應(yīng)用阻尼坎的大型水電機(jī)組有功振蕩抑制方法

張海庫(kù), 陳啟卷, 鄭 陽(yáng), 耿清華, 王 亮

(1.武漢大學(xué) 動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院,武漢 430072； 2.大唐水電科學(xué)技術(shù)研究院有限公司,成都 610074； 3.四川大學(xué) 水利水電學(xué)院，成都 610065)

現(xiàn)代電力系統(tǒng)運(yùn)行工況復(fù)雜多變，低頻振蕩事件頻繁發(fā)生，是威脅電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的問(wèn)題之一[1]。低頻振蕩是指在正常運(yùn)行狀態(tài)下保持同步運(yùn)行的電力系統(tǒng)，在受到突發(fā)或持續(xù)性的擾動(dòng)而引起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子間持續(xù)性的相對(duì)擺動(dòng)。當(dāng)系統(tǒng)缺乏阻尼時(shí)會(huì)導(dǎo)致持續(xù)振蕩，這種振蕩的振蕩頻率較低，一般為0.2～2.5 Hz[2]。近年來(lái)，隨著大容量、遠(yuǎn)距離直流輸電技術(shù)在實(shí)際電網(wǎng)中的廣泛應(yīng)用，系統(tǒng)中出現(xiàn)了一些振蕩頻率低于0.1 Hz的超低頻振蕩現(xiàn)象[3-8]。

引起低頻振蕩的原因很多，主要有勵(lì)磁控制系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)阻尼引起無(wú)功振蕩，有效解決方法是配置電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS，用附加正阻尼抑制低頻振蕩[9]。調(diào)速器系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)阻尼引起有功振蕩，有效緩解方法是改變調(diào)速器，特別是一次調(diào)頻參數(shù)，降低調(diào)速器所產(chǎn)生的負(fù)阻尼[10-11]。引起超低頻振蕩的另一種原因是水力因素作用，如水庫(kù)水位周期性波動(dòng)，引水管、蝸殼或尾水管壓力脈動(dòng)過(guò)大等[12]。

本研究針對(duì)兩臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組共用一條尾水渠，在某種條件下，兩條尾水支管之間產(chǎn)生壓力波動(dòng)，進(jìn)而引起發(fā)電機(jī)功率較大幅度振蕩問(wèn)題，采用水力和水工技術(shù)措施，有效抑制這種尾水壓力波動(dòng)。目前，解決尾水支管壓力振蕩最常見(jiàn)的措施主要有：避開(kāi)引起尾水壓力振蕩的運(yùn)行條件，比如限制水輪發(fā)電機(jī)功率輸出等，破壞誘發(fā)振蕩的條件，不過(guò)這只能是臨時(shí)措施，極不經(jīng)濟(jì)。另一種方法為改造尾水流道，包括修建閘門(mén)等，提高流道水壓振蕩正阻尼。由于水電站尾水渠一般屬于地下建筑，改造尾水流道，不僅施工難度大，而且施工時(shí)間長(zhǎng)，也極不經(jīng)濟(jì)。因此，工程實(shí)踐和理論都需要找尋一種新技術(shù)和新方法。

鑒于此，本文提出一種抑制水輪發(fā)電機(jī)超低頻振蕩的新方法，在即保證發(fā)電機(jī)運(yùn)行效率的情況下，同時(shí)還可有效抑制尾水支渠的水力波動(dòng)，進(jìn)而解決有功振蕩問(wèn)題，此方法具有實(shí)施簡(jiǎn)單和經(jīng)濟(jì)適用的優(yōu)點(diǎn)。

1 水力計(jì)算原理

在電站尾水渠支渠特定部位加裝阻尼坎，使支渠內(nèi)近似形成堰流，通過(guò)堰上產(chǎn)生的局部水頭損失達(dá)到消能減振的目的。渠道內(nèi)水流流態(tài)示意圖如圖1所示。

圖1 渠道內(nèi)水流流態(tài)示意圖Fig.1 The flow pattern in channel

圖1中，H1和H2分別為1-1斷面、2-2斷面的壓力水頭；v1和v2分別為1-1斷面、2-2斷面的水流流速；P為堰高；Z為堰前后水位降落高度。

1.1 堰流的流態(tài)類型

步驟1考慮行近流速的1-1斷面總水頭為

(1)

