基于消能坎技術(shù)的水輪發(fā)電機尾水系統(tǒng)超低頻振蕩抑制方法研究

彭 濤，張海庫，陳啟卷，程遠楚，麥先春，熊中浩

(1.中國大唐集團有限公司，北京 100033；2.武漢大學(xué)動力與機械學(xué)院，湖北 武漢 430072；3.大唐水電科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，廣西 南寧 530025；4.四川大唐國際甘孜水電開發(fā)有限公司，四川 康定 626001)

0 引 言

近十年間，在水力發(fā)電占比較大的西南地區(qū)電網(wǎng)中多次發(fā)生超低頻振蕩(0.01～0.1 Hz)，威脅電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，甚至引發(fā)了嚴重的停電事故。如2012年，錦屏電站首次孤網(wǎng)調(diào)試時出現(xiàn)0.07 Hz超低頻振蕩事件[1]；2016年，云南某水電站孤網(wǎng)運行時，出現(xiàn)長時間的超低頻振蕩，振蕩頻率甚至低于0.05 Hz[2]。文獻[3]統(tǒng)計了南方電網(wǎng)在2008年～2012年5年間發(fā)生的15次功率振蕩事件。

經(jīng)研究，超低頻振蕩現(xiàn)象與調(diào)速系統(tǒng)和控制器參數(shù)密切相關(guān)。文獻[4-6]分析了調(diào)速系統(tǒng)在負阻尼和不同的控制參數(shù)下與超低頻振蕩的關(guān)系，并提出了分界頻率的概念。文獻[7]提出了研究調(diào)速系統(tǒng)慢動態(tài)過程的基本模型，并發(fā)現(xiàn)調(diào)速系統(tǒng)在進行調(diào)節(jié)的過程中，會向電網(wǎng)引入一個超低頻振蕩模態(tài)。文獻[8]通過調(diào)速系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型，從相頻特性分析論證了調(diào)速系統(tǒng)對超低頻振蕩的影響機理。由于負阻尼和控制參數(shù)欠佳造成的水輪發(fā)電機超低頻振蕩問題都能很好地解決。目前有3種主要的解決方案：安裝電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS；通過建模仿真，改變調(diào)速系統(tǒng)控制參數(shù)；注入負阻尼[9]。

水力作用是導(dǎo)致超低頻振蕩問題的特殊因素，比如水庫水位周期性波動，引水管、蝸殼或尾水管壓力脈動過大等。在水力作用中有一種由2臺水輪發(fā)電機尾水互相作用引起的超低頻振蕩：2臺水輪發(fā)電機共用一條尾水管，在一定情況下，2條尾水支管之間產(chǎn)生壓力振蕩，進而引起發(fā)超低頻振蕩。

解決由尾水支管間互相作用引起的超低頻振蕩現(xiàn)象主要措施有2種：避開引起尾水壓力振蕩的運行條件，如限制發(fā)電機輸出功率；改造尾水流道，如修建閘門等。限制發(fā)電機輸出功率只是臨時方案，不能完全解決問題；尾水流道改造施工難度大，施工時間長。因此，解決由尾水系統(tǒng)引發(fā)的超低頻振蕩問題在工程實踐和理論方面需要尋找新的技術(shù)方法。

經(jīng)過相關(guān)文獻搜索，鮮有文獻提出由尾水系統(tǒng)造成的超低頻振蕩問題的解決辦法。消能坎的作用是將泄出的急流轉(zhuǎn)變?yōu)榫徚鳎韵齽幽艿南芊绞?，它可以改變水流的狀態(tài)以及能量。本文提出了一種抑制水輪發(fā)電機超低頻振蕩的尾水支渠消能坎技術(shù)，該方法技術(shù)先進，施工難度小，為解決由尾水問題引發(fā)的超低頻振蕩帶來新思路。通過某水電站實際案例進行分析，利用Matlab、CFD仿真軟件進行仿真，驗證了增加消能坎抑由尾水系統(tǒng)制超低頻振蕩的可行性。

1 工程概況

該水電站裝機容量為4×200 MW，采用“一洞一室兩機”及“單管單機供水”形式布置，每2臺機組組成1個水力單元，即1號和2號機組及其引水發(fā)電系統(tǒng)組成1號水力單元，3號和4號機組及其引水發(fā)電系統(tǒng)組成2號水力單元。每個水力單元采用“一壓力引水道、一上游調(diào)壓室、兩壓力管道、兩臺機、一尾水閘門室、一尾水洞”的布置格局，圖1為該水電廠引水單元示意。

圖1 引水單元示意

2018年5月20日，該水電站出現(xiàn)有功功率波動現(xiàn)象，主要體現(xiàn)在3號和4號機組同時帶負荷后，在沒有進行有功調(diào)整操作的情況下，兩臺機組有功功率均呈現(xiàn)周期性低幅值變化。

5月21日，4號機組負荷為154 MW，3號機組有功由0 MW上升至140 MW后兩臺機組逐漸出現(xiàn)有功波動。3、4號機組單臺機組運行時不存在有功波動現(xiàn)象。隨后出現(xiàn)超低頻振蕩問題。

