唐順波

（重慶大唐國(guó)際武隆水電開發(fā)有限公司，重慶408506）

1 引言

通常水電廠壓力油罐氣壓主要由透平油和空氣以1：2的比例混合實(shí)現(xiàn)，機(jī)組檢修時(shí)需要將其中壓力排盡，而到了機(jī)組恢復(fù)措施時(shí)又需要對(duì)壓油罐打壓，由于壓油罐壓力比較大，建壓所需時(shí)間比較長(zhǎng)，一般采用的方式是壓力油罐、事故油罐同時(shí)建壓，建壓前通常先給油罐注入一定的初始油位，避免建壓過程中管路進(jìn)氣，在建壓到一定壓力時(shí)，將油位調(diào)整至標(biāo)準(zhǔn)油位即可。但是這樣的建壓方式存在很多不足，比如說一般的中壓空壓機(jī)不能長(zhǎng)時(shí)間保持運(yùn)行狀態(tài)，這樣會(huì)導(dǎo)致補(bǔ)氣中斷，大大加長(zhǎng)壓油罐建壓時(shí)間。另外在什么壓力下開始補(bǔ)油至標(biāo)準(zhǔn)油位與最終的建壓時(shí)間有著密切的關(guān)系，通常的初始補(bǔ)氣油位都是隨意選擇，這很大程度上延長(zhǎng)了壓油罐的建壓時(shí)間，而本課題通過數(shù)學(xué)建模研究得出機(jī)組調(diào)速器壓油槽建壓過程中最快速有效的方式，依靠這個(gè)模型結(jié)合實(shí)際提供了一種能夠準(zhǔn)確計(jì)算初始補(bǔ)氣油位的算法，通過此算法獲得的初始補(bǔ)氣油位能夠一定程度上減少建壓所需要的時(shí)間，同時(shí)也能夠減少中壓空壓機(jī)因長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行可能造成故障的幾率。

2 關(guān)鍵技術(shù)問題

本課題所要解決的一個(gè)核心技術(shù)問題是根據(jù)實(shí)際情況建立一個(gè)數(shù)學(xué)模型，通過這個(gè)數(shù)學(xué)模型研究得出機(jī)組調(diào)速器壓油槽建壓過程中最快速有效的方式，根據(jù)建模后的理論分析，得出在什么樣的初始油位下建壓到什么樣的壓力時(shí)開始補(bǔ)油至標(biāo)準(zhǔn)油位。然后根據(jù)實(shí)際工作的需要，在保證不改變建壓過程中原有安全措施的情況下，通過對(duì)此曲線的理論分析從而得出最合適的建壓方式，本課題的重點(diǎn)在于通過理論分析確定在某個(gè)初始油位L初下需要補(bǔ)氣至某個(gè)壓強(qiáng)P1，最終在P1這個(gè)壓強(qiáng)下通過將壓油罐油位補(bǔ)至標(biāo)準(zhǔn)油位，使得此時(shí)壓油罐的壓強(qiáng)剛好達(dá)到額定壓強(qiáng)P。從而使得調(diào)速器壓油槽建壓時(shí)間降至最低，提高運(yùn)行人員在機(jī)組檢修過程的工作效率。

3 參數(shù)獲取

通過查閱某水電站調(diào)速系統(tǒng)壓力油罐詳細(xì)的技術(shù)參數(shù)油罐圓柱體的實(shí)際長(zhǎng)度L的計(jì)算方法。首先壓力油罐的簡(jiǎn)易示意圖如圖1所示，由2個(gè)圓弧形的封頭和1個(gè)圓柱筒組成，想要計(jì)算出不同油位下氣體的體積需要知道中間圓柱體的實(shí)際長(zhǎng)度，計(jì)算筒體長(zhǎng)度L的過程中省去了安全閥凸出部分的體積、進(jìn)人門凸出的體積。設(shè)中間筒體的長(zhǎng)度為L(zhǎng)、封頭的體積為V封、圓柱體直徑為D、圓柱體體積為V圓、壓力油罐總體積為V。

