CN113701989A - 一种可模拟液柱分离的抽水蓄能模型试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可模拟液柱分离的抽水蓄能模型试验装置，包括水泵水轮机机组、变频泵系统、变频泵控制系统、量测系统和循环水系统，变频泵系统通过尾水管道与水泵水轮机组相连；变频泵系统包括真空罐、变频泵、辅助水箱，其中变频泵设置在真空罐和辅助水箱之间；变频泵控制系统连接在变频泵上改变试验装置内的压力值用于模拟使水泵水轮机机组产生柱液分离现象；量测系统进行采集水泵水轮机机组参数变化曲线及尾水管液柱分离变化图像。本发明水泵水轮机机组开机并网后，通过变频泵系统调整尾水管压力，使尾水管压力接近汽化压力，与导叶快速关闭产生的水击压力进行叠加，实现尾水管液柱分离。本发明适用于空化及液柱分离等问题的模型试验研究。

Description

一种可模拟液柱分离的抽水蓄能模型试验装置及方法

技术领域

本发明属于抽水蓄能电站模型试验技术领域，更具体地，涉及一种可模拟液柱分离的变频泵系统及方法，用于在半封闭式试验台实现空化和液柱分离等相关问题的研究。

背景技术

抽水蓄能电站在启动、事故甩负荷、飞逸等过渡过程中局部压力低于汽化压力时，会产生空穴甚至液柱分离现象，液柱分离及弥合产生的反水锤不仅对转轮、传动装置及机组产生疲劳损害，也会对输水系统产生危害，严重时会引起抬机、爆管等事故。可通过一定的防护措施，避免机组出现液柱分离和液柱分离造成的危害，如选用耐蚀、耐冲击的材料，避免机组在可能出现液柱分离的工况区运行，适当降低安装高程等。其中，降低安装高程可有效防止尾水管压力低于汽化压力，但是水电站土建开挖量将会增加，这将大大增加工程成本和周期。

目前对水泵水轮机尾水管液柱分离的研究较少，液柱分离的产生、发展、弥合以及再生成的现象仍未得到详尽分析，液柱分离对机组稳定性和尾水管道安全性的影响也有待探究，因此在常规抽水蓄能试验台上开展稳态空化和液柱分离的试验研究，是一个亟待解决的问题。

发明内容

为了在抽水蓄能电站模型试验中，开展稳态空化和甩负荷后的液柱分离研究，本发明提出了一种可模拟液柱分离的变频泵系统及方法，该装置适用于半封闭式试验台和封闭式试验台，该方法可在上述试验台上实现空化和液柱分离的模型试验研究。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种可模拟液柱分离的抽水蓄能模型试验装置，包括水泵水轮机机组、变频泵系统、变频泵控制系统、量测系统和循环水系统，其中所述变频泵系统通过尾水管道与水泵水轮机机组相连；

所述变频泵系统包括真空罐、变频泵、辅助水箱，其中变频泵设置在所述真空罐和辅助水箱之间；

所述变频泵控制系统连接在所述变频泵上改变试验装置内的压力值用于模拟使所述水泵水轮机组产生柱液分离现象；

所述量测系统进行采集水泵水轮机机组参数变化曲线及尾水管液柱分离变化图像。

进一步地，所述变频泵上游通过排水支管与真空罐相连，其排水支管上设有真空阀，下游通过排水支管与辅助水箱相连，真空罐顶部设有排气阀，底部设有排水主管，所述排水主管上设有排水阀，所述辅助水箱和排水阀均与循环水系统相连，供水水泵通过补水管向所述真空罐补水，所述真空罐中水流溢流后，通过所述排水主管流入循环水系统。

进一步地，所述变频泵上游侧设置压力传感器，所述压力传感器通过信号线与变频泵控制系统相连，通过所述压力传感器实时测量与反馈，所述变频泵控制系统控制所述变频泵的流量Q_抽，使压力传感器测得的压力值恒定。

进一步地，所述辅助水箱溢流板的高程高于所述真空罐高程。

进一步地，通过控制变频泵扬程H_泵，改变真空罐内压力p₁，从而改变尾水管进口压力，使尾水管进口压力接近甚至达到汽化压力，叠加导叶快速关闭产生的水击压力，产生所述液柱分离现象。

