調(diào)速器導葉開啟時間對水電站過渡過程的影響

張利芬

[摘 要]水電站過渡過程的分析不僅能夠提升操作細節(jié)、降低機組損壞程度，而且還能夠提升自調(diào)品質(zhì)，對于其安全高效運行意義重大，所以針對導葉開啟時間的不同規(guī)定，應結(jié)合實際工程情況，計算出符合設計需求的導葉開啟時間，從而滿足發(fā)電機組及電網(wǎng)的自調(diào)節(jié)系統(tǒng)要求。本文主要介紹了烏泥河PP41型號的調(diào)速器，并在此基礎上分析了速器導葉開啟時間對水電站過渡過程的影響，根據(jù)分析結(jié)果提出導葉開啟時間控制的操作方案，以期為相關工作者及研究人員提供參考依據(jù)。

[關鍵詞]過渡過程 導葉開啟時間 數(shù)值計算 臨界時間

中圖分類號：TV737 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）02-0375-01

一、烏泥河調(diào)速器PP41簡介

武漢長江控制設備研究所在2001年研發(fā)的新型水輪機調(diào)速器實現(xiàn)了計算機編程的特點，其功能結(jié)合了PLC與IPC兩種機型的優(yōu)點，在原有技術(shù)的基礎上，充分發(fā)揮了可編程計算機控制器（PCC）的技術(shù)特點，擴大了試用范圍，主要試用于大、中、小型混流、轉(zhuǎn)漿、貫流、沖擊式等類型機組。它主要以PP41可編程計算機的控制器、操作顯示器及功能模塊為核心硬件，并與接口功能板共同構(gòu)成的可靠性能高的調(diào)節(jié)器。主要功能是測量水輪發(fā)電機的鉆速偏差，并將其按一定調(diào)節(jié)規(guī)律轉(zhuǎn)換成控制導葉開度（和輪葉轉(zhuǎn)角）的信號。

二、調(diào)速器導葉開啟時間對水電站過渡過程的影響

點電站的過渡過程主要分為三個層次：即大波動、小波動及水力干擾過渡過程。這其中在發(fā)生小波動情況時，調(diào)速器會設定自動跟蹤，所以導葉開啟時間的長短不會影響到機組，以下主要對大波動及水利干擾過渡過程進行分析。

1、調(diào)速器導葉開啟時間對水電站大波動過程的影響

假設電網(wǎng)在強度足夠大的情況，這時增加負荷，機組的轉(zhuǎn)速時不變的，調(diào)速器在這種情況下也會自動選擇不參與調(diào)節(jié)，因此增加負荷的時間只會對蝸殼末端動力水壓及尾水管進口斷面壓力、管道沿程壓力分布、調(diào)壓室涌浪水位、阻抗孔口壓造成一定的影響，根據(jù)水錘壓力的計算公式：

公式（1）中，Tw、Ts分別代表了壓力管道水流慣性的加速時間常數(shù)及導葉動作時間，q0-q1為水輪機調(diào)速器在開始時間及結(jié)束時間的相對流量值。由上述公式可得出分析，調(diào)速器機組在增加負荷的過程中，導葉開啟速度的快慢與負水錘的大小是成正比的。而此時蝸殼末端的動水壓力將與其成反比趨勢。因此隨著調(diào)速器導葉開啟時間的減少，機組上游側(cè)沿線最小動水壓分布線的梯度及機組下游測線最大動水壓力線的梯度會逐漸增大。這里引進調(diào)壓室基本方程式：

公式（2）中t代表時間，在運算過程中，將其進行微分，這其中的f、F分別表示陰水管道及調(diào)壓室斷面積，v則代表管道中的水流速度，z是調(diào)壓室的水位，Q表示水輪機的引用流量。這個運算程序中，如果是上游調(diào)壓室則為“+”號，如果是尾水調(diào)壓室則為“—”號。由此可得

由公式（3）可得，調(diào)速器導葉開啟的速度（公式中表示為dQ、dt）會對隧洞水流慣性與調(diào)壓室浪水為產(chǎn)生直接影響。

2、調(diào)速器導葉開啟時間對水力干擾過渡過程的影響

如果采用兩臺機組的布置模式，其中一臺機組在并入有限電網(wǎng)正常運行的情況下，另一臺機組進行增負荷設置，其增負荷的時間長短及大小就會對機組的調(diào)節(jié)品質(zhì)產(chǎn)生影響。以下為水輪機組的運動方程式：

公式（5）中，相關的字母表示為：J是機組轉(zhuǎn)動的慣性矩，Mt、Nt表示為水輪機主動力矩及出力，， M g ， N g為發(fā)電機組的阻抗力矩及出力，ω為機組轉(zhuǎn)動角速度，H為水輪機工作水頭，Q為水輪機引用流量，η為水輪機效率，t為時間。

