水力機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)基于根治抬機(jī)目標(biāo)的轉(zhuǎn)輪室水體運(yùn)動控制探索

1、水力機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)基于根治抬機(jī)目標(biāo)的轉(zhuǎn)輪室水體運(yùn)動控制探索1前言水輪發(fā)電機(jī)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(jī)組轉(zhuǎn)動部分重量時(shí)發(fā)生抬機(jī)，抬機(jī)下落碰撞產(chǎn)生沖擊應(yīng)力應(yīng)變，對機(jī)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(jī)的根本癥結(jié)是轉(zhuǎn)輪室水擊，我們要探索機(jī)組甩負(fù)荷后轉(zhuǎn)輪室水體會怎樣運(yùn)動；探索這一水體運(yùn)動如何得到控制；探索如何時(shí)刻維持轉(zhuǎn)輪室1前言水輪發(fā)電機(jī)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(jī)組轉(zhuǎn)動部分

2、重量時(shí)發(fā)生抬機(jī)，抬機(jī)下落碰撞產(chǎn)生沖擊應(yīng)力應(yīng)變，對機(jī)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(jī)的根本癥結(jié)是轉(zhuǎn)輪室水擊，我們要探索機(jī)組甩負(fù)荷后轉(zhuǎn)輪室水體會怎樣運(yùn)動；探索這一水體運(yùn)動如何得到控制；探索如何時(shí)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(jī)組甩負(fù)荷抬機(jī)得到根本治理。研究與控制水力機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)轉(zhuǎn)輪室水體運(yùn)動形成科學(xué)治理抬機(jī)措施對保證水力機(jī)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(jī)組超臨界轉(zhuǎn)速又稱為最大允許飛逸轉(zhuǎn)速，其值ncr=30/GJp（J1J2）/LJ1J21/2（rpm）,式中G為

3、軸的扭轉(zhuǎn)彈性系數(shù)、Jp為軸的極慣性矩=/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(jī)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(jìn)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(shí)踐人員1證實(shí)特定條件下空氣阻礙水流運(yùn)動甚于水的粘滯力，事實(shí)上，我國水力發(fā)電運(yùn)行實(shí)踐中早就發(fā)現(xiàn)在不同位置適度“補(bǔ)氣”分別有利于減輕翼型與空腔汽蝕、有利于減緩機(jī)組振動、有利于防治水力機(jī)組抬機(jī)。材料力學(xué)理論與實(shí)踐證明：沖擊過程中

4、，沖擊物所減少的動能T和勢能V之和應(yīng)等于被沖擊物所增加的彈性應(yīng)變能E，而且作用與反作用同時(shí)存在，沖擊應(yīng)變會朝沖擊應(yīng)力方向傳遞，遇薄弱斷面時(shí)如超允許應(yīng)力應(yīng)變就會發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞。水力機(jī)組甩負(fù)荷抬機(jī)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(shí)結(jié)構(gòu)極易破壞，治理水輪機(jī)組甩負(fù)荷抬機(jī)具有十分必要性。而水力機(jī)組甩負(fù)荷抬機(jī)的發(fā)生源于導(dǎo)水葉快速關(guān)閉進(jìn)程中轉(zhuǎn)輪室-尾水管段產(chǎn)生水擊，反向水推力大于機(jī)組轉(zhuǎn)動部分重量時(shí)發(fā)生抬機(jī)。這一點(diǎn)，原來認(rèn)識受前蘇聯(lián)影響較多，我國該類設(shè)計(jì)手冊2和教科書3不定量描述為：導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)，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

5、?；谶@種理念產(chǎn)生了有原理性缺陷的傳統(tǒng)治理抬機(jī)的措施4：即強(qiáng)迫式真空破壞閥（進(jìn)氣位置處頂蓋下轉(zhuǎn)輪室四周壓力較高區(qū)，能進(jìn)氣量很?。?、自吸式真空破壞閥（動作時(shí)已形成大真空度，水擊波在0.050.1秒后返回，入氣位置雖佳仍進(jìn)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(jī)組轉(zhuǎn)速上升矛盾同時(shí)兼顧治理抬機(jī)亦不能消除轉(zhuǎn)輪室-尾水管段水擊，對有些機(jī)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(shí)上尾水管水擊也可產(chǎn)生巨大破壞力。水力機(jī)組甩負(fù)荷抬機(jī)輕則減短設(shè)備壽命、重則破壞機(jī)組結(jié)構(gòu)，危害嚴(yán)重，文獻(xiàn)7中指出了四個(gè)案例。此外抬機(jī)的危害性還會在

6、發(fā)電機(jī)勵磁電刷處表現(xiàn)。3治理甩負(fù)荷抬機(jī)的思路31目標(biāo)、內(nèi)容和關(guān)鍵問題本項(xiàng)目研究目標(biāo)是怎樣控制水力機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)轉(zhuǎn)輪室水體運(yùn)動使轉(zhuǎn)輪室-尾水管段在機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)不發(fā)生水擊，從而不發(fā)生抬機(jī)，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）；mA=/2（2+4）1/22/（2），=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(shí)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(xiǎn)了，此段重要些，調(diào)保計(jì)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)