步驟2由于支渠內(nèi)堰后2-2斷面水深未知，首先假設(shè)支渠內(nèi)水流形成自由溢流。根據(jù)堰流基本公式，由于阻尼堰安裝部位過(guò)流面無(wú)側(cè)向收縮，故該工況下自由溢流流量的理論計(jì)算值Q1_free可由式(2)計(jì)算[13]

(2)

式中:m為堰的流量系數(shù);B為堰寬度;g為重力加速度;H0為堰前行近總水頭。

步驟3判斷|(Q1_free-Q1)/Q1_free|×100%的值是否達(dá)到閾值精度

若|(Q1_free-Q1)/Q1_free|×100%小于1%，則說(shuō)明流量估算收斂，該條件下堰前后形成自由溢流，Q1=Q1_free；若|(Q1_free-Q1)/Q1_free|×100%大于1%，則說(shuō)明流量估算不收斂，令Q1=Q1_free，v1=Q1/[B×(H1+P)]重復(fù)循環(huán)執(zhí)行步驟1～步驟3，直至自由溢流流量估算收斂，記錄Q1_free。

步驟4比較計(jì)算出的渠內(nèi)自由溢流理論流量Q1_free和該工況的實(shí)際流量，若|(Q1_free-Q1)/Q1_free|×100%小于5%則近似認(rèn)為渠內(nèi)流態(tài)為自由溢流，否則認(rèn)為渠內(nèi)流態(tài)為淹沒(méi)溢流。

1.2 坎下游淹沒(méi)深度及局部水頭損失

步驟1根據(jù)實(shí)際流量Q1和自由溢流理論流量Q1_free計(jì)算該工況下淹沒(méi)系數(shù)的取值σs=Q1/Q1_free。

步驟2查實(shí)用堰淹沒(méi)系數(shù)表[14]，如表1。通過(guò)線性差值得到堰下游淹沒(méi)深度與堰上游總水頭的比值hs/H0。由于H0已知，可以求得堰下游淹沒(méi)深度hs，進(jìn)而容易求得堰前后水位差Z、堰后2-2斷面穩(wěn)態(tài)流速v2。

表1 實(shí)用堰淹沒(méi)系數(shù)表Tab.1 The submergence coefficient of practical weir

步驟3根據(jù)式(3)解出水流通過(guò)堰產(chǎn)生的局部水頭損失ΔH。

(3)

1.3 阻尼坎水力計(jì)算

通過(guò)流體力學(xué)中明渠內(nèi)堰流淹沒(méi)溢流的基本原理，對(duì)下游尾水閘門(mén)室水位分別在1 403 m水位下的共3種典型設(shè)計(jì)工況加裝阻尼坎后的支渠內(nèi)流態(tài)進(jìn)行計(jì)算仿真，探尋阻尼坎在不同工況下通過(guò)局部水力損失進(jìn)行消能減振的適應(yīng)規(guī)律奠定基礎(chǔ)。

(1) 計(jì)算工況1：當(dāng)機(jī)組發(fā)電水頭Ht=72 m，發(fā)電功率為額定功率N=200 MW時(shí)，尾水支渠內(nèi)水深為10 m，各支渠內(nèi)流量Q1=310 m3/s。

支渠內(nèi)加裝的梯型阻尼坎高度為P=1 m，該工況下堰流水力計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 計(jì)算工況1的水力計(jì)算結(jié)果Tab.2 The hydraulic calculation results of calculation condition 1

(2) 計(jì)算工況2：當(dāng)機(jī)組發(fā)電水頭Ht=72 m，發(fā)電功率為額定功率N=120 MW時(shí)，尾水支渠內(nèi)水深為10 m，各支渠內(nèi)流量Q1=186 m3/s。

支渠內(nèi)加裝的梯型阻尼坎高度為P=1 m，該工況下堰流水力計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 計(jì)算工況2的水力計(jì)算結(jié)果Tab.3 The hydraulic calculation results of calculation condition 2

