有壓輸水系統(tǒng)水力振動分析

1、有壓輸水系統(tǒng)水力振動分析畢程敏，陳文兵，蘇琴河海大學(xué)水電學(xué)院，南京 (210098E-mail:摘 要：本文介紹了水電站中水力振動源及其產(chǎn)生的原因，并結(jié)合實(shí)例對有壓輸水系統(tǒng)進(jìn)行了水力振動分析，得出水電站在不同工況下運(yùn)行對管道的影響。最后，提出有待進(jìn)一步解決的問題。關(guān)鍵詞：水電站，水力振動，水力共振中圖分類號: TV71 引言在水電站中, 非定常的管流會引起管道的振動, 管線若長期受到振動引起的交變應(yīng)力的作用, 即使設(shè)計滿足強(qiáng)度要求, 也可能產(chǎn)生疲勞破壞引起生產(chǎn)事故。目前, 有壓輸水系統(tǒng)非恒定流計算包括:水錘計算、調(diào)壓室水位波動計算和水力振動計算。我國現(xiàn)在只進(jìn)行前兩項計算，不進(jìn)行水力系統(tǒng)的水力振

2、動計算，主要原因可能有以下幾點(diǎn):1、水力振動分析理論還沒有廣泛普及以及理論本身還具有不為完善之處；2、在我國，水力振動所造成的巨大破壞還沒有引起足夠重視；3、在大多數(shù)水電站中，共振所引起的振動、噪聲等不很嚴(yán)重，一般可通過相應(yīng)的措施和合理地調(diào)控即可解決。但是，從長遠(yuǎn)來看，為了提高水力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠度，尤其是抽水蓄能電站和大型常規(guī)水電站的發(fā)展，進(jìn)行相應(yīng)的水力振動分析是必要的1。許多國家以對抽水蓄能電站的振動問題做了大量的分析與研究, 而對常規(guī)水電站有壓輸水系統(tǒng)的分析與計算比較少。因此，針對常規(guī)水電站有壓輸水系統(tǒng)水力振動的分析是必不可少的。2 水力振動理論及振源的產(chǎn)生水力振動理論可以用來評價抽水蓄能

3、電站或常規(guī)水電站在全頻域內(nèi)的水力-機(jī)械系統(tǒng)的振動特性，研究壓力管道共振和機(jī)組振動現(xiàn)象2。在水電站有壓輸水系統(tǒng)中進(jìn)行振動分析的理論主要是水力振動理論。水力振動分析的基本方法是:水力阻抗法和傳遞矩陣法。但是，在一個比較復(fù)雜系統(tǒng)的水力振動分析過程中，常將兩種方法相互結(jié)合實(shí)用。我們知道水力振動分析主要包括以下幾個內(nèi)容:自由振動分析。就一個水力系統(tǒng)來說，其結(jié)構(gòu)本身是固定不變的，相應(yīng)于某一運(yùn)行工況，系統(tǒng)具備其自振頻率及相應(yīng)自振頻率下的振型，這是任何系統(tǒng)所具備的固有特性。因此，求得某系統(tǒng)的自振頻率及振型，對于全面地了解該系統(tǒng)的特性是很重要的。強(qiáng)迫振動分析。當(dāng)一個周期性的干擾作用于水力系統(tǒng)的某一個邊界時，可在

4、整個系統(tǒng)中引起一個穩(wěn)定振蕩流動，即為強(qiáng)迫振動。若干擾頻率接近于系統(tǒng)的某一階自振頻率時，則產(chǎn)生共振，共振即為系統(tǒng)的自振頻率。在穩(wěn)定的強(qiáng)迫振動中，系統(tǒng)中任何一點(diǎn)的振幅都與時間無關(guān)，既有衰減因子=0。自激振動分析。在一個水力系統(tǒng)的自由振動分析中，一般極少出現(xiàn)為正值的情況，即任一階系統(tǒng)的自振都是衰減的，表示系統(tǒng)是穩(wěn)定的，可排除自激振動的可能性。但是若系統(tǒng)中存在漏水閥門-存在某一區(qū)域，閥的彈性使泄水面積隨著壓力的增大而減小，那么系統(tǒng)中的擾動將導(dǎo)致壓力在閥上逐漸增大，即產(chǎn)生自激振動。對于一個可能發(fā)生自由振動或強(qiáng)迫振動的水力系統(tǒng)而言，不可能把它的所有振動源詳細(xì)的羅列出來。一般來說，系統(tǒng)產(chǎn)生振動現(xiàn)象的振動源主

5、要有下面幾種:上下游水位的波動、導(dǎo)葉振動及尾水管內(nèi)渦帶擾動等3 4 5。對于一些振動源還沒有建立完善的理論以反映其特性。但是，判別水力共振的主要依據(jù)之一是有壓輸水系統(tǒng)的某一階自振頻率和擾動頻率必須相等或接近。3 實(shí)例分析某水電站引水發(fā)電系統(tǒng)采用首部式地下廠房，分左右岸基本對稱布置，各安裝9臺700MW 的水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量12 600 MW；引水道為單機(jī)單管引水，單機(jī)引用流量418.1m3/s；尾水系統(tǒng)采用3臺機(jī)組共用一個調(diào)壓室一條尾水洞布置方式?，F(xiàn)以此三機(jī)一室一洞為一個發(fā)電單元，各管道布置簡圖如下所示: 圖1-1 發(fā)電單元管道布置平面圖表1-1 各管道參數(shù) 為了對該電站進(jìn)行水力振動分析