所以V=2V封+V圓

通過查閱壓力油罐設(shè)計(jì)參數(shù)知道壓力油罐體積V為12.5m3、封頭的體積V封為1.1257m3、圓柱體直徑為2m，所以得出L為3.26m。

圖1 壓力油罐示意圖

4 建立數(shù)學(xué)模型

調(diào)速器壓油槽建壓的過程中實(shí)際是空氣由一個(gè)狀態(tài)變?yōu)榱硪粋€(gè)狀態(tài)的平衡，對(duì)于理想氣體來說，是忽略分子間的相互作用力的，它符合克拉伯龍?zhí)岢龅睦硐霘怏w狀態(tài)方程：

這個(gè)方程有4個(gè)變量：P是指理想氣體的壓強(qiáng)，V為理想氣體的體積，n表示氣體物質(zhì)的量，而T則表示理想氣體的熱力學(xué)溫度；還有一個(gè)常量：R為理想氣體常數(shù)。而實(shí)際上理想氣體并不可能存在，許多實(shí)際氣體，特別是那些不容易液化、凝華的氣體（如氧氣、氮?dú)獾龋?，在常溫下的性質(zhì)已經(jīng)十分接近于理想氣體。但是在實(shí)際建壓過程中由于壓強(qiáng)相對(duì)于大氣壓來說偏大，空氣的氣體常數(shù)是變化的，對(duì)于實(shí)際氣體，R與壓力、溫度、氣體種類有關(guān)。

在壓力不太高、溫度較高、密度較小的參數(shù)范圍內(nèi)，按理想氣體計(jì)算能滿足一般工程計(jì)算精度的需要，使用理想氣體狀態(tài)方程就可以了，此時(shí)壓縮系數(shù)等于1。但是在較高壓力、較低溫度或者要求高準(zhǔn)確度計(jì)算時(shí)，需要使用實(shí)際氣體狀態(tài)方程，在計(jì)量氣體流量時(shí)由于要求計(jì)算準(zhǔn)確度較高，通常需要考慮壓縮系數(shù)。獲取氣體的壓縮系數(shù)主要有三種方法：查表法、計(jì)算法、實(shí)驗(yàn)法，此處由于計(jì)算精度要求不高，采用查表法。表1是對(duì)于不同條件下空氣的壓縮系數(shù)：

表1 空氣壓縮系數(shù)表

取當(dāng)時(shí)的建壓溫度為26.8℃，即300K，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（0.1MPa）下空氣的壓縮系數(shù)為0.9999，建壓到額定壓力6.3MPa時(shí)對(duì)應(yīng)的壓縮系數(shù)為0.9903，由于是初略計(jì)算，我們可以看成建壓前后空氣的氣體常數(shù)沒有變化。實(shí)際的建壓過程是這樣一個(gè)過程：根據(jù)工作需要先給壓油罐一個(gè)初始油位，在該初始油位下給壓油罐補(bǔ)氣，補(bǔ)到一定壓力P1時(shí)（設(shè)此時(shí)氣體體積為V1），給壓油罐補(bǔ)油至標(biāo)準(zhǔn)液位1600（此時(shí)壓強(qiáng)剛好為額定壓力P=6.3MPa、氣體體積為V），由于n、R均為常數(shù)，此時(shí)氣體由一個(gè)狀態(tài)過渡到另一個(gè)狀態(tài)滿足：