(3) 計(jì)算工況3：當(dāng)機(jī)組發(fā)電水頭Ht=72 m，發(fā)電功率為額定功率N=200 MW時(shí)，尾水支渠內(nèi)水深為10 m，各支渠內(nèi)流量Q1=310 m3/s。

支渠內(nèi)加裝的梯型阻尼坎高度為P=2 m，該工況下堰流水力計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 計(jì)算工況3的水力計(jì)算結(jié)果Tab.4 The hydraulic calculation results of calculation condition 3

2 阻尼坎設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過(guò)改變尾水渠的水力阻尼，可達(dá)到消減機(jī)組穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)水力振蕩，穩(wěn)定電站尾水流態(tài)的目的。考慮到具有淹沒(méi)消能作用的尾水支渠型襯砌段中流態(tài)復(fù)雜，如圖2所示，初步設(shè)計(jì)在尾水閘門(mén)室后的尾水支渠型襯砌段上設(shè)置擋水建筑物，取名阻尼坎，以增加水頭損失。

圖2 尾水支渠結(jié)構(gòu)和阻尼坎位置布置圖Fig.2 The layout of tailrace branch canal structure and damping sil

如圖3所示，阻尼坎截面為梯形，迎水面為斜坡式進(jìn)水口，斜邊與底部之間的夾角為銳角。安裝在兩臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)共用尾水渠之前的某一臺(tái)尾水支渠底部，并且與尾水支渠的寬度相等。在設(shè)定的高度值的情況下，所產(chǎn)生的局部水頭損失能夠降低尾水支渠壓力振蕩幅值。

圖3 阻尼坎設(shè)計(jì)圖Fig.3 The design drawing of damping sil

2.2 阻尼坎建模仿真

2.2.1 模型構(gòu)建

為進(jìn)一步探究上述設(shè)計(jì)方案的合理性，根據(jù)某大型電站尾水支渠尺寸，通過(guò)Fluent軟件[15]進(jìn)行明渠網(wǎng)格搭建和三維動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算，仿真中阻尼坎結(jié)構(gòu)形狀分別如圖4所示。

2.2.2 多工況仿真

利用FLUENT軟件，采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型與VOF多相流模型，進(jìn)行仿真計(jì)算，邊界條件為：

(1) 入口處：根據(jù)自由水面高度，水面以下為液相，設(shè)為速度入口；自由水面以上氣相，設(shè)為和液相同樣的速度入口。速度入口條件中，給定初速度，選擇湍動(dòng)能k和紊流耗散率，具體值由公式計(jì)算可得出。

(2) 出口處：電站尾水出口為明渠出口，出流邊界定為明渠邊界，出口邊界條件設(shè)置為壓力出口。

(3) 壁面邊界條件：壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，定義為無(wú)滑動(dòng)邊界條件，設(shè)置壁面粗糙常數(shù)為0.014。

考慮到在渠道內(nèi)增設(shè)寬頂堰具有一定的工程可實(shí)現(xiàn)性，因此擬建議在尾水支渠中增設(shè)一定高度的阻尼坎，使得渠內(nèi)局部水頭損失在原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上增加。

按照水深10 m，分別對(duì)應(yīng)尾水閘門(mén)室水位1 400 m和1 403 m，阻尼堰高度分別為1 m和2 m，進(jìn)行了2組仿真試驗(yàn)。

試驗(yàn)1 當(dāng)水深為10 m，堰高為1 m時(shí)，前后取兩斷面，壓強(qiáng)分布如圖5、圖6所示。

圖5 水深10 m，堰高1 m時(shí)堰前斷面壓力分布Fig.5 The pressure distribution in front of weir when water depth is 10 m and weir height is 1 m

圖6 水深10 m，堰高1 m時(shí)堰后斷面壓力分布Fig.6 The pressure distribution of cross section behind weir when water depth is 10 m and weir height is 1 m

試驗(yàn)2 當(dāng)水深為10 m，堰高為2 m時(shí)，前后取兩斷面，壓強(qiáng)分布如圖7、圖8所示。

圖7 水深10 m，堰高2 m時(shí)堰前斷面壓力分布Fig.7 The pressure distribution in front of weir when water depth is 10 m and weir height is 2 m