2 實驗測試情況

2018年9月18日～9月21日，工作組針對該水電站1～4號機組出現(xiàn)的有功功率呈現(xiàn)周期性超低頻微幅值波動現(xiàn)象，對4臺機組進行了不同水頭下變負荷測試、尾水位調(diào)整測試和非水力因素排查測試，確定機組有功波動的負荷區(qū)間和工況條件。

對1號水力單元進行了3次變負荷測試：①1號機帶200 MW負荷，2號機組升至140 MW負荷時，1號機組有功波動逐漸消失，尾水閘門室水位1 402.9 m；②1號機組出現(xiàn)有功波動，波動幅值約1.9 MW，波動頻率約為0.082 Hz，尾水閘門室水位1 402.3 m；③1號機帶200 MW負荷，2號機停機，進行增加生態(tài)流量測試，1號機尾水閘門室水位升至1 402.8 m，1號機組有功波動逐漸消失。對一號水力單元進行了一次變流量測試：1號機帶200 MW負荷，2號機停機，進行減少生態(tài)流量測試，1號機尾水閘門室水位降至1 401.7 m，1號機組有功波動逐漸產(chǎn)生。表1為2號水力單元的變負荷測試情況。

隨后進行非水力因素排除測試，分析得出5個結(jié)論：①與調(diào)速器一次調(diào)頻功能無關(guān)；②與勵磁系統(tǒng)PSS功能無關(guān)；③與調(diào)速器控制模式無關(guān)；④與功率因素?zé)o關(guān)；⑤與勵磁系統(tǒng)無關(guān)。

根據(jù)變負荷、變生態(tài)流量和非水力因素排除測試的結(jié)果，機組負荷越大，3、4號機組越容易產(chǎn)生有功波動且有功波動幅值越大；3、4號機組達到有功波動條件后，需經(jīng)過一段時間的波動耦合，才會發(fā)生明顯的有功波動且雙機有互相疊加增大有功波動的趨勢；在有功波動過程中，蝸殼進口壓力幅值穩(wěn)定，無明顯變化，機組有功波動與蝸殼進口壓力無明顯關(guān)聯(lián)；機組有功波動與非水力因素?zé)o明顯關(guān)聯(lián)。

表1 2號水力單元測試情況

3 解決方案

初步確認波動產(chǎn)生的原因與電站尾水系統(tǒng)相關(guān)。針對1、2號水力單元的特點，采用Matlab、CFD仿真分析軟件，提出了流道特性用水力阻抗模擬的流道仿真方法，結(jié)合尾水過流系統(tǒng)增加消能坎方案的CFD仿真結(jié)果，探討了在尾水流道增加局部水力損失方案的可行性。

采用水力阻抗方法對系統(tǒng)動態(tài)進行仿真，得到尾閘室水壓仿真結(jié)果如圖2所示，圖2a為增加局部損失前系統(tǒng)仿真結(jié)果，圖2b為增加局部損失后的系統(tǒng)仿真結(jié)果。

圖2 仿真的尾閘室水壓曲線據(jù)趨勢

可得到結(jié)論：增大尾水閘門室后兩條尾水叉管的水力損失(阻尼)，則可以發(fā)現(xiàn)，2號水力單元(3號機和4號機)的尾水閘門室處水位振蕩情況消失。這說明，增加尾閘室后支渠內(nèi)的局部水頭損失，有助于抑制機組在穩(wěn)定運行狀態(tài)下的有功功率振蕩現(xiàn)象。經(jīng)對比，增加阻尼后，造成的水頭損失約為0.1 m，約占對應(yīng)發(fā)電工況的0.15%。

3.1 水力計算原理

考慮到在渠道內(nèi)增設(shè)寬頂堰具有一定的工程實現(xiàn)性，因此擬建議在尾水支渠中增設(shè)一定高度的消能坎，使得局部水頭損失在原設(shè)計基礎(chǔ)上增加0.1 m。消能坎形狀的設(shè)計構(gòu)想三視圖如圖3所示。

圖3 消能坎設(shè)計構(gòu)想三視示意

增加消能坎將使得尾水支渠內(nèi)出現(xiàn)堰流，堰流示意圖如圖4所示。

圖4 堰流示意

首先初始化仿真計算的工況(主要改變流量Q，堰前水深H1，局部水頭損失dH)，以堰上水深度H2為因變量，仿真所有可能的H2取值對應(yīng)的情況(0≤H2≤H1)，并找出流量滿足寬頂堰堰流流量計算公式所得理論流量值的那組解對應(yīng)的各狀態(tài)(堰上水深H2、堰高P、水位抬升量C、局部水頭損失dH、實際流量與理論流量偏差dQ)。設(shè)計中考慮了寬頂堰所帶來的堰前水位雍高以及堰體造成的局部水頭損失，計算中能量以水頭能量代替。

堰流示意圖如圖4所示，其中1-1斷面的水頭能量E1的計算為

(1)

