具有長引水系統(tǒng)的轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)過渡過程計(jì)算

孔昭年，田忠祿，陳 卓，陳 艷，周同旭，牟全寶

（1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；2.天津電氣科學(xué)研究院有限公司，天津 300186；3.內(nèi)蒙水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020）

1 問題提出

我國水電站設(shè)計(jì)有關(guān)規(guī)程建議：電站水流慣性時(shí)間Tw＞2 ～ 4 s 為設(shè)置調(diào)壓井的判據(jù)［1-2］，近幾年修訂出版、頒布的水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SL655—2014《水利水電工程調(diào)壓室設(shè)計(jì)規(guī)范》，在其附件的條文說明中寫道：“水電站是否需要設(shè)置調(diào)壓室，最終要依據(jù)壓力水道布置及水道沿線的地形、地質(zhì)條件，機(jī)組運(yùn)行條件，機(jī)組調(diào)保參數(shù)的限制值，及機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性和調(diào)節(jié)品質(zhì)等，由水電站水力-機(jī)械過渡過程分析計(jì)算，并通過技術(shù)、經(jīng)濟(jì)綜合比較最后確定?！薄盀楸ＷC工程安全，大、中型水電站施工設(shè)計(jì)階段，應(yīng)根據(jù)主機(jī)廠家提供的機(jī)組參數(shù)，采取數(shù)值模擬的方法進(jìn)行機(jī)組調(diào)節(jié)保證計(jì)算、運(yùn)行穩(wěn)定性和調(diào)節(jié)品質(zhì)分析，復(fù)核是否設(shè)置調(diào)壓室”。NB/T 35021—2014《水電站調(diào)壓室設(shè)計(jì)規(guī)范》中指出水電站是否需要設(shè)置調(diào)壓室，最終要根據(jù)壓力水道布置，水電站在電力系統(tǒng)中的作用，壓力管道沿線的地形、地質(zhì)條件，電站運(yùn)行條件，機(jī)組調(diào)保參數(shù)的限制值，及電站運(yùn)行穩(wěn)定性和條件品質(zhì)等有水電站水流過渡過程分析計(jì)算，并通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較最后確定。為工程安全，大中型水電站技術(shù)設(shè)計(jì)階段，應(yīng)根據(jù)機(jī)組廠家提供的機(jī)組參數(shù)，進(jìn)行水力過渡過程計(jì)算、機(jī)組穩(wěn)定性及調(diào)節(jié)品質(zhì)分析，復(fù)核水道系統(tǒng)調(diào)壓室設(shè)計(jì)。但具體設(shè)計(jì)計(jì)算什么、如何計(jì)算都沒有涉及。

文獻(xiàn)［3］詳細(xì)規(guī)定了考核、檢驗(yàn)水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的多項(xiàng)方法；郭文成等［4］分析的是線性化、小波動(dòng)特性系統(tǒng)；劉冬等［5］提出了一種改進(jìn)的特征線法，針對(duì)水輪機(jī)及引水系統(tǒng)建立了包含基本特征線法的聯(lián)合非線性模型；秋元德三［6］在給定調(diào)壓閥運(yùn)動(dòng)形式的條件下計(jì)算分析管道中的壓力變化；喬杜里［7］注意到引水系統(tǒng)大波動(dòng)過渡過程的計(jì)算分析，但對(duì)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的核心控制裝置采取了理想、線性化簡化，來分析水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性問題；文獻(xiàn)［8］開始注意到制定標(biāo)準(zhǔn)，建立、推廣規(guī)范化的數(shù)學(xué)模型；程遠(yuǎn)楚［9］則將MATLAB 與水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)過渡過程數(shù)值計(jì)算結(jié)合起來。