圖8 水深10 m，堰高2 m時(shí)堰后斷面壓力分布Fig.8 The pressure distribution of cross section behind weir when water depth is 10 m and weir height is 2 m

2.2.3 仿真結(jié)果分析

利用FLUENT軟件讀取各斷面底部壓強(qiáng)平均值，前后兩斷面相減即為水力損失，數(shù)據(jù)匯總?cè)缦拢?/p>

進(jìn)行10 m水深計(jì)算時(shí)，液面以上氣體給定了與液相速度入口相同的初速度，液面上部氣體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生碰撞，部分氣體向頂部壁面運(yùn)動(dòng)積壓，故頂部壓力亦大于中部。兩者在自由液面處壓強(qiáng)相同，區(qū)別在于對(duì)上部氣體運(yùn)動(dòng)的考慮，不影響自由液面下部水流運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)明渠內(nèi)水深為10 m，堰高為1 m時(shí)，水流流經(jīng)明渠后造成的水力損失折合成水頭為0.24 m；堰高為2 m時(shí)，水流流經(jīng)明渠后造成的水力損失折合成水頭為0.43 m；

由流體力學(xué)知識(shí)可知，當(dāng)水深更大時(shí)，相同流量下水流流速較小，坎造成的水力損失應(yīng)更小[16]，上述結(jié)果符合此規(guī)律。因此，三維仿真與水力計(jì)算中阻尼坎起局部水力損失隨明渠水深及堰高的變化規(guī)律一致，從而進(jìn)一步說(shuō)明所建立模型的正確性。

3 控制效果對(duì)比分析

3.1 某電站基本概況及存在問(wèn)題

3.1.1 電站基本概況

某電站安裝4臺(tái)200 MW水電機(jī)組，采用“一洞一室兩機(jī)”及“單管單機(jī)供水”布置,每?jī)膳_(tái)機(jī)組組成一個(gè)水力單元，如圖9所示。每個(gè)水力單元采用“一壓力引水道、一上游調(diào)壓室、二壓力管道、兩臺(tái)機(jī)、一尾水閘門(mén)室、一尾水洞”的布置格局。引水發(fā)電系統(tǒng)由進(jìn)水口、2條長(zhǎng)約2 642.33/2 680.81 m、內(nèi)徑14.5 m的壓力引水道、2個(gè)阻抗長(zhǎng)廊式引水調(diào)壓室、4條長(zhǎng)約140.79 m、內(nèi)徑9.2 m的壓力管道、4條尾水連接管、2個(gè)尾水閘門(mén)室、2條無(wú)壓尾水隧洞和出口組成。調(diào)壓室下部用隔墻分為2室，上部連通。2條尾水隧洞為城門(mén)洞型。

圖9 某電站廠房布置圖Fig.9 The layout of a power plant

3.1.2 運(yùn)行存在問(wèn)題

2018年5月，西南電網(wǎng)和華中電網(wǎng)開(kāi)展異步聯(lián)網(wǎng)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該電站1～4號(hào)機(jī)組存在：有功低頻振蕩。

(1) 振蕩幅值：最大為7.8 MW；

(2) 振蕩周期：16 s(與西南電網(wǎng)異步聯(lián)網(wǎng)后的固有振蕩頻率一致)。

電網(wǎng)要求：改變振蕩幅值達(dá)到3 MW以下或者改變振蕩頻率。如該問(wèn)題不能得到有效解決，機(jī)組將存在退出電網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)。

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，由于機(jī)組運(yùn)行時(shí)引用流量一定，機(jī)組上游水位沒(méi)有明顯波動(dòng)的情況下，機(jī)組尾水閘門(mén)室處水壓波動(dòng)會(huì)傳遞至機(jī)組尾水管，導(dǎo)致機(jī)組工作水頭同周期振蕩，進(jìn)而引起振蕩。