式中,H1=H2+C+P,V1、Q1、B分別表示行近流速、渠內(nèi)流量和渠道寬度，g=9.8 m/s2為重力加速度。

斷面2-2上，水流流量不變Q2=Q1，假設(shè)由于寬頂堰會產(chǎn)生局部水頭損失dH，則斷面2-2的能量E2表達式為

(2)

由于能量守恒定律E1=E2+dH，則可以推導(dǎo)出堰體水位雍高高度C滿足式(3)。

(3)

通過式(3)得出各H2可能取值所對應(yīng)的堰前后水位差C，通過式(4)求出各個情況下所需堰的高度。

P=H1-H2-C

(4)

接著，通過將各組H2取值情況下的設(shè)計參數(shù)帶入堰流流量方程式(5)中進行流量試算，堰流流量需滿足該計算式來保證設(shè)計的合理性。

(5)

得到各組參數(shù)取值下的堰流流量計算值Q1′，查找出Q1′最接近于流量設(shè)定值Q1對應(yīng)的參數(shù)作為最終方程的解，為保證計算精度，進行結(jié)果驗算時，需判斷以下兩個公式是否滿足：

H1=H2+P+C

(6)

(7)

計算中，通過首先設(shè)置需要進行仿真的工況(主要改變流量Q，堰前水深H1，局部水頭損失dH)，接著以堰上水深度H2為因變量，仿真所有可能的H2取值對應(yīng)的情況，并找出流量滿足寬頂堰堰流流量計算公式所得理論流量值的那組解對應(yīng)的各狀態(tài)(主要包括：堰上水深H2、所需堰高P、水位抬升量C、局部水頭損失dH、實際流量與理論流量偏差dQ)；仿真程序中考慮了寬頂堰所帶來的堰前水位抬升量以及堰造成的局部水頭損失，程序中能量以水頭能量代替。

所設(shè)計的寬頂堰中，進口采取斜坡式進口，坡度設(shè)為30°，通過查詢《上游斜坡式進口流量系數(shù)表》[10]，可以得到自由溢流的流量系數(shù)m=0.38。

3.2 設(shè)計方案

計算所采用的運行工況信息如下：

尾閘室水位T1=1 400.2 m，流量Q=333 m3/s，工作水頭Ht=67 m，即堰前水深7 m。水力計算結(jié)果為尾閘室水位T1=1 400.2 m，流量Q=333 m3/s，堰前水深H1=7 m，堰上水深H2=5.08 m，堰高P=0.962 4 m，局部水頭損失dH=0.1 m，流量計算偏差dQ=9.13 m3/s。

初步計算結(jié)果表明，要使渠道內(nèi)通過設(shè)置消能坎產(chǎn)生0.1 m的局部水頭損失，則至少需設(shè)置消能坎高度為0.962 4 m，為保證余量，本設(shè)計中選取消能坎高度為1 m。

為增強消能坎對反向水擊波的抑制作用，建議增大消能坎的出口坡度，本設(shè)計中推薦將出口坡度設(shè)為60°。因此，消能坎設(shè)計平面圖如圖5所示，從圖5中可以看出坎的頂面長度為1 m，底面長度為3.31 m，坎的寬度與渠道寬度相等，為11 m。

圖5 消能坎設(shè)計平面尺寸

3.3 三維動力學(xué)仿真驗證

為進一步探究上述設(shè)計方案的合理性，根據(jù)該電站尾水支渠尺寸，通過CFD軟件進行明渠網(wǎng)格搭建和三維動力學(xué)仿真計算，仿真中消能坎的安裝位置和三維模型的網(wǎng)格劃分及壓力分布情況分別如圖6和圖7所示。

通過仿真可得到如下計算結(jié)果：當(dāng)消能坎高度設(shè)置為1 m時，消能坎渠道內(nèi)未加坎時兩斷面水力損失為3 898.38 Pa，加坎后對應(yīng)的水力損失為5 269.44 Pa；增加的水力損失折合水頭為0.139 8 m，

圖6 三維仿真中消能坎安裝位置示意

圖7 消能坎三維模型的網(wǎng)格劃分及壓力分布情況

考慮到水力計算和三維仿真中存在的誤差，此計算結(jié)果基本和3.1節(jié)中水力計算結(jié)果吻合。

4 結(jié) 論

本文通過分析水電站生產(chǎn)過中實際出現(xiàn)機組功率波動問題，進行了變負荷、變生態(tài)流量和非水力因素排除測試實驗，根據(jù)該水電站尾水系統(tǒng)布置格局，初步確認超低頻振蕩產(chǎn)生的原因與該電站的尾水系統(tǒng)有關(guān)。通過水力阻抗法分析，提出增設(shè)一定高度的消能坎的技術(shù)方法。對所提出的消能坎技術(shù)方法進行了詳細的計算設(shè)計，通過仿真分析驗證了消能坎技術(shù)方法能有效的消除尾水系統(tǒng)產(chǎn)生的超低頻振蕩現(xiàn)象。