7、很短（三峽僅50米），彎肘的、斷面由圓漸變?yōu)榉角覞u擴(kuò)，進(jìn)行甩負(fù)荷后轉(zhuǎn)輪室-尾水管水體運(yùn)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(jī)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(gè)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(shí)踐中發(fā)現(xiàn)了“補(bǔ)氣”的妙用：防空化、減振動、治抬機(jī)（但要注意時(shí)機(jī)與位置都有差異，不可混淆），前不久翁先生跑到清華做實(shí)驗(yàn)，提出“氣阻”概念，它在治理抬機(jī)中是個(gè)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(jī)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

8、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(jī)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(shí)補(bǔ)氣消除轉(zhuǎn)輪室-尾水管段水擊，文獻(xiàn)3已談到了這一點(diǎn)，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(yùn)動的流場旋場、空間狀態(tài)、壓強(qiáng)分布等細(xì)節(jié)進(jìn)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(shí)補(bǔ)氣，試圖實(shí)施近乎瞬時(shí)的并且永遠(yuǎn)先進(jìn)的PID控制，目的是根治水力機(jī)組甩負(fù)荷抬機(jī)。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(yùn)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

9、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(shí)間t的狀態(tài)是由t0時(shí)的狀態(tài)和tt0時(shí)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(diǎn)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(shí)間繼電器延時(shí)補(bǔ)氣提出不延時(shí)自動補(bǔ)氣，那個(gè)電氣控制電路的設(shè)計(jì)簡單巧妙已有應(yīng)用價(jià)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(jìn)行深入的理論證明與探索，更好地把握本質(zhì)，使治理抬機(jī)有正確的理論支撐。32項(xiàng)目的來歷

10、1980年代，筆者注意到國家水力發(fā)電設(shè)計(jì)手冊和教科書描述抬機(jī)為：甩負(fù)荷導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)，原已運(yùn)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(jī)組有抬機(jī)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(shí)間繼電器延時(shí)補(bǔ)氣治理抬機(jī)寫進(jìn)了國家水利電力部設(shè)計(jì)手冊，但太遠(yuǎn)無資金去不了，白魚潭抬機(jī)嚴(yán)重，85年8月、86年4月去時(shí)都沒遇上，1988年底帶學(xué)生實(shí)習(xí)到紅巖，耄耋老人向筆者談起當(dāng)年3月4#機(jī)甩負(fù)荷主軸卡環(huán)凹處斷裂一邊、發(fā)電機(jī)毀損事故，筆者當(dāng)時(shí)心中立即根據(jù)水力、電路、控制三個(gè)源頭理論及水電機(jī)組細(xì)微結(jié)構(gòu)判定系甩負(fù)荷時(shí)水輪機(jī)

11、抬機(jī)所致，真空破壞閥怎么失效？答：c=1435/（1+KD/Ee（1+9.50）1/2或1435/（1+KDc2/Ee）1/2約1000m/s7，能進(jìn)氣之時(shí)間極短！1988年7月葛洲壩14#機(jī)甩負(fù)荷后抬機(jī)25mm5，葛洲壩機(jī)組設(shè)有四只500mm的強(qiáng)迫式真空破壞閥，還同時(shí)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（32.32215m）大直徑（8.5m）大流量（556）的江西萬安投運(yùn)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(jī)防抬措施探討，分析了甩負(fù)荷抬機(jī)

12、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(jī)抬機(jī)判據(jù)、水力機(jī)組轉(zhuǎn)動部分相對重量的概念，還把長湖延時(shí)補(bǔ)氣方案修改為不延時(shí)自動補(bǔ)氣，設(shè)計(jì)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(gè)多段或曲線關(guān)閉導(dǎo)葉的方案，由于無計(jì)算機(jī)輔助，無法實(shí)施。到本世紀(jì)2005年，筆者初步寫成用PLC根治水力機(jī)組甩負(fù)荷抬機(jī)，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(shí)代，抬機(jī)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。33反思與前景本項(xiàng)目的研究有以下幾個(gè)

13、特點(diǎn)，一是涉及到水動力學(xué)、材料力學(xué)、機(jī)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(gè)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(qiáng)度類似電流強(qiáng)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(yùn)動的深層本質(zhì)，也是抬機(jī)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(qiáng)分布分析知道了補(bǔ)氣的理想位置，順便指出，甩負(fù)荷后只要補(bǔ)氣及時(shí)，水擊波返回后可由

