CFD在水电厂进水蝶阀动水关闭仿真中的应用

    1 研究背景

    对于设有进水蝶阀的水电站，蝶阀是机组最重要的过速保护之一，机组在运行过程中一旦出现甩负荷调速机构失灵的情况，蝶阀必须可靠动水关闭，以保障设备的安全。为保证水电厂机组的安全运行，需要开展蝶阀关闭的过渡过程计算，分析蝶阀动水关闭过程下流道内的压力变化过程。要准确地对蝶阀关闭过渡过程进行仿真分析，需要明确蝶阀在不同开度下的过流特性。目前对蝶阀过流特性的研究往往采用试验的方法，但是试验成本较大，而且老电厂一般缺少蝶阀过流试验数据，无法准确建立机组甩负荷蝶阀关闭过渡过程计算模型。

    2 工程概况

    南水水电厂位于广东省韶关市乳源县县城西侧，共设有3台混流式水轮发电机组，其引水系统采用“一洞三机”的形式，引水隧洞长约4km，洞径5.5m，设有带下室的圆筒阻抗式上游调压井，其中下室底板高程∇182.0m，阻抗孔直径4.8m，大井直径9.5m（见表1）。

表1 设备主要参数

    3 蝶阀过流特性分析

    3.1 控制方程

    选择流动模型为单相流体的不可压缩三维粘性流动，采用不可压缩流动的雷诺方程组与k—ε紊流模型构成封闭的方程组来求解。

    1）连续方程

        （1）

    2）动量方程

        （2）

    式中，为流场中某点的速度，u、υ、w是在x、y、z这3个方向上的分量，ρ是流体的密度，μ是流体粘度，p是作用在流体微元上的压力，S_u=F_x+s_x、S_v=F_y+s_y、S_w=F_z+s_z是广义源项，F_x、F_y、F_z是作用在流体微元上的体力，一般地，s_x、s_y、s_z的值很小，对于粘性为常数的不可压缩流体，s_x=sy=sz=0。

    3）k—ε方程

    3.2 数学模型及计算方法

    根据设计图纸建立蝶阀过流部件的CFD仿真模型（见图1）。蝶阀活门附近局部网格采用四面体非结构化网格，网格尺寸为10mm，其他地方网格采用六面体结构化网格，网格尺寸为300mm，总网格数约为610000个（见图2）。

图1 蝶阀过流部件的三维仿真模型

图2 蝶阀过流断面网格划分

    采用不可压缩流动的雷诺时均方程组，紊流模型采用标准k—ε模型，采用SIMPLE算法求解离散方程。边界条件选用压力进口，自由流动出口，计算中忽略重力的影响，计算蝶阀在不同开度下的定常流动，得到蝶阀在不同开度下的过流特性。

    3.3 CFD计算结果

    选取蝶阀开度分别在0°、15°、30°、45°、60°、75°下计算各开度下蝶阀内的流场（见图3～图8）。通过计算可以看出，蝶阀在全开时流态平稳，随着蝶阀的关闭，阀门内涡流的数量和范围都在增加，流态逐渐恶化，水力损失增加。

图3 蝶阀全开时流速矢量图

图4 蝶阀全开时流线图

图5 蝶阀关闭45°时流速矢量图

图6 蝶阀关闭45°时流线图

图7 蝶阀关闭75°时流速矢量图

图8 蝶阀关闭75°时流线图

    在过渡过程计算中，蝶阀的过流特性采用下式描述：

        （5）

    式中，Q_p为蝶阀的过流量；H_p为蝶阀进口的压力水头；H_s为蝶阀出口的压力水头。

    要进行计算必须得到蝶阀过流系数m随蝶阀开度的关系。通过CFD计算得到不同开度下蝶阀流量系数变化过程（见图9），由计算结果可以看出，蝶阀过流系数m与蝶阀开度变化呈现明显的非线性关系：小开度下随蝶阀开度的增加蝶阀过流系数m增加较慢，大开度下蝶阀过流系数m随蝶阀开度的增加急剧增加。同开度下蝶阀过流流量与蝶阀过流损失计算结果如下所示（见图10），其均是在15°开度下的计算结果。由计算结果可以看出，过流流量与压力损失关系约为平方关系。

图9 同一开度下蝶阀过流量与压力损失计算结果

图10 蝶阀流量系数计算结果

    4 蝶阀动水关闭过渡过程分析

    4.1 仿真数学模型

    1）引水系统数学模型引水系统采用特征线法求解有压输水系统连续性方程和运动方程（见图11）。水库边界考虑到进口损失和进口速度头相对于电站水头小得多，可以忽略不计，则水库边界Hp=const。调压井边界基本方程为连续性方程、能量方程和调压室水位变化方程，可联立流道特征线方程求解。

图11 带插值的特征网格

    2）水轮机数学模型

    水轮机特性采用HLA497模型综合特性曲线描述（见图12）。在过渡过程计算中，将模型综合特性曲线转换为单位流量与单位力矩的变化曲线，联立引水系统特征线方程进行求解。

图12 HLA497水轮机综合特性曲线

    3）蝶阀过流数学模型

    采用式（5）联立特征线方程进行求解，计算中取a=2，再采用如图10所示的流量系数特性进行计算求解。

    4.2 仿真与实测结果对比

    为论证蝶阀动水关闭能力，2011年12月电厂组织相关单位开展了机组进水蝶阀的动水关闭试验，试验前机组分别在10MW、17MW负荷工况点稳定运行（见表2）。

表2 蝶阀动水关闭试验条件

    蝶阀动水关闭的仿真计算与试验结果对比如下所示（见图13、图14）：

图13 机组10MW工况蜗壳及蝶阀进口水压试验及仿真结果对比

图14 机组17MW工况蜗壳及蝶阀进口水压试验及仿真结果对比

    通过仿真与实测结果对比可知：蝶阀关闭初始时刻及中间时刻蜗壳进口压力仿真结果与试验结果十分吻合，而蝶阀关闭末仿真结果与试验结果有一定的差异，主要原因是蝶阀关闭末为避免机组进相运行导叶也开始关闭，而在仿真计算中未考虑导叶关闭对蜗壳进口压力的影响。蝶阀前压力变化过程主要受调压室涌浪的影响，仿真得到的压力变化过程的波动周期、幅值均与实测结果接近。因此对于引水系统的压力变化过程无论是极值还是变化趋势，仿真结果与实测结果均较为接近。

    5 结论

    采用CFD方法对蝶阀不同开度下的定常流动进行了模拟，得到了不同开度下蝶阀过流特性及蝶阀开度与过流系数特性曲线。将CFD仿真结果作为蝶阀过流边界条件引入到了蝶阀动水关闭的过渡过程仿真计算，建立了引水系统、水轮机、蝶阀过渡过程仿真模型，开展了蝶阀动水关闭的过渡过程仿真计算；并将计算结果与蝶阀动水关闭的实测结果进行了对比。研究结果表明：仿真结果与实测结果一致，说明了本文所采用数学模型及计算方法的正确性。