密封上游侧压力脉动值与报警参考曲线值保持同样振荡趋势与幅值变化趋势，出现压力脉动快速振荡扩大的波形，则表明水电站进水球阀已经产生泄漏并导致了管道自激振荡，应尽快采取相应措施，以免使得自激振荡扩大，产生破坏性结果。
在采用上述技术方案的基础上，本发明还可采用以下进一步的技术方案，或对这些进一步的技术方案组合使用：
现实水电站进水球阀密封上游侧压力脉动值的测量方法如下：
步骤1：将压力脉动传感器放置于水电站进水球阀密封上游侧，监测其水体压力脉动值；具体定位与数值模拟仿真试验中步骤(3)监测点定位一致；
步骤2：将压力脉动传感器数据传送至压力脉动接收装置。
所述的压力脉动传感器需能测量正压和负压，且量程需是水电站进水球阀上游侧水体压力的2-3倍；所述的压力脉动传感器设置不低于两个测点。
压力脉动传感器与压力脉动接收装置连接，所述的压力脉动接收装置需能将压力脉动传感器传输的电信号转化为压力信号，并在显示屏上打印，且打印数值能自动生成连续的曲线；所述的现实球阀密封上游侧压力脉动值与步骤(4)得到的报警参考曲线值对比采用所述自动生成连续的曲线与报警参考曲线值对比。
水电站进水球阀数值模拟仿真试验步骤(4)设置时间步长为0.01s，本发明的设定时间长度(即球阀过流时间)可仅为数十秒即可用于所述的提前判断，比如仅模拟运行20s，数据量小，能够在工程实际中实时运用。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
第一，本发明的判断方法能够提前判断水电站进水球阀是否泄漏导致管道自激振荡，指导电站运行人员在泄漏及压力增大的初期采取相应措施，来避免由于球阀渗漏引起下游钢管自激振荡进一步扩大，导致压力钢管损坏；
第二，本发明的方法系统简单易实现，且适用于各种类型的带进水球阀的水电站。
附图说明
图1是本发明判断水电站进水球阀泄漏导致管道自激振荡方法的系统示意图。
图2是本发明提出的球阀内部测点位置(上游侧)的示意图。
图3为本发明实施例的试验对象进水球阀的三维模型示意图。
图4进水球阀全流道三维模型示意图。
图5是本发明实例中的2s内显示屏上显示的球阀上游侧密封压力脉动值。
具体实施方式
结合图1-图2，本发明提出的一种提前判断水电站进水球阀泄漏导致管道自激振荡的方法，其试验系统包括压力脉动传感器1、压力脉动接收装置2和显示屏3。所述的压力脉动传感器1需能测量正压和负压，且量程需是水电站进水球阀100上游侧水体压力的2-3倍；所述的压力脉动传感器1设置不少于两个测点A，测点位置处在进水球阀密封上游侧并安装所述压力脉动传感器1，具体定位与前期数值模拟仿真试验监测点一致；所述的压力脉动接收装置2需能将压力脉动传感器传输的电信号转化为压力信号，并在显示屏3上打印，且打印数值能自动生成连续的曲线。
以下以某国内某水电站进水球阀为例进一步详细说明本发明提出的一种提前判断水电站进水球阀泄漏导致管道自激振荡的方法。该水电站的进水球阀的设计参数为：球阀通径2m，双面止水。该水电站上游侧最大水压：9.1MPa。试验系统按照上述方案，所用压力脉动传感器测量范围是：-20～20MPa。
具体过程如下：
(1)根据球阀结构图建立水电站进水球阀三维模型，球阀关闭状态下，在球阀密封处留有微小渗漏间隙，本实施例取值为2mm，如附图3所示，同时对球阀三维模型导入网格划分软件ICEM中进行结构化网格划分。同时将上下游模型及网格同步建立；如图4所示。
(2)将上述步骤生产的水电站进水球阀的mesh网格文件导入流体计算软件fluent中，设置边界条件，上游进水口压力为9.1MPa，下游侧为自由出流；设置湍流模型为大涡模拟。并在水电站进水球阀100上游侧设置两个监视点A，监视其压力脉动值。
(3)设置计算步长为0.01s，该水电站进水球阀运行时间为20s。截取2s内监测点压力脉动值运行结果如图5所示,作为报警参考曲线值。图中可以明显看出，由于球阀存在渗漏间隙，水体压力来回振荡，且逐步升高；若一直发展下去，会产生自激振荡，直至爆管。
