本發(fā)明涉及一種整定爆破膜啟爆壓力的方法，屬于水利水電工程領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
調(diào)壓室的功用是縮短壓力管道或尾水管道的長(zhǎng)度，優(yōu)化增減負(fù)荷時(shí)的各種特征參數(shù)指標(biāo)，對(duì)提高電站的運(yùn)行安全性、供電質(zhì)量有著不可忽視的作用。但調(diào)壓室一般尺寸較大，造價(jià)較高，尤其地下式電站對(duì)圍巖穩(wěn)定和支護(hù)影響較大。有時(shí)受到地形地質(zhì)條件的限制，亦難以在合適的位置建造調(diào)壓井。對(duì)于中小型水電工程來(lái)說(shuō)，由于其水道較長(zhǎng)、水體慣性較大，極易發(fā)生直接水錘事故，故對(duì)于這一類中小型電站為降低工程造價(jià)，滿足調(diào)保要求，采用爆破膜方案取代調(diào)壓井方案(即“以膜代井”方案)具有較明顯的優(yōu)勢(shì)，因而在國(guó)內(nèi)外一些長(zhǎng)引水管道的中小型電站上，爆破膜得到了普遍應(yīng)用。爆破膜是用機(jī)械裝置代替調(diào)壓井的一項(xiàng)研究成果，其工作原理是：將一組經(jīng)過(guò)嚴(yán)格計(jì)算、準(zhǔn)確制造加工的金屬膜片，安裝在壓力管道末端，作為人為給定的薄弱環(huán)節(jié)(如圖1所示)。當(dāng)機(jī)組突然甩負(fù)荷，水壓力上升達(dá)到整定值時(shí)，膜片爆破，泄放流量，壓力下降。如果泄量不夠，隨著導(dǎo)葉的繼續(xù)關(guān)閉，水壓力再次上升，當(dāng)達(dá)到整定的爆破壓力時(shí)，又有其他膜片相繼爆破，泄流面積增大，使整個(gè)引水系統(tǒng)各部分的水壓力均控制在允許值以內(nèi)。由于水壓力得到有效控制，導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間可縮短，從而使機(jī)組的轉(zhuǎn)速升高亦控制在允許值以內(nèi)。一般情況下，爆破膜結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括壓力鋼管1和支管2，在支管末端設(shè)置爆破膜3并用螺栓等緊固件4將爆破膜固定。但目前爆破膜設(shè)置相關(guān)技術(shù)體系還不夠完善，限制了爆破膜防護(hù)措施的應(yīng)用。其中，爆破膜啟爆壓力的整定就是爆破膜設(shè)置技術(shù)體系中的一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)。爆破膜的啟爆壓力是指作用在爆破膜孔口的測(cè)壓管水頭差達(dá)到了膜片的極限值而爆破的壓力值，啟爆壓力的整定則是確定這個(gè)壓力值并為廠家提供設(shè)計(jì)依據(jù)的工作。爆破膜的啟爆壓力是正確設(shè)置爆破膜調(diào)保措施的一個(gè)極為重要參數(shù)，但前人所作的研究中，并沒(méi)有對(duì)這個(gè)問(wèn)題太過(guò)重視，亦沒(méi)有給出相應(yīng)的整定方法或準(zhǔn)則，大多認(rèn)為爆破膜的爆破壓力應(yīng)小于設(shè)計(jì)規(guī)定的蝸殼壓力，但僅僅憑啟爆壓力HB小于規(guī)定的蝸殼壓力這一非常粗略的條件是不足以正確整定出啟爆壓力的。并且，爆破膜不能同級(jí)備用，即如果設(shè)置多片爆破膜，各爆破膜的爆破壓力一致，其效果相當(dāng)于設(shè)置直徑更大的爆破膜，啟爆后產(chǎn)生的負(fù)壓波傳至上游可能造成上游壓力隧洞失事。顯然，如若啟爆壓力整定出錯(cuò)，則會(huì)影響爆破膜的水錘防護(hù)效果，甚至給將來(lái)應(yīng)用此項(xiàng)不成熟技術(shù)的電站埋下安全隱患。