為了與文獻(xiàn)［1-3］形成一個(gè)相互包容的標(biāo)準(zhǔn)體系，在國家能源局“替代調(diào)壓井的新型調(diào)壓閥及其控制系統(tǒng)研究與電站示范應(yīng)用”科技項(xiàng)目支持下，項(xiàng)目組完成了帶調(diào)壓閥的水輪機(jī)調(diào)速器實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的研制，開發(fā)了包含水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、引水系統(tǒng)、水輪機(jī)調(diào)速器等環(huán)節(jié)在內(nèi)的水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)過渡過程計(jì)算軟件，并承擔(dān)了多項(xiàng)以調(diào)壓閥代替調(diào)壓井的工程的計(jì)算分析工作。在此基礎(chǔ)上編制了中國電力聯(lián)合會(huì)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《帶調(diào)壓閥水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)技術(shù)導(dǎo)則（T/CEC419）》，其中明確提出，水輪發(fā)電機(jī)組過渡過程特性計(jì)算包含下列基本內(nèi)容：（1）啟動(dòng)過程計(jì)算；（2）空載擾動(dòng)調(diào)節(jié)過程計(jì)算；（3）帶負(fù)荷調(diào)節(jié)過程計(jì)算；（4）甩負(fù)荷調(diào)節(jié)過程計(jì)算。只要帶調(diào)壓閥的水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)在上述過渡過程中保證穩(wěn)定，就可以采用調(diào)壓閥替代調(diào)壓井［10］，從而大大拓寬了調(diào)壓閥的應(yīng)用領(lǐng)域。

本文采用T/CEC419 建議的方法對(duì)有長引水管、帶調(diào)壓閥的水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)過渡過程特性進(jìn)行計(jì)算分析。該工程為水庫渠首電站：（1）長800 m、管徑3.6 m 的引水管道已建好；（2）電站設(shè)計(jì)有2 臺(tái)轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組和1 臺(tái)定槳式水輪發(fā)電機(jī)組。該電站水流慣性時(shí)間常數(shù)Tw高達(dá)27 s。此工程如可以實(shí)現(xiàn)“以閥代井”，將獲得較大的經(jīng)濟(jì)效益。

2 轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)過渡過程計(jì)算公式

2.1 轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)實(shí)時(shí)單位轉(zhuǎn)速、單位流量、單位力矩的計(jì)算由水輪機(jī)單位流量、水輪機(jī)單位力矩、水輪機(jī)單位轉(zhuǎn)速計(jì)算公式，

單位流量：

單位力矩：

可得水輪機(jī)流量、力矩計(jì)算公式，

流量：

力矩：

單位轉(zhuǎn)速：

采用相對(duì)參數(shù)值計(jì)算方法用“Δ”表征偏差值；下角標(biāo)“o”表征穩(wěn)態(tài)值，“r”表征額定值。則有：

在缺少相關(guān)資料時(shí)，常取線性化假設(shè)，即導(dǎo)葉、各類閘閥相對(duì)開度及槳葉相對(duì)轉(zhuǎn)角與相應(yīng)的接力器相對(duì)位移線性相關(guān)，如：Y=α、Yv=αv、Yr=φ。由以上相應(yīng)公式可得水輪機(jī)相對(duì)單位轉(zhuǎn)速、流量、力矩計(jì)算公式。

相對(duì)單位轉(zhuǎn)速：

相對(duì)單位流量：

相對(duì)單位力矩：

由水輪機(jī)綜合特性曲線可計(jì)算出相應(yīng)的單位力矩和流量，可由參數(shù)表按規(guī)定格式輸入。用n-1 次多項(xiàng)式表征a=ai時(shí)的流量［11］：