(4)对所述水电站的进水球阀密封上游侧开孔，将压力脉动传感器2安装在此处(具体定位与数值模拟仿真试验监测点一致)，同时将其连接到压力脉动接收装置上，用以将压力信号转换为电信号，同时将其描绘成连续的曲线打印在显示屏上，将该曲线与所述报警参考曲线值对比，通过对比结果，提前判断球阀是否已经漏水以及是否将要产生自激振荡。
本发明的具体实施方式中未涉及的说明属于本领域公知的技术，可参考公知技术加以实施。
本发明经反复试验验证，取得了满意的试用效果。
以上具体实施方式及实施例是对本发明提出的一种提前判断水电站进水球阀泄漏导致管道自激振荡的方法技术思想的具体支持，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在本技术方案基础上所做的任何等同变化或等效的改动，均仍属于本发明技术方案保护的范围。

Claims (5)

1.一种提前判断水电站进水球阀泄漏导致管道自激振荡的方法，其特征在于首先通过对水电站进水球阀进行数值模拟仿真试验，模拟水电站进水球阀在有微小漏水时，设定时间长度内密封上游侧压力脉动变化，水电站进水球阀数值模拟仿真试验步骤如下：
步骤1：模型建立：根据球阀结构图建立球阀及上下游管道三维模型；球阀关闭状态下，将球阀三维模型密封处留有微小间隙；
步骤2：网格划分：将步骤1中建立的三维模型，进行结构化网格划分，生成计算流体软件fluent可以使用的mesh文件；
步骤3：数值计算：将步骤2中的mesh文件导入计算流体软件fluent中后，(1)定义边界条件，上游进口管道为正常水压进口，下游为自由出流；(2)选定算例所需湍流模型为大涡模拟；(3)设置水电站进水球阀密封上游侧监视点，监视其压力脉动值，其中监视点数量不少于2个；(4)设置时间步长和球阀过流时间；
步骤4：结果分析：对过流时间内，水电站进水球阀密封上游侧的监视点压力脉动值进行记录，同时绘制成曲线，作为水电站进水球阀有微小渗漏时的报警参考曲线值；
对现实水电站进水球阀密封的上游侧设置压力脉动传感器，通过压力脉动传感器时刻监视现实进水球阀密封上游侧压力脉动值，并将现实球阀密封上游侧压力脉动值与步骤(4)得到的报警参考曲线值对比，若发现对比时间段内现实球阀密封上游侧压力脉动值与报警参考曲线值保持同样振荡趋势与幅值变化趋势，则提前判断为有自激振荡风险。
2.如权利要求1所述的一种提前判断水电站进水球阀泄漏导致管道自激振荡的方法，其特征在于，现实水电站进水球阀密封上游侧压力脉动值的测量方法如下：
步骤1：将压力脉动传感器放置于水电站进水球阀密封上游侧，监测其水体压力脉动值；具体定位与数值模拟仿真试验中步骤(3)监测点定位一致；
步骤2：将压力脉动传感器数据传送至压力脉动接收装置。
3.如权利要求1所述的一种提前判断水电站进水球阀泄漏导致管道自激振荡的方法，其特征在于，所述的压力脉动传感器需能测量正压和负压，且量程需是水电站进水球阀上游侧水体压力的2-3倍；所述的压力脉动传感器设置不低于两个测点。
4.如权利要求1所述的一种提前判断水电站进水球阀泄漏导致管道自激振荡的方法，其特征在于，压力脉动传感器与压力脉动接收装置连接，所述的压力脉动接收装置需能将压力脉动传感器传输的电信号转化为压力信号，并在显示屏上打印，且打印数值能自动生成连续的曲线；所述的现实球阀密封上游侧压力脉动值与步骤(4)得到的报警参考曲线值对比采用所述自动生成连续的曲线与报警参考曲线值对比。
5.如权利要求1所述的一种提前判断水电站进水球阀泄漏导致管道自激振荡的方法，其特征在于水电站进水球阀数值模拟仿真试验步骤(4)设置时间步长为0.01s，球阀过流时间共运行20s。
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