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對(duì)當(dāng)前爆破膜設(shè)置技術(shù)體系中存在的理論缺陷，爆破膜啟爆壓力的整定這一關(guān)鍵性問(wèn)題，本發(fā)明旨在對(duì)爆破膜啟爆壓力整定起決定性的幾個(gè)因素進(jìn)行了研究，并定性的給出啟爆壓力大小的整定方法，可便捷的用于爆破膜的設(shè)置，而省略繁瑣的過(guò)渡過(guò)程數(shù)值模擬計(jì)算，從而完善中小型水電站采用爆破膜作為水錘防護(hù)措施的設(shè)計(jì)技術(shù)體系。為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：步驟一，確定爆破膜啟爆壓力的主要影響因素；步驟二，推導(dǎo)爆破膜啟爆壓力整定的計(jì)算公式；步驟三，整定各級(jí)爆破膜啟爆壓力。具體地，所述步驟一中影響爆破膜啟爆壓力的三個(gè)主要因素分別為：(1)升壓波傳至爆破膜及降壓波傳至機(jī)組過(guò)程中的水頭損失；(2)設(shè)升壓波傳至爆破膜的時(shí)間t1，爆破膜爆破后產(chǎn)生的降壓波傳至機(jī)組的時(shí)間t2，在t1+t2時(shí)間內(nèi)蝸殼末端的壓力上升值；(3)由膜片制作工藝及誤差所需留有的安全裕量。具體地，所述步驟二中爆破膜啟爆壓力整定的計(jì)算公式為其中，H1為爆破膜最高一級(jí)的啟爆壓力；Hmax為規(guī)定的蝸殼末端最大壓力；hf0為恒定狀態(tài)下爆破膜至機(jī)組總的水頭損失；[H]為留有的安全裕量，其取值可根據(jù)膜片制作工藝及誤差而定；L1為爆破膜位置距機(jī)組的距離；a1為水錘波的波速；k為初始階段水錘壓力上升斜率。具體地，爆破膜不能同級(jí)備用，在設(shè)置多級(jí)爆破膜時(shí)，低一級(jí)的啟爆壓力應(yīng)比高一級(jí)的小一安全值，所述步驟三中各級(jí)爆破膜啟爆壓力的整定方法為H1′＝H1-a，H1″＝H1′-a,……其中，a為各級(jí)啟爆壓力間的安全差值；H1′為第二級(jí)啟爆壓力；H1″為第三級(jí)啟爆壓力；...上述爆破膜啟爆壓力的影響因素及啟爆壓力的整定方法推算過(guò)程如下：根據(jù)水力學(xué)的相關(guān)知識(shí)，機(jī)組正常運(yùn)行的恒定流狀態(tài)下，任一時(shí)刻都有HC＝HB-hf(1)式中，HC為閥門(或機(jī)組)節(jié)點(diǎn)處的測(cè)壓管水頭；HB為爆破膜安裝節(jié)點(diǎn)處的測(cè)壓管水頭；hf為閥門(或機(jī)組)節(jié)點(diǎn)至爆破膜節(jié)點(diǎn)間的水頭損失。故爆破膜啟爆壓力的整定首先需考慮水頭損失的影響。其次，在機(jī)組事故甩負(fù)荷后，蝸殼末端壓力隨著導(dǎo)葉的關(guān)閉急速上升，且產(chǎn)生的升壓波源源不斷的向爆破膜傳去，當(dāng)傳至爆破膜前的測(cè)壓管水頭達(dá)到整定的啟爆壓力時(shí)，爆破膜爆破泄水降壓(見圖2)。因此，在升壓波及降壓波傳播的過(guò)程中，蝸殼末端的壓力上升需納入考慮范圍。再者，考慮到爆破膜片制作工藝和材料均勻性的差別以及公式整定的誤差，啟爆壓力的整定亦需留有一定的安全裕量。綜上所述，爆破膜的啟爆壓力至少由以下三因素決定：(1)升壓波傳至爆破膜及降壓波傳至機(jī)組過(guò)程中的水頭損失(壓力衰減忽略不計(jì))；(2)設(shè)升壓波傳至爆破膜的時(shí)間t1，爆破膜爆破后產(chǎn)生的降壓波傳至機(jī)組的時(shí)間t2，在t1+t2時(shí)間內(nèi)蝸殼末端的壓力上升值；(3)留有一定的安全裕量。