由于建壓前后室溫變化不大，于是有：

額定壓力下壓油罐空氣的體積主要有壓力氣罐和油罐中除了油以外的體積，其中壓力油罐和氣罐的設(shè)計(jì)體積均為12.5m3，標(biāo)準(zhǔn)液位L額為1600（換算成高度為1.6m），而壓油罐實(shí)際的磁翻板安裝的最低處距離圓柱體底面0.7m，故此處的L額取2300，同樣的對(duì)應(yīng)的初始液位的取值要在原來的基礎(chǔ)上加上700的修正值，即初始液位取0時(shí)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的L初取值應(yīng)該為0.7，而壓力油罐機(jī)械表距磁翻板0刻度線的高度同樣為0.7m，實(shí)際的示意圖如圖2所示。

圖2 壓力油罐

所以可求得V：

得出V=16.64m3、P=6.3MPa。

設(shè)初始油位為L(zhǎng)初，補(bǔ)油前的最終壓強(qiáng)為P1，則

可求出補(bǔ)油前氣體的體積V1：

由P1V1=PV可得：

5 驗(yàn)證計(jì)算

通過MATLAB將上述公式轉(zhuǎn)換為曲線，曲線圖如圖3所示。由圖3可知，初始液位在0到1600這個(gè)區(qū)間內(nèi)，初始液位越低，補(bǔ)油前建壓所需的壓力越低，因此，我們可以得出大概建壓指導(dǎo)，在盡可能低的初始液位下建壓到一定壓力后直接補(bǔ)油可以縮短建壓時(shí)間，具體的對(duì)應(yīng)數(shù)值如表2所示，初始?jí)毫?時(shí)，只需要建壓到4.84MPa，即可開始補(bǔ)油到1600的液位，而如果初始液位為1600，則需要直接建壓到6.29MPa。因此如果沒有相應(yīng)的工作要求，初始液位越低越好，但是考慮到實(shí)際工作，初始液位不能隨意取值，比如說，檢修工作中如果涉及到壓力油罐機(jī)械表校驗(yàn)，需要在建壓時(shí)判斷是否存在漏氣，此時(shí)的初始液位應(yīng)該在700以上，如果說沒有實(shí)際工作要求，可以將初始液位設(shè)為0，由圖2可知，磁翻板的最低液位都在壓力油罐出口閥之上，在這個(gè)液位下同樣可以保證管路在建壓過程中不會(huì)進(jìn)氣。

圖3 初始液位與壓力關(guān)系圖

通過在實(shí)際建壓過程中的對(duì)比，采用上述建壓方式來建壓，很大程度的減少了機(jī)組壓油槽建壓所需要的時(shí)間，也從正面說明了該課題的研究是存在實(shí)際應(yīng)用意義的。

表2 初始液位與壓力關(guān)系表

6 結(jié)論

通過以上論證，日常建壓時(shí)可以根據(jù)表2，選取合適的初始液位，在建壓到相對(duì)應(yīng)的壓力后直接補(bǔ)油到標(biāo)準(zhǔn)液位1600，即可達(dá)到額定壓力，初始液位越低，所需要的建壓時(shí)間越少，考慮到建壓過程中會(huì)導(dǎo)致低壓空壓機(jī)頻繁啟動(dòng)，而中壓空壓機(jī)啟動(dòng)的時(shí)候需要停止建壓，因此，建壓過程中可以采用先只給壓力油罐建壓，在建壓到相應(yīng)壓力需要?jiǎng)訉?dǎo)、槳葉的時(shí)候給管路排氣，停止對(duì)壓力油罐建壓，開始對(duì)事故油罐建壓，由于事故油罐體積較小，同樣可以一定程度上降低建壓時(shí)間和中壓空壓機(jī)啟停次數(shù)。

該方法理論上適合所有水電廠壓油槽建壓，在不同電廠的實(shí)際應(yīng)用中只需要知道調(diào)速器壓油槽相關(guān)的具體參數(shù)，套入模型中就可以有效減少建壓過程所需要的時(shí)間，為機(jī)組檢修流程中的其他項(xiàng)目騰出寶貴的時(shí)間，同時(shí)提高機(jī)組檢修期間運(yùn)行人員的工作效率，推廣應(yīng)用簡(jiǎn)單可行。