本发明还提供一种可模拟液柱分离的抽水蓄能模型试验装置的试验方法，包括如下步骤：

S1.开启排水阀、关闭真空阀，使真空罐溢流后的水流通过排水主管流入循环水系统，开启排气阀，使真空罐与大气相通；

S2.开启补水阀，开启供水水泵，通过补水管为真空罐补水；

S3.真空罐内溢流后，关闭补水阀，进行机组开机并网，水泵水轮机机组尾水管中的水流流入真空罐，真空罐溢流的水流通过排水主管流入循环水系统；

S4.关闭排水阀，开启真空阀，真空罐中的水位不断上升，有水流流出排气阀后，关闭排气阀，保证真空罐中充满水流，防止变频泵抽水时吸入气体，影响变频泵的使用寿命；

S5.在变频泵控制系统设置压力传感器的数值，开启变频泵，压力传感器示数稳定后，进行机组甩负荷；

S6.通过量测系统采集机组参数变化曲线及尾水管液柱分离变化图像；

S7.试验结束后，关闭变频泵，关闭供水水泵，开启下游排水阀，开启排气阀。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明可以在半封闭式试验台和封闭式试验台上，通过增加变频泵系统，实现抽水蓄能机组尾水管内的空化及液柱分离，为研究尾水管空化及液柱分离的产生、发展、弥合以及再生成的现象提供装置基础；

(2)本发明提出的一种可模拟液柱分离的抽水蓄能模型试验装置及方法，操作步骤明确、可实施性强，可以在保证机组安全稳定运行的前提下，进行极端工况的模型试验研究，为研究抽水蓄能电站稳定运行中的尾水管空化涡带、甩负荷过渡过程中的液柱分离及其对机组稳定性的影响等重难点问题提供了试验方法，是解决抽水蓄能机组建设和运行中面临的问题的重要试验方法，将常规抽水蓄能电站极端工况下的模型试验研究向前推荐了一大步。

附图说明

图1为本发明变频泵系统示意图。

图2为本发明变频泵系统原理示意图。

图3为本发明导叶开度20下的尾水管空化涡带示意图。

图4为本发明导叶开度20下的尾水管液柱分离示意图。

图中：1-尾水管道，2-补水阀，3-供水水泵，4-排气阀，5-真空罐，6-真空阀，7-排水阀，8-变频泵控制系统，9-压力传感器，10-变频泵，11-辅助水箱，12-循环水系统，断面1-1--真空罐溢流槽断面，断面2-2--变频泵上游管道断面，断面3-3--辅助水箱溢流槽断面。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明技术方案和具体实施方式进行清楚和完整地描述。

如图1所示，一种可模拟液柱分离的抽水蓄能模型试验装置，包括真空罐5、排水阀7、排气阀4、补水阀2、真空阀6、变频泵10、辅助水箱11。真空罐5通过尾水管道1与水泵水轮机机组相连。补水阀2开启时，可通过供水水泵3向真空罐5补水。排气阀7位于真空罐5顶部，排气阀7开启时，真空罐5与大气相通，真空罐中的压力为大气压。排水阀7位于排水主管上，真空罐5中水流溢流后，通过排水主管流入循环水系统12。变频泵10通过排水支管与真空罐5相连，真空阀6位于排水支管上。辅助水箱11通过排水支管与变频泵10相连，所述变频泵10上游侧设置压力传感器9，压力传感器9通过信号线与变频泵控制系统8相连。压力传感器9设置在变频泵上游侧，根据试验的工况要求，通过改变变频泵控制系统8中压力传感器9的设定值，改变变频泵控制系统8的输出频率，控制变频泵10的流量Q_抽，压力传感器9的实时压力值传输到变频泵控制系统8，形成闭环控制。在上述实施例的基础上，量测系统进行采集水泵水轮机机组参数变化曲线及尾水管液柱分离变化图像。