因此，有Hmax+hf＝H1+ΔH+[H](2)式中，Hmax為規(guī)定的蝸殼末端最大壓力；H1為爆破膜啟爆壓力；[H]為留有的安全裕量，其取值可根據(jù)膜片制作工藝及誤差而定；hf為非恒定狀態(tài)下的水頭損失，包括沿程水頭損失和局部水頭損失，主要是三岔管及閥門處的局部水頭損失，可由恒定狀態(tài)下的水頭損失近似計(jì)算，設(shè)恒定狀態(tài)下爆破膜至機(jī)組總的水頭損失為hf0，則hf＝hf0；ΔH為t1+t2時(shí)間內(nèi)蝸殼末端的壓力上升值，由爆破膜位置距機(jī)組的距離L1、波速a1及壓力上升斜率k共同決定，故2L1/a1一般小于2s，故在此時(shí)間段內(nèi)，蝸殼末端的壓力上升可近似認(rèn)為是直線上升的。聯(lián)立式(2)及式(3)可得式(4)即為爆破膜啟爆壓力整定的近似估算公式。另外，雖然爆破膜能夠在瞬間解決管道壓力過(guò)大的問(wèn)題，但同時(shí)也帶來(lái)了一個(gè)非常嚴(yán)峻的問(wèn)題，由于爆破膜是瞬間啟爆，類似于管道發(fā)生爆管事故，如設(shè)置不當(dāng)將在管道產(chǎn)生直接負(fù)水錘，爆破膜雖然保護(hù)了機(jī)組附近管道系統(tǒng)，但對(duì)遠(yuǎn)離機(jī)組的管道，尤其是上游的壓力隧洞，初始工作壓力較低，一旦不能有效消除爆破膜啟爆時(shí)產(chǎn)生的負(fù)壓，就可能造成上游壓力隧洞失事。故爆破膜的膜片直徑不宜過(guò)大，不能同級(jí)備用，即當(dāng)安裝一片爆破膜能夠滿足要求時(shí)，不能再加裝一個(gè)同樣啟爆壓力的膜片作為備用，且不可隨意增加膜片數(shù)量。在實(shí)際工程中，一般設(shè)置一片爆破膜是不夠的，公式(4)實(shí)際上確定的是最高一級(jí)的爆破膜啟爆壓力，低一級(jí)的啟爆壓力應(yīng)比高一級(jí)的小一安全值a，此值宜根據(jù)膜片的制造工藝確定，即H1′＝H1-a，H1″＝H1′-a,……(5)有益效果：本發(fā)明對(duì)比已有技術(shù)，揭示了影響爆破膜啟爆壓力的三個(gè)主要因素，成功地給出了爆破膜啟爆壓力的整定方法。本發(fā)明在采用爆破膜作為水錘防護(hù)措施的水電站工程設(shè)計(jì)中可以提供理論基礎(chǔ)，便捷的用于爆破膜的設(shè)置，而省略繁瑣的過(guò)渡過(guò)程數(shù)值模擬計(jì)算，從而完善中小型水電站采用爆破膜作為水錘防護(hù)措施的設(shè)計(jì)技術(shù)體系，具有非常大的應(yīng)用前景。附圖說(shuō)明圖1為爆破膜布置簡(jiǎn)圖；圖2為爆破膜啟爆降壓原理圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例某實(shí)際電站輸水系統(tǒng)布置簡(jiǎn)圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例選定方案(膜徑0.20m)蝸殼末端及各爆破膜前壓力變化過(guò)程；圖5為本發(fā)明實(shí)施例不同啟爆壓力設(shè)置下A點(diǎn)水錘壓力變化過(guò)程線。圖中：壓力鋼管1，壓力支管2，爆破膜3，螺栓等緊固件4，上游水庫(kù)5，上游閘門井6，上平段末7，水輪機(jī)組8，下游水庫(kù)9。具體實(shí)施方式圖3為國(guó)內(nèi)某實(shí)際電站輸水系統(tǒng)布置簡(jiǎn)圖，圖中依次布置有上游水庫(kù)5，上游閘門井6，上平段末7，壓力鋼管1，壓力支管2，爆破膜3，水輪機(jī)組8，下游水庫(kù)9。該電站采用“一洞兩機(jī)”的布置型式，基本參數(shù)為：裝機(jī)容量為2×3.125MW，額定水頭183.00m，額定流量2.085m3/s，額定轉(zhuǎn)速1000r/min；引水管道直徑1.80m，引水道長(zhǎng)約6578.82m，支管直徑0.7m，長(zhǎng)47.6m，爆破膜支路管徑0.7m，長(zhǎng)約20.0m。