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)輪室水體會怎樣運動,；探索這一水體運動如何得到控制；探索如何時刻維持轉(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)荷時轉(zhuǎn)輪室水體運動形成科學(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/π×｛GJp（J1＋J2）/LJ1J2｝1/2（rpm）,式中G為軸的扭轉(zhuǎn)彈性系數(shù),、Jp為軸的極慣性矩=π/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,；而今我國有工程實踐人員[1]證實特定條件下空氣阻礙水流運動甚于水的粘滯力,，事實上，我國水力發(fā)電運行實踐中早就發(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)理論與實踐證明：沖擊過程中,，沖擊物所減少的動能ΔT和勢能ΔV之和應(yīng)等于被沖擊物所增加的彈性應(yīng)變能ΔE,，而且作用與反作用同時存在，沖擊應(yīng)變會朝沖擊應(yīng)力方向傳遞,，遇薄弱斷面時如超允許應(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)動部分重量時發(fā)生抬機(jī),。這一點，原來認(rèn)識受前蘇聯(lián)影響較多,，我國該類設(shè)計手冊[2]和教科書[3]不定量描述為：導(dǎo)葉關(guān)閉時,，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,。基于這種理念產(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?。⒆晕秸婵掌茐拈y（動作時已形成大真空度,，水擊波在0.05～0.1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]中指出了四個案例,。此外抬機(jī)的危害性還會在發(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
3．1　目標(biāo),、內(nèi)容和關(guān)鍵問題
本項目研究目標(biāo)是怎樣控制水力機(jī)組甩負(fù)荷時轉(zhuǎn)輪室水體運動使轉(zhuǎn)輪室-尾水管段在機(jī)組甩負(fù)荷時不發(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）；ξmA=σ/2×[（σ2+4）1/2±σ]≈2σ/（2－σ）,，σ=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了,，此段重要些，調(diào)保計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)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驗,，提出“氣阻”概念,，它在治理抬機(jī)中是個有益因素，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,，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補(bǔ)氣，試圖實施近乎瞬時的并且永遠(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)在時間t的狀態(tài)是由t0時的狀態(tài)和t≥t0時的輸入確定，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年借鑒長湖時間繼電器延時補(bǔ)氣提出不延時自動補(bǔ)氣,，那個電氣控制電路的設(shè)計簡單巧妙已有應(yīng)用價值,，凝聚了多年的心血。現(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,。
3．2 項目的來歷
1980年代，筆者注意到國家水力發(fā)電設(shè)計手冊和教科書描述抬機(jī)為：甩負(fù)荷導(dǎo)葉關(guān)閉時,，原已運動在轉(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？長湖用時間繼電器延時補(bǔ)氣治理抬機(jī)寫進(jìn)了國家水利電力部設(shè)計手冊,，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月去時都沒遇上,，1988年底帶學(xué)生實習(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)時心中立即根據(jù)水力、電路,、控制三個源頭理論及水電機(jī)組細(xì)微結(jié)構(gòu)判定系甩負(fù)荷時水輪機(jī)抬機(jī)所致,，真空破壞閥怎么失效？答：c=1435/（1+KD/Eσe（1+9.5α0））1/2｛或1435/（1+KDc2/Ee）1/2約1000m/s[7],，能進(jìn)氣之時間極短,！1988年7月葛洲壩14#機(jī)甩負(fù)荷后抬機(jī)25mm[5]，葛洲壩機(jī)組設(shè)有四只φ500mm的強(qiáng)迫式真空破壞閥,，還同時采用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（32.3～22～15m）大直徑（8.5m）大流量（556）的江西萬安投運了,，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)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，還把長湖延時補(bǔ)氣方案修改為不延時自動補(bǔ)氣,，設(shè)計了巧妙,、簡單的電氣控制電路,，1996年冀姚莊采用并取得好效果。此后一直想搞個多段或曲線關(guān)閉導(dǎo)葉的方案,，由于無計算機(jī)輔助,，無法實施。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,。
3．3 反思與前景
本項目的研究有以下幾個特點，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,，水擊波返回后可由“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代,，是一種經(jīng)驗“補(bǔ)氣”,，是水電工程實踐人員一種經(jīng)驗措施，總之是有實際治抬效果的,，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)計手冊之長湖時間繼電器延時補(bǔ)氣實行揚棄并創(chuàng)新，在甩負(fù)荷時由電氣控制電路立即不延時啟動電動補(bǔ)氣閥,，實現(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運算保證控制系統(tǒng)的高調(diào)節(jié)品質(zhì),，正因為動力學(xué)系統(tǒng)在時間t的狀態(tài)是由t0時的狀態(tài)和t≥t0時的輸入確定，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,，近乎瞬時的補(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施,，具體方案考慮了兩種途徑二擇一,，一是在甩負(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ρ,，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/ρ＊（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,、最佳采信周期,、微分時間、積分時間等細(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)荷時的轉(zhuǎn)輪室水體運動,，為確保我國電源設(shè)備安全作出努力。
本項目歡迎具有甩負(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,，同時也歡迎相關(guān)學(xué)科研究者以及有志此項研究的青年朋友加入,，請聯(lián)系07312300077或[email protected] 。

注釋：
[1]輸水技術(shù),；
[2]國家水利電力部.《機(jī)電設(shè)計手冊》,；
[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]緒方勝彥.《現(xiàn)代控制工程》科學(xué)出版社1981.7。