在上述实施例中，变频泵扬程H_泵取决于压力传感器9的设定值以及所述辅助水箱11溢流板的高程，设置所述辅助水箱11是为了增加变频泵的扬程H_泵，防止变频泵频率过低影响变频泵的运行安全。通过控制变频泵扬程H_泵，改变真空罐内压力p₁，从而改变尾水管进口压力，使尾水管进口压力接近甚至达到汽化压力，叠加导叶快速关闭产生的水击压力，产生液柱分离现象。

如图2所示，流入真空罐5的流量由两部分组成，一部分为上游尾水管道1的流量，即通过机组的流量Q_机，一部分为补水管道流入真空罐5的流量Q_补。变频泵10工作时，排水阀7关闭，流出真空罐5的流量即变频泵10的抽水流量Q_抽。可得关系式：Q_抽＝Q_机+Q_补。

如图2所示，断面1-1为真空罐溢流槽断面，断面2-2为变频泵上游管道断面，断面3-3为辅助水箱溢流槽断面，对这三个断面列伯努利方程得：

由式(1)可得：

联立式(2)-(3)可得：

式中，p₁、p₂、p₃为断面平均压力，v₁、v₂、v₃为断面平均速度，γ为重度，g为重力加速度，z₁、z₂、z₃为各断面高程，H_泵为变频泵扬程，Δh_1～2、Δh_2～3为断面间的水头损失。

如图2所示，所述变频泵系统真空罐5内压力p₁取决于变频泵10上游管道与真空罐5液面的位置势能、动能及压强势能的差值。所述位置势能与真空罐5的结构和安装高程有关，所述真空罐5相对于管道的高程差值越大，所述真空罐5内真空度越大，越容易达到汽化压力。

本实施例中真空罐和变频泵的高程差设计为3m；变频泵和真空罐液面处动能之差与试验工况相关，本实施例中的两者动能差约为1m。因此，若忽略损失项，由(2)式可知，真空罐5压强势能分量

该工况下，真空罐5中压力达到-8m(以大气压作为基准)才可产生空化现象，其中γ取值为1，因此为了使之产生空化现象，压力传感器9压力设定值即p₁应为-6m。

如图2所示，所述变频泵10扬程H_泵取决于所述压力传感器的设定值以及所述辅助水箱11溢流板的高程，所述辅助水箱11是为了增加变频泵10的扬程H_泵，防止变频泵10频率过低影响变频泵10的运行安全。本实施例中辅助水箱与变频泵10高程差值为6.5m，由式(4)可知，忽略损失项和断面断面2-2和断面3-3之间的动能差，变频泵扬程H_泵≈6+6.5应当维持在12.5m左右才能产生空化现象。

如图2所示，根据上述计算结果，通过控制变频泵10扬程H_泵使之达到12.5m，从而可以改变真空罐5内压力p₁，从而改变尾水管进口压力，使尾水管进口压力接近甚至达到汽化压力，叠加导叶快速关闭产生的水击压力-1m～-2m，产生所述液柱分离现象。在本申请实施例中，通过控制变频泵的频率从而控制变频泵的扬程从而反向控制尾水管进口压力，再进一步叠加导叶快速关闭产生的水击压力产生柱液分离现象。

所述液柱分离的试验方法主要包括以下几个步骤：

(1)开启排水阀7、关闭真空阀6，使真空罐5溢流后的水流通过排水主管流入循环水系统12，开启排气阀4，使真空罐5与大气相通；

(2)开启补水阀2，开启供水水泵3，通过补水管为真空罐5补水；

(3)真空罐5内溢流后，关闭补水阀2，通过控制系统进行机组开机并网，水泵水轮机机组尾水管中的水流流入真空罐5，真空罐5溢流的水流通过排水主管流入循环水系统12；

(4)关闭排水阀7，开启真空阀6，真空罐5中的水位不断上升，有水流流出排气阀4后，关闭排气阀4，保证真空罐5中充满水流，防止变频泵10抽水时吸入气体，影响变频泵10的使用寿命；