在水電站調(diào)速器機組導葉開啟的過程中，水輪機進口斷面壓力在水錘作用下會出現(xiàn)下降的現(xiàn)象，而出口斷面則會在水錘作用下發(fā)生上升的現(xiàn)象。在此基礎上就會引起運行機組工作水頭（H）的降低，如果這時機組的效率（η）保持不變，與此同時還要求運行機組出力（Nt）不發(fā)生變化，就要采取相應措施增大其引用流量（Q）。通過以上公式分析可知，水電站調(diào)速器運行機組導葉開啟的程度與動作機組導葉開啟程度成正比。也就是說導葉開啟時間的長短與水錘作用成反比，其開啟的時間越短，水錘作用的效果就越明顯。與此同時也會影響工作水頭及引用流量的幅度，主要表現(xiàn)為工作水頭的降低幅度增大，引用流量的增加幅度也會增大。

而在調(diào)速器水力干擾過渡過程中，主要發(fā)揮作用的是調(diào)速器的開度限制機構(gòu)，如果此時運行機組的開度將要達到某一限制值時，就會限制流量的進一步增加。這時發(fā)電機的阻力矩也會保持原有數(shù)值不變，所以公式（5）的等式兩側(cè)就無法保持平衡，如果等式右側(cè)小于零，運行機組在未達到額定值的條件下就會開始下降，以此為臨界點，運行機組在低于某固定值時就會作以軸為中心的擺動運動。這其中的差值如果不能滿足要求系數(shù)（0～8%），則無法滿足調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定要求。

三、調(diào)速器導葉開啟時間對水電站過渡過程影響的結(jié)果分析

關于水電站過渡的過程運行，很多研究人員及工作人員在結(jié)合實際參數(shù)的情況下做了大量的調(diào)查運算，同時對調(diào)速器機組過渡過程中導葉開啟的規(guī)律進行了一定的總結(jié)，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

1、增大電網(wǎng)的自調(diào)節(jié)系數(shù)

如果運行機組在導葉開啟時開度達到最大臨界值，就要是調(diào)速器保證在原有參數(shù)不變的情況下，進行電網(wǎng)自調(diào)節(jié)系數(shù)的改變，主要的措施步驟是將其自調(diào)節(jié)系數(shù)由0.0向0.5依次增加，這時導葉開啟的相對差值將會減小，直到速度減慢至無法恢復原有的額定轉(zhuǎn)速。此時如果導葉開啟最大臨界值繼續(xù)變大，就還要對自調(diào)節(jié)系數(shù)進行增大處理，例如可由原來的0.0增大的0.5，再繼續(xù)增大到0.8，這樣就能實現(xiàn)導葉開啟的相對差值的減小，從而在一定程度上改善了水力干擾過渡過程的調(diào)節(jié)品質(zhì)。

2、調(diào)整調(diào)速器參數(shù)

第一，假設調(diào)速器參數(shù)還是達到臨界的最大值，就要在保證調(diào)速器其他參數(shù)不變的情況下，改變永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)，可以將其從0.0逐漸遞增至0.8，觀察其前后變化過程可得知，兩次的變化是重合的，所以可以證明氣的增加與改善水力干擾過渡過程并沒有太大的關系，也無法實現(xiàn)提升其品質(zhì)的調(diào)節(jié)。再有一點，調(diào)速器參數(shù)的增加及減少，在調(diào)速器轉(zhuǎn)速變化調(diào)整的前后是差不多相同的，所以說調(diào)速器參數(shù)的調(diào)整對其水力干擾過渡過程的品質(zhì)影響并不明顯。

第二，動作機組的負荷變化會對水力干擾過渡的過程產(chǎn)生影響，一般的情況是隨著動作機組負荷的增加，引用的總流量也會增加，從而導致水頭損失的增加，進而使得運行機組的水頭及流量均減少，降低了機組的工作效率，以至于水力干擾中運行機組的恒定出力小于其初始出力。所以由此得出結(jié)論，調(diào)速器導葉開啟時間的延長會影響其他相關數(shù)據(jù)，比如會造成運行記住出力變化幅度的減少以及震蕩周期的增大，從而影響水力干擾過濾過程的品質(zhì)。

結(jié)論：本文結(jié)合了調(diào)速器導葉開啟的理論及公式計算，完成了導葉開啟時間對水電站過濾過程的影響分析，主要以大波動對導葉開啟時間的影響為重點，計算出導葉開啟的合理時間，從而控制參數(shù)范圍，實現(xiàn)機組轉(zhuǎn)速的額定運行，以滿足發(fā)電機及電網(wǎng)對調(diào)節(jié)系統(tǒng)的要求。并根據(jù)此結(jié)論不斷提升自調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，逐漸向著自動化及專業(yè)化方向發(fā)展。

參考文獻：

[1] 馬善定，汪如澤.水電站建筑物（第二版） [M].北京：中國水利水電出版社， 1995.

[2] 沈祖治，嚴亞芳，王煦時.水輪機甩負荷過渡過程最佳控制的研究[J].利學院學報，1980.3

[3] 舒勝暉，樊紅剛.遺傳算法在抽水蓄能機組導葉關閉規(guī)律優(yōu)化中的應用[J].清華大學學報（自然科學版），200.11