機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)水力機(jī)組過(guò)渡過(guò)程的影響分析

(華北水利水電大學(xué)電力學(xué)院，河南 鄭州 450045)

1 概述

在水力機(jī)組過(guò)渡過(guò)程中，當(dāng)機(jī)組突然甩負(fù)荷時(shí)，會(huì)引起機(jī)組轉(zhuǎn)速上升。水輪機(jī)導(dǎo)葉的快速關(guān)閉又會(huì)引起引水系統(tǒng)中的水擊壓力上升[1]。為保證在甩負(fù)荷過(guò)程中的最大轉(zhuǎn)速上升值和最大水擊壓力不超過(guò)允許值，因此需要通過(guò)對(duì)甩負(fù)荷過(guò)渡過(guò)程的計(jì)算分析，對(duì)甩負(fù)荷過(guò)程中機(jī)組轉(zhuǎn)速上升和蝸殼水壓力升高值重點(diǎn)關(guān)注和監(jiān)測(cè)[2]。水力機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量GD2是水電站設(shè)計(jì)中重要的機(jī)組參數(shù)之一，增大GD2有利于縮短調(diào)節(jié)時(shí)間，可以減小機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)的加速度，在一定的意義上可以減小轉(zhuǎn)速上升值，但是GD2增大意味著需要增大機(jī)組尺寸，大大增加了機(jī)組制造、運(yùn)輸及安裝的困難，同時(shí)還會(huì)增加廠房尺寸，從而增加造價(jià)。此外，增大GD2會(huì)加大機(jī)組運(yùn)行時(shí)振動(dòng)劇烈程度，極大可能會(huì)縮短機(jī)組運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)，從而影響電站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。因此，有必要對(duì)機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量GD2取值進(jìn)行分析，以便為設(shè)計(jì)選值提供合理的依據(jù)。

2 計(jì)算原理與方法

2.1 水錘基本方程

非棱柱體管道中水流的水錘基本方程是：

(1)

(2)

2.2 特征線法

特征線法是目前求解管道水力瞬變最常用的數(shù)值方法，它具有穩(wěn)定性準(zhǔn)則可以建立、邊界條件易編程，可以處理復(fù)雜的系統(tǒng)、適用于各種管道的水力瞬變分析、具有最好的精度[3]。

用特征線法將方程(1)和方程(2)一組擬線性雙曲型偏微分方程轉(zhuǎn)化為兩個(gè)在特征線上的常微分方程：

(3)

(4)

對(duì)于特征線AP：

(5)

對(duì)于特征線BP:

(6)

(3)式和(4)式分別為C+和C-的特征方程和相應(yīng)的特征線方程。將特征方程沿特征線C+和C-積分，用流量代替斷面流速，經(jīng)過(guò)整理可得到一下兩個(gè)表達(dá)式：

C+：QP=CP-CaHP

(7)

C-：QP=Cn+CaHP

(8)

圖1為X-t特征線網(wǎng)格：

圖1 X-t特征線網(wǎng)格

2.3 特性曲線數(shù)據(jù)處理

現(xiàn)利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)水輪機(jī)綜合特性曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到水力機(jī)組過(guò)渡過(guò)程計(jì)算所需要的數(shù)據(jù)，具體步驟如下：

1)將己提取的己知水輪機(jī)運(yùn)行高效率區(qū)數(shù)據(jù)點(diǎn)和邊界約束點(diǎn)作為樣本點(diǎn)，在邊界條件進(jìn)行數(shù)據(jù)踩點(diǎn)加密，減少誤差。確定輸入樣本值P(x，y)和目標(biāo)值T(z)，建立一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其中：

X=[α1，α2，α3，α4，…，α7，α8，…]；

2)經(jīng)調(diào)試后，選擇適當(dāng)?shù)木秸`差參數(shù)值GOAL和徑向基函數(shù)分布參數(shù)SPREAD值，利用MATLAB軟件中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱內(nèi)的函數(shù)newrb(P，T，GOAL，SPREAD)建立并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)培訓(xùn)，進(jìn)而完成水輪機(jī)綜合特性曲面的擬合和延拓；

3)由上述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法得到全區(qū)域綜合特性曲面后，利用軟件中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱內(nèi)的仿真函數(shù)sim(net，P)，即可導(dǎo)出過(guò)渡過(guò)程計(jì)算中所需的數(shù)據(jù)值和數(shù)據(jù)格式。