(5)在变频泵控制系统8设置压力传感器9的数值，开启变频泵10，压力传感器9示数稳定后，进行机组甩负荷；

(6)通过量测系统采集机组参数变化曲线及尾水管液柱分离变化图像；

(7)试验结束后，关闭变频泵10，关闭供水水泵3，开启排水阀7，开启排气阀4。

根据本发明提出的装置和方法，进行模型试验，得到的导叶开度20下稳态空化涡带如图3所示，导叶开度20下甩负荷过渡过程中产生的液柱分离现象的图像如图4所示。

本发明装置结构简单，原理清晰，能在半封闭式试验台及封闭式试验台上有效模拟抽水蓄能机组尾水管稳态空化涡带与甩负荷过渡过程中的液柱分离现象，为研究抽水蓄能机组极端工况下的水力特性及液柱分离对机组稳定性影响的模型试验提供了一种可靠性高、可实施性强的装置。本发明的操作简单、控制精密，是解决抽水蓄能机组建设和运行中面临的问题的重要试验方法，适用于抽水蓄能电站及常规电站的空化模型试验。

最后应说明的是：以上仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照具体实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案脱离本发明具体实施方式技术方案的精神与范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种可模拟液柱分离的抽水蓄能模型试验装置，其特征在于，包括水泵水轮机机组、变频泵系统、变频泵控制系统、量测系统和循环水系统，其中所述变频泵系统通过尾水管道与水泵水轮机组相连；

所述变频泵系统包括真空罐、变频泵、辅助水箱，其中变频泵设置在所述真空罐和辅助水箱之间；

所述变频泵控制系统连接在所述变频泵上改变试验装置内的压力值用于模拟使所述水泵水轮机组产生柱液分离现象；

所述量测系统进行采集水泵水轮机机组参数变化曲线及尾水管液柱分离变化图像。

2.根据权利要求1所述的一种可模拟液柱分离的抽水蓄能模型试验装置，其特征在于，所述变频泵上游通过排水支管与真空罐相连，其排水支管上设有真空阀，下游通过排水支管与辅助水箱相连，真空罐顶部设有排气阀，底部设有排水主管，所述排水主管上设有排水阀，所述辅助水箱和排水阀均与循环水系统相连，供水水泵通过补水管向所述真空罐补水，所述真空罐中水流溢流后，通过所述排水主管流入循环水系统。

3.根据权利要求1所述的一种可模拟液柱分离的抽水蓄能模型试验装置，其特征在于，所述变频泵上游侧设置压力传感器，所述压力传感器通过信号线与变频泵控制系统相连，通过所述压力传感器实时测量与反馈，所述变频泵控制系统控制所述变频泵的流量Q_抽，使压力传感器测得的压力值恒定。

4.根据权利要求1所述的一种可模拟液柱分离的抽水蓄能模型试验装置，其特征在于，所述辅助水箱溢流板的高程高于所述真空罐高程。

5.根据权利要求1所述的一种可模拟液柱分离的抽水蓄能模型试验装置，其特征在于，通过控制变频泵扬程H_泵，改变真空罐内压力p₁，从而改变尾水管进口压力，使尾水管进口压力接近甚至达到汽化压力，叠加导叶快速关闭产生的水击压力，产生所述液柱分离现象。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种可模拟液柱分离的抽水蓄能模型试验装置的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.开启排水阀、关闭真空阀，使真空罐溢流后的水流通过排水主管流入循环水系统，开启排气阀，使真空罐与大气相通；

S2.开启补水阀，开启供水水泵，通过补水管为真空罐补水；

S3.真空罐内溢流后，关闭补水阀，进行机组开机并网，水泵水轮机机组尾水管中的水流流入真空罐，真空罐溢流的水流通过排水主管流入循环水系统；

S4.关闭排水阀，开启真空阀，真空罐中的水位不断上升，有水流流出排气阀后，关闭排气阀，保证真空罐中充满水流，防止变频泵抽水时吸入气体，影响变频泵的使用寿命；

S5.在变频泵控制系统设置压力传感器的数值，开启变频泵，压力传感器示数稳定后，进行机组甩负荷；

S6.通过量测系统采集机组参数变化曲线及尾水管液柱分离变化图像；

S7.试验结束后，关闭变频泵，关闭供水水泵，开启下游排水阀，开启排气阀。

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