顯然A1，…，An各參數(shù)是導(dǎo)葉開度的函數(shù)，相類地用n-1 次多項(xiàng)式表征，當(dāng)a=ai時(shí)，有：

水輪機(jī)流量和力矩的特性矩陣應(yīng)在仿真數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)表1 和表2 求得。對(duì)于軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)應(yīng)對(duì)每個(gè)定槳特性相類的求取水輪機(jī)流量和力矩的特性矩陣。歸納起來，轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)過渡過程計(jì)算有5 個(gè)定槳單位流量、5 個(gè)定槳單位力矩特性圖、5 個(gè)定槳單位流量表、5 個(gè)定槳單位力矩表、5 個(gè)定槳單位流量矩陣表、5 個(gè)定槳單位流量矩陣表。限于篇幅，在圖1、圖2、表1、表2 上僅展示槳葉+5°的軸流式水輪機(jī)有關(guān)特性參數(shù)；在圖3 上給出了ZZHT160 轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)協(xié)聯(lián)曲線。

圖1 ZZHT160 槳葉+5°的軸流式水輪機(jī)相對(duì)單位流量特性

圖2 ZZHT160 槳葉+5°的軸流式水輪機(jī)相對(duì)單位力矩特性

表1 Φ=+5°的單位流量q11=fq( x11，α)

表2 Φ=+5°的單位力矩m11=fm( x11，α)

圖3 ZZHT160 轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)協(xié)聯(lián)曲線

在實(shí)時(shí)仿真的主程序段，只要已知某一時(shí)刻的x11和at就可快速計(jì)算出φk=-5°，0，5°，10°，15°時(shí)的5 個(gè)單位流量和5 個(gè)單位力矩：

由水輪機(jī)綜合特性曲線，有幾個(gè)定角特性，就要給出幾組水輪機(jī)流量和力矩的特性矩陣由式（9）（10），計(jì)算并生成實(shí)時(shí)q11及m11表后，根據(jù)槳葉實(shí)時(shí)開度φt插值求取計(jì)算水擊升壓及轉(zhuǎn)速所需的q11t( φt)和m11t( φt)。

2.2 一洞三機(jī)系統(tǒng)計(jì)算公式的推導(dǎo)在一洞三機(jī)系統(tǒng)中，每個(gè)叉管端都有一臺(tái)發(fā)電機(jī)組，它不是本文的討論重點(diǎn)，直接給出其方程式［11］：

式中：-Δm( t) 為負(fù)荷擾動(dòng)，負(fù)號(hào)表示增加負(fù)荷轉(zhuǎn)速x下降；S 為微分算子；Ta為機(jī)組慣性時(shí)間常數(shù)。在所計(jì)算分析的過渡過程狀態(tài)下負(fù)荷特性系數(shù)eg=0。

對(duì)于一洞三機(jī)引水系統(tǒng)，其輸水管路線簡圖如圖4所示，我們?cè)鴮ｉT討論過當(dāng)管道特性系數(shù)hw=Tw/Tr大于1 時(shí)水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定邊界，在工作頻率范圍內(nèi)調(diào)節(jié)系統(tǒng)頻率特性幾乎沒有本質(zhì)的區(qū)別，特別是過渡過程實(shí)時(shí)特性幾乎完全重合［12］。對(duì)于裝有軸流式水輪機(jī)的水電站，只要滿足條件hw=Tw/Tr大于1，均可采用剛性水擊數(shù)學(xué)模型：

圖4 一洞三機(jī)引水系統(tǒng)示意（點(diǎn)號(hào)對(duì)應(yīng)于機(jī)組號(hào)）

帶有分叉管的標(biāo)稱水流慣性時(shí)間常數(shù)：

在計(jì)算支管水流慣性時(shí)間常數(shù)時(shí)應(yīng)計(jì)入尾水管的影響［13］。

則有在叉管處連續(xù)方程和動(dòng)力方程式：

由式（13）可推導(dǎo)出計(jì)算每臺(tái)機(jī)組蝸殼及管道分叉點(diǎn)處水壓力的方程式組：

據(jù)此，在圖5 給出一洞三機(jī)引水系統(tǒng)水擊計(jì)算信號(hào)流程圖。

圖5 一洞-三機(jī)水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)過渡過程計(jì)算原理圖

2.3 調(diào)壓閥及其引水系統(tǒng)文獻(xiàn)［14］分析了水輪機(jī)調(diào)壓閥的可能布置方案，本項(xiàng)目采取當(dāng)調(diào)壓閥動(dòng)作時(shí)，由蝸殼引出、向尾水管排放水流。圖6 為水輪機(jī)調(diào)壓閥引水系統(tǒng)示意圖，有