6、，現(xiàn)分三個工況進(jìn)行計算分析，按順?biāo)鞣较驈淖蟮接覚C(jī)組編號依次為1#機(jī)組、2#機(jī)組和3#機(jī)組。計算工況分為單機(jī)運(yùn)行工況(1#機(jī)組正常運(yùn)行發(fā)電 ，雙機(jī)運(yùn)行工況(1#機(jī)組和2#機(jī)組正常運(yùn)行發(fā)電 ，三機(jī)運(yùn)行工況(1#機(jī)組、2#機(jī)組和3#機(jī)組正常運(yùn)行發(fā)電 。根據(jù)自由振動分析理論及方法，計算該電站在每一種工況時系統(tǒng)的自振頻率及相應(yīng)的振型，計算結(jié)果見下表1-2。表中為各階自振衰減因子，為各階自振頻率。表1-2 自由振動計算結(jié)果 由表1-2可以得出三種工況下第一階自振周期T 1依次為209.90s 、196.89s 、192.58s ，而理論計算調(diào)壓室波動周期Ts 依次為205.47s 、193.85s 、1

7、89.91s ?？梢姡瑹o論在那種工況下，均有T 1略大于Ts 。這是由于在Ts 的計算中未計摩阻的影響，而T 1的計算中則考慮了摩阻，這樣引起了系統(tǒng)的第一階自振周期略大于調(diào)壓室波動周期，若忽略摩阻引起的結(jié)果偏差，二者極為相等。從表中還可以看出在無論在何種工況下，衰減因子始終為負(fù)值，說明機(jī)組在正常運(yùn)行工況下，其每一階自振均是衰減的，即系統(tǒng)是穩(wěn)定的。另外，圖1-2、圖1-3、圖1-4繪出了三種工況下各階振型。從中可以看出，對于這三種工況，各階振型又微有差別。壓力振蕩在三種工況下第一階的最大值依次為130m 左右，50m 左右，30m 左右。其它階依次減?。涣髁空袷幵谌N工況下第一階的最大值依次為4

8、50m 3/s左右，180m 3/s左右，100 m3/s左右，。其它階也是依次減小。雖然最終都趨于穩(wěn)定，但為了避免壓力流量振蕩過大造成管道損壞，在一個單元內(nèi)應(yīng)盡量在三臺機(jī)組同時運(yùn)行情況下進(jìn)行工作。圖1-2 一臺機(jī)組發(fā)電時壓力和流量各階振型圖圖1-3 兩臺機(jī)組發(fā)電時壓力和流量各階振型圖 圖1-4 三臺機(jī)組發(fā)電時壓力和流量各階振型圖4 結(jié)語本文針對在有壓輸水系統(tǒng)中出現(xiàn)的水力振動作了一定的介紹，并對振動源作了分析和討論；從實(shí)際情況來說，有壓輸水系統(tǒng)水力振動的分析對電站的正常運(yùn)行是非常重要的。尤其是電站正常運(yùn)行發(fā)電時，共用一個調(diào)壓室的幾臺機(jī)組共同發(fā)電是比較有利的。另外，當(dāng)調(diào)壓室內(nèi)水位出現(xiàn)波動時，都將

9、引起尾水洞內(nèi)水力振動現(xiàn)象，其壓力交變作用及過程到底對工程結(jié)構(gòu)和水電站運(yùn)行有多大危害。由于影響因素很多，至今尚無較為完善的理論計算和試驗(yàn)成果。對此問題也有待以進(jìn)一步研究。參考文獻(xiàn)1 周建旭, 索麗生, 郭銳勤. 水電站水力振動實(shí)例分析J.水力發(fā)電學(xué)報,1998年第4期:5055.2 周建旭. 水電站水機(jī)電系統(tǒng)振動特性和穩(wěn)定性研究D.河海大學(xué)博士研究生學(xué)位論文,2006年5月3 龔守志,“劉家峽水電站壓力鋼管水力共振的分析和幾種改善措施”.4 Wylie, E.B. and Streeter, V.L. with Suo, Lisheng, Fluid Transients in Systems,

10、 Prentice Hall Inc., New Jersey, U.S.A., 1993.5 王珂侖, 水力機(jī)組振動, 水利電力出版社,1986年10月. Analysis of Hydraulic Resonance in a Long PressurizedWater Conveying SystemBi ChengminCollage of Water Conservancy and Hydropower Engineering, Hohai Univ., Nanjing (210098AbstractIn this paper, the hydraulic resonance and its reasons at present are developed. Hydraulic vibration in a long pressurized water with an example is analysised, and the effects of running in different circs to pipe are counted. And some questio