3.2 工程解決方案對(duì)比分析

3.2.1 增加1 m高阻尼坎

根據(jù)測(cè)試及仿真結(jié)果，采用工程措施抬高尾水水位可消除有功振蕩，但直接抬高尾水位會(huì)引起較大的水頭損失，進(jìn)而引起較大的出力損失，且抬高尾水位的永久性工程措施，不僅施工難度較大，工程量較大，而且工期較長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)性較差。綜合考慮，采用在尾水支管前，增設(shè)阻尼坎，增大水力阻尼，減小水力波動(dòng)，進(jìn)而控制功率振蕩。

2019年4月，在二號(hào)水力單元3、4號(hào)機(jī)組尾水支管總長(zhǎng)的2/3處各安裝一個(gè)底長(zhǎng)3 m，頂長(zhǎng)1 m，高1 m，與尾水支管同寬的梯形阻尼坎。

2019年5月，完成了阻尼坎安裝后的驗(yàn)證試驗(yàn)，其有功振蕩情況如表5所示。

表5 3、4號(hào)機(jī)組第一次實(shí)際工程處理措施前后有功振蕩對(duì)比Tab.5 The comparison of active power oscillation before and after the first practical engineering treatment measures of unit 3 and unit 4

加裝1 m高阻尼坎后的有功振蕩的最大幅值為4.6 MW和4.8 MW，比加裝前的7.8 MW和7.9 MW有較大幅度的減小，說(shuō)明尾水支管阻尼坎的增加對(duì)機(jī)組有功振蕩起到了明顯的抑制作用。

3.2.2 增加2 m高阻尼坎

2019年11月，利用兩次測(cè)試取得的數(shù)據(jù)，進(jìn)行進(jìn)一步的仿真計(jì)算，確定二次處理時(shí)梯形坎的具體尺寸為底長(zhǎng)5 m，頂長(zhǎng)1 m，高2 m，與尾水支管同寬，即在原來(lái)的基礎(chǔ)上高度增加1 m。

2020年1月，完成了二次加高后的驗(yàn)證試驗(yàn)，加裝阻尼坎后的有功振蕩情況如表6所示。

表6 3、4號(hào)機(jī)組第二次實(shí)際加高后措施前后有功振蕩對(duì)比Tab.6 The comparison of active power oscillation before and after the measures after the second actual heightening of unit 3 and unit 4

加裝2 m高阻尼坎后的有功振蕩的最大幅值為2.1 MW和2.2 MW，比加裝阻尼坎的7.8 MW和7.9 MW有更大幅度的減小，小于調(diào)度側(cè)系統(tǒng)推送低頻振蕩信號(hào)3 MW要求，且除最惡劣工況外，原來(lái)的超低周期16 s振蕩消失。說(shuō)明第二次坎的增加，進(jìn)一步對(duì)機(jī)組有功振蕩起到了明顯抑制作用，該電廠3、4號(hào)機(jī)組有功功率振蕩問(wèn)題圓滿得到解決。

4 結(jié) 論

本文根據(jù)無(wú)壓明渠圍堰增加水力阻尼的機(jī)理，建立了無(wú)壓明渠水力阻尼等效方案，提出了基于阻尼坎的大型水電機(jī)組有功振蕩控制方法，并結(jié)合某電站開(kāi)展實(shí)際工程應(yīng)用，其主要結(jié)論如下：

(1) 根據(jù)水力計(jì)算結(jié)果，針對(duì)大型水電機(jī)組水力因素引起的有功振蕩問(wèn)題，設(shè)計(jì)阻尼坎，并對(duì)其開(kāi)展三維建模仿真，仿真結(jié)果符合水力學(xué)阻尼消能規(guī)律。

(2) 通過(guò)兩次加裝坎，電站機(jī)組的有功功率振蕩現(xiàn)象得到了明顯的抑制，且阻尼坎高度越高，對(duì)應(yīng)的尾水支渠局部水力損失越大，功率振蕩幅度越小，其趨勢(shì)與仿真結(jié)果吻合。

(3) 電站在特定尾水位范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，原尾水系統(tǒng)經(jīng)過(guò)在尾水支管處設(shè)計(jì)安裝帶有一定阻水特性的阻尼坎，可以達(dá)到增大系統(tǒng)阻尼，明顯消減有功功率振蕩的積極效果。

本文提出的抑制方法，是理論計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，對(duì)大型水電機(jī)組有功振蕩具有指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。