14、“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(shí)代，是一種經(jīng)驗(yàn)“補(bǔ)氣”，是水電工程實(shí)踐人員一種經(jīng)驗(yàn)措施，總之是有實(shí)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(shí)代筆者已開始琢磨“補(bǔ)氣”妙、怎樣更妙的問題；在國家能源部水利部時(shí)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(jì)手冊之長湖時(shí)間繼電器延時(shí)補(bǔ)氣實(shí)行揚(yáng)棄并創(chuàng)新，在甩負(fù)荷時(shí)由電氣控制電路立即不延時(shí)啟動電動補(bǔ)氣閥，實(shí)現(xiàn)了機(jī)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(jìn)氣量與關(guān)導(dǎo)葉

15、進(jìn)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(yùn)算保證控制系統(tǒng)的高調(diào)節(jié)品質(zhì)，正因?yàn)閯恿W(xué)系統(tǒng)在時(shí)間t的狀態(tài)是由t0時(shí)的狀態(tài)和tt0時(shí)的輸入確定，而它與t0前的狀態(tài)和輸入無關(guān)8，筆者決定t0刻大擾動來臨時(shí)，近乎瞬時(shí)的補(bǔ)氣以恰好抵消大擾動，這就建立了恒定水壓目標(biāo)，使?fàn)顟B(tài)空間安然如故，采用高新技術(shù)，這一理想更易逼近。五是技術(shù)路線具有發(fā)展，技術(shù)路線是與被控對象的認(rèn)識深度、科學(xué)合理的控制目標(biāo)、可行技術(shù)設(shè)備以及擺脫傳統(tǒng)約束的能力密切相關(guān)的，機(jī)械控制的真空破壞閥以及電氣控制電動進(jìn)氣閥方案這里不談，現(xiàn)在用西門子可編程控制器來組織實(shí)施，具體方案考慮了兩種途徑二擇一，一是

16、在甩負(fù)荷進(jìn)程中監(jiān)測水輪機(jī)流量的減少量，補(bǔ)入折算后與減少量相等空氣體積，二是監(jiān)測轉(zhuǎn)輪室頂蓋中心區(qū)壓力，控制器時(shí)刻維持這壓力與甩負(fù)荷前一致，我們選擇后者。為監(jiān)測監(jiān)控轉(zhuǎn)輪室壓強(qiáng)，在水輪機(jī)頂蓋過流面某一直徑分布圓周上沿X、Y、X、Y方向分別或其它方向布置若干只壓力傳感器，為向轉(zhuǎn)輪室補(bǔ)入適量氣體，首先研究氣動力學(xué)的問題:氣體從一個(gè)封閉的容器中通過一根細(xì)管絕熱地流入大氣，設(shè)大氣壓力和密度分別是P和，容器中的壓力則是nP（n為常數(shù)），那么氣體出流速度v滿足：v2=2r/（r-1）P/（n（r-1）/r-1）對于空氣r=1.4,而后在壓縮空氣供氣總管與水輪機(jī)頂蓋近中心區(qū)域入氣口之間的供氣支管（支管又開若干叉輸

17、氣，它可與調(diào)相壓水結(jié)合）上串聯(lián)一只電動調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)進(jìn)氣量，設(shè)一臺S7-200型PLC并帶模擬量擴(kuò)展模塊即可。此項(xiàng)目的可行性在于1994年就抓住了突破口并已形成了電氣控制方案，1996年被姚莊水電站驗(yàn)證，取得一定成效，并于2005年又調(diào)整控制目標(biāo)改之為可編程控制器方案，技術(shù)手段更高、技術(shù)措施更新，但仍需要進(jìn)行高等數(shù)學(xué)推導(dǎo)證明與進(jìn)行最佳入氣點(diǎn)、最佳采信周期、微分時(shí)間、積分時(shí)間等細(xì)節(jié)問題的探索，以便更好地控制水輪發(fā)電機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)的轉(zhuǎn)輪室水體運(yùn)動，為確保我國電源設(shè)備安全作出努力。本項(xiàng)目歡迎具有甩負(fù)荷抬機(jī)現(xiàn)象的境內(nèi)所有水電廠（站）進(jìn)行合作研究，同時(shí)也歡迎相關(guān)學(xué)科研究者以及有志此項(xiàng)研究的青年朋友加入，請聯(lián)系07312300077或zwj。注釋：1輸水技術(shù)；2國家水利電力部.機(jī)電設(shè)計(jì)手冊；3水輪機(jī)；4朱文杰，水輪機(jī)防抬措施探討.水利水電技術(shù)1994.9；5筆者朱文杰老師同志于1992年寫平信聯(lián)系江西萬安，得回信知“微抬”；6劉庚辛，水輪發(fā)電機(jī)組抬機(jī)事故的原因.水電站機(jī)電技術(shù)1989.1；7朱文杰，用PLC根治水力機(jī)組甩負(fù)荷抬機(jī).中國水利水電市場2005.10；8武水華水合編.水力學(xué)人民教育出版社1980.6；9緒方