圖6 水輪機(jī)調(diào)壓閥引水系統(tǒng)

連續(xù)方程式：

動(dòng)力方程式：

式中：qv1為管路總流量相對(duì)偏差； qv2為水輪機(jī)流量相對(duì)偏差； qv3為調(diào)壓閥流相對(duì)偏差量； qv為調(diào)壓閥最大開口時(shí)的相對(duì)流量；av為調(diào)壓閥開度相對(duì)偏差；h0為調(diào)壓閥初始水頭；hvt為調(diào)壓閥水頭相對(duì)偏差；Twv1計(jì)算前端點(diǎn)到分叉管的水流慣性時(shí)間常數(shù)；Twv2為分叉點(diǎn)到水輪機(jī)組的水流慣性時(shí)間常數(shù)；Twv3為分叉管到調(diào)壓閥的水流慣性時(shí)間常數(shù)。

2.4 帶調(diào)壓閥控制的轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)調(diào)速器有別于混流式式，轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)具有兩個(gè)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)：槳葉接力器和導(dǎo)葉接力器。在原理上追求高效率的原則，槳葉根據(jù)水輪機(jī)廠家提供的協(xié)聯(lián)隨動(dòng)于導(dǎo)葉接力器。在過渡過程中，由于兩個(gè)接力器運(yùn)動(dòng)速度不同，或運(yùn)動(dòng)指令不同，這種協(xié)聯(lián)隨動(dòng)關(guān)系是被破壞的，只是在過渡過程結(jié)束后，機(jī)組處于穩(wěn)定工況時(shí)才恢復(fù)協(xié)聯(lián)關(guān)系。在過渡過程計(jì)算中還要包含它們?cè)谶^渡過程中特有的控制：（1）甩負(fù)荷。機(jī)組帶滿負(fù)荷運(yùn)行，機(jī)組轉(zhuǎn)速上升，導(dǎo)葉接力器迅速向關(guān)閉方向運(yùn)動(dòng)，為防止在水輪機(jī)尾水管中出現(xiàn)負(fù)水擊，產(chǎn)生抬機(jī)、甚至打斷槳葉葉片現(xiàn)象，槳葉接力器關(guān)閉時(shí)間Trf是導(dǎo)葉接力器關(guān)閉時(shí)間Tf的4 ～ 6 倍；如果沒有事故停機(jī)信號(hào)，機(jī)組在調(diào)速器的管控下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)導(dǎo)葉至空載開度位置，槳葉接力器按協(xié)聯(lián)曲線關(guān)至零位。（2）機(jī)組停機(jī)。發(fā)出機(jī)組停機(jī)令后導(dǎo)葉由空載開度關(guān)至零位，機(jī)組轉(zhuǎn)速下降，至35%額定轉(zhuǎn)速時(shí)，機(jī)組剎車風(fēng)閘投入；機(jī)組全停時(shí)，有信號(hào)將槳葉開至啟動(dòng)轉(zhuǎn)角位置，為下次開機(jī)做準(zhǔn)備。（3）機(jī)組自動(dòng)開機(jī)。當(dāng)下達(dá)機(jī)組啟動(dòng)命令后，導(dǎo)葉自動(dòng)開啟到啟動(dòng)開度；為減少水推力、加快啟動(dòng)速度，在機(jī)組停機(jī)時(shí)將槳葉開啟至啟動(dòng)轉(zhuǎn)角位置，在下達(dá)啟動(dòng)命令后，槳葉自動(dòng)關(guān)至協(xié)聯(lián)曲線的零位，轉(zhuǎn)速陸續(xù)上升，自動(dòng)調(diào)節(jié)在額定頻率附近，同期并網(wǎng)后陸續(xù)帶負(fù)荷；槳葉接力器與導(dǎo)葉接力器按協(xié)聯(lián)曲線自動(dòng)帶負(fù)荷。調(diào)壓閥接力器動(dòng)作的特殊性。由帶調(diào)壓閥的轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)調(diào)速器原理圖（圖7）可以看出，在機(jī)組開機(jī)、空載擾動(dòng)、帶負(fù)荷時(shí)，調(diào)壓閥不動(dòng)作，它僅在機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)動(dòng)作。它的配壓閥、接力器系統(tǒng)沒有位置反饋，實(shí)際為“繼電器特性”控制規(guī)律。