上庫(kù)最高水位1467.98m，正常蓄水位1467.60m；下庫(kù)正常尾水位1271.23m，最低尾水位1270.68m。機(jī)組9s一段直線關(guān)閉，現(xiàn)采用爆破膜作為調(diào)節(jié)保證措施。根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，采用爆破膜時(shí)的調(diào)節(jié)保證計(jì)算控制標(biāo)準(zhǔn)為：輸水管路中沿程最小壓力大于2.0m；機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升率不超過(guò)額定轉(zhuǎn)速的55.0％；蝸殼最大壓力控制值Hmax＝255.0m。爆破膜不動(dòng)作的前提下，爆破膜前初始?jí)毫B0＝199.08m，1#(2#)機(jī)組蝸殼末端初始?jí)毫C0＝183.25m，t＝4s內(nèi)機(jī)組蝸殼末端壓力升至HC1＝283.69m，壓力波從機(jī)組傳至爆破膜所需時(shí)間約t1＝0.6s。則hf0＝HB0-HC0＝199.08-183.25＝15.83mΔH＝2(HC1-HC0)t1/t＝2×(283.69-183.25)×0.6/4＝30.13m若不考慮預(yù)留裕量，則基于上述計(jì)算結(jié)果，利用式(4)便可得到爆破膜最高一級(jí)的啟爆壓力H1＝Hmax+hf0-ΔH-[H]＝255.0+15.83-30.13＝240.7m設(shè)預(yù)留裕量[H]＝0.7m，則H1＝240.7-0.7＝240.0m考慮膜片間安全值a＝5.0m，則第二級(jí)，第三級(jí)…爆破壓力有H1′＝H1-a＝240.0-5.0＝235.0mH1″＝H1′-a＝235.0-5.0＝230.0m…表1給出了按照傳統(tǒng)爆破膜啟爆壓力設(shè)置和按照本發(fā)明設(shè)置啟爆壓力下的計(jì)算結(jié)果。當(dāng)將4片0.2m的爆破膜啟爆壓力均整定為240.0m時(shí)，4片爆破膜同時(shí)啟爆會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的負(fù)壓波，由于隧洞A點(diǎn)初始?jí)毫^低，使得A點(diǎn)的最低壓力達(dá)到-31.15m(此時(shí)水體早已汽化)，從而導(dǎo)致隧洞失事坍塌。而若按照本發(fā)明所述方法設(shè)置，則即能保證機(jī)組處的最大壓力及轉(zhuǎn)速滿足調(diào)保要求，也能保證整個(gè)輸水管道最小壓力滿足要求，結(jié)果如圖4～圖5所示。相應(yīng)計(jì)算結(jié)果說(shuō)明，爆破膜不可同級(jí)備用，各級(jí)啟爆壓力之間應(yīng)存在一差值，避免所設(shè)置的爆破膜同時(shí)啟爆，產(chǎn)生過(guò)大的負(fù)壓波，造成上游引水隧洞失事。表1不同爆破膜啟爆壓力設(shè)置及關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算結(jié)果注：A點(diǎn)為輸水系統(tǒng)出現(xiàn)最小壓力的上平段末節(jié)點(diǎn)。以上結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式做出詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明不局限于所描述的實(shí)施方式。對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，在本發(fā)明的原理和技術(shù)思想的范圍內(nèi)，對(duì)這些實(shí)施方式進(jìn)行多種變化、修改、替換和變形仍落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。