3 過(guò)渡過(guò)程仿真計(jì)算分析

3.1 機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量GD2的初步取值

水力機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量GD2值，應(yīng)滿足機(jī)組過(guò)渡過(guò)程計(jì)算、電力系統(tǒng)穩(wěn)定及水輪發(fā)電機(jī)制造經(jīng)濟(jì)合理性的要求。在電站機(jī)組型號(hào)是未知的情況下，利用已知參數(shù)，依據(jù)文獻(xiàn)[1]中提供的公式對(duì)GD2進(jìn)行初步計(jì)算:

(7)

其中Di為定子鐵心內(nèi)徑；lt為定子鐵心長(zhǎng)度；K2為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

GD2初步確定后，以此GD2值為基礎(chǔ)，選取一系列的GD2值進(jìn)行過(guò)渡過(guò)程計(jì)算，以確定GD2的合理取值。研究機(jī)組GD2不同取值對(duì)水力機(jī)組過(guò)渡過(guò)程的影響，也就是研究機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量GD2的不同取值對(duì)機(jī)組蝸殼末端水壓力、水輪機(jī)出口斷面水壓力和最大轉(zhuǎn)速上升率的影響。

3.2 實(shí)際工況計(jì)算分析

根據(jù)水力機(jī)組的基本邊界條件、岔管邊界條件、閥門邊界條件、調(diào)壓室模型和上述方法進(jìn)行計(jì)算機(jī)編程，有關(guān)計(jì)算工況G1、G2、G3、G4、G5、G6的圖和結(jié)果分析如表1及圖2～圖7所示。

表1 各個(gè)計(jì)算工況的過(guò)渡過(guò)程計(jì)算分析比較

根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的取值對(duì)機(jī)組轉(zhuǎn)速上升率β影響較大，根據(jù)整體的變化趨勢(shì)來(lái)看對(duì)于蝸殼末端壓力和水輪機(jī)出口斷面的壓力影響較小。根據(jù)上述計(jì)算方法，擴(kuò)大計(jì)算范圍，然后得到更全面的機(jī)組轉(zhuǎn)速上升率β與機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的關(guān)系圖，如圖8所示。

圖8 機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量GD2與機(jī)組轉(zhuǎn)速上升率關(guān)系圖

通過(guò)上圖和表所示可以得出以下結(jié)論：

1)在機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量GD2整個(gè)取值范圍來(lái)看，機(jī)組轉(zhuǎn)速上升率并不隨之成線性變化，但隨機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量GD2的增大而減小，成反比關(guān)系。在實(shí)際生產(chǎn)中往往會(huì)適當(dāng)?shù)脑黾訖C(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量GD2的取值，來(lái)減小機(jī)組的轉(zhuǎn)速上升率。

2)加大機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量GD2，實(shí)際上就是加大機(jī)組轉(zhuǎn)輪直徑，這樣的話就會(huì)使機(jī)組造價(jià)增加，同時(shí)還會(huì)加大運(yùn)輸難度和增加廠房的基礎(chǔ)開(kāi)挖尺寸，這樣不符合經(jīng)濟(jì)性的指標(biāo)。此外，機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量GD2的增大，過(guò)大的機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量GD2，在水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中因轉(zhuǎn)軸偏心引起的震動(dòng)會(huì)加強(qiáng)，不利于機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。所以，GD2取值也不宜過(guò)大。綜合以上元素機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量GD2的最終取值為2 000 t·m2。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量GD2的取值，不僅要根據(jù)過(guò)渡過(guò)程中的機(jī)組轉(zhuǎn)速上升率決定，而且還要考慮多方面的因素，根據(jù)電站的實(shí)際情況來(lái)進(jìn)行選擇。選擇較小的機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量GD2，在水力機(jī)組過(guò)渡過(guò)渡過(guò)程中，機(jī)組轉(zhuǎn)速會(huì)急速上升，對(duì)機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性帶來(lái)危害，所以取值不宜過(guò)小。選擇較大的機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量GD2，實(shí)際上是加大了機(jī)組轉(zhuǎn)輪體尺寸，這樣造價(jià)就會(huì)增加，同時(shí)也增加廠房的基礎(chǔ)開(kāi)挖和尺寸，給機(jī)組的制造、運(yùn)輸和安裝帶來(lái)了極大的困難，這樣的做法是不經(jīng)濟(jì)的。GD2過(guò)大，在運(yùn)行過(guò)程中水力機(jī)組轉(zhuǎn)軸偏心引起的振動(dòng)會(huì)加強(qiáng)，不利于機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，所以取值也不宜過(guò)大。隨著調(diào)速設(shè)備的設(shè)計(jì)水平的提高，機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升率的允許值有了較大的提高，以過(guò)大的GD2換取較小的機(jī)組轉(zhuǎn)速上升率是不科學(xué)的。