圖7 帶調(diào)壓閥控制的轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)調(diào)速器原理圖

在開發(fā)轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)過渡過程計(jì)算程序時(shí)，除考慮上述水輪機(jī)調(diào)速器的自動(dòng)控制功能外，選用的水輪機(jī)調(diào)速器原理圖載于圖7。這樣水輪機(jī)調(diào)速器（含調(diào)壓閥）、轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組、引水系統(tǒng)構(gòu)成閉環(huán)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，按需要完成自動(dòng)開機(jī)、空載擾動(dòng)、甩負(fù)荷等自動(dòng)調(diào)節(jié)過渡過程計(jì)算，并能提取像調(diào)節(jié)保證條件這樣的參數(shù)，以及分析整個(gè)水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由圖7 以看出，采用的調(diào)速器為帶中間接力器的緩沖器型調(diào)速器；由中間接力器引出協(xié)聯(lián)系統(tǒng)；導(dǎo)葉及槳葉接力器分別構(gòu)成隨動(dòng)系統(tǒng)；具有PID 調(diào)節(jié)規(guī)律。文獻(xiàn)［15］詳細(xì)分析了調(diào)速器配壓閥非線性對(duì)水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)過渡過程的影響，本項(xiàng)目直接采用這一成果（詳見圖7）。

圖中：G1 為中間接力器引導(dǎo)閥、G2 為中間接力器、 G3 為緩沖器、 G4 為導(dǎo)葉接力器主配壓閥、G5 為導(dǎo)葉接力器、G6 為調(diào)壓閥接力器控制閥、G7 為調(diào)壓閥接力器、G8 為槳葉接力器主配壓閥、G9為槳葉接力器的行程限位；xn為機(jī)組轉(zhuǎn)速相對(duì)偏差（標(biāo)幺值）； Cf為轉(zhuǎn)速指令（標(biāo)幺值）；Tn為加速時(shí)間常數(shù)，s；Tn′為轉(zhuǎn)速測量環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)，s；Td為緩沖時(shí)間常數(shù)，s； bp為永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)；bt為暫態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)；Ty、Ty1、Tv1、Tr1為中間接力器、導(dǎo)葉接力器、槳葉接力器及調(diào)壓閥接力器時(shí)間常數(shù)，s；Y（t）、Yr（t）、Yv（t）為導(dǎo)葉、槳葉、調(diào)壓閥接力器位移（相對(duì)值）； Y0、Y0r、Y0v為導(dǎo)葉、槳葉、調(diào)壓閥接力器開度初始值指令（相對(duì)值）。

3 具有長引水系統(tǒng)帶調(diào)壓閥的轉(zhuǎn)槳水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)過渡過程計(jì)算

渠首電站3 臺(tái)機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)列于表3，每臺(tái)機(jī)組調(diào)壓閥安裝（圖6 上的分叉點(diǎn)1）在每臺(tái)機(jī)組的蝶閥后、蝸殼進(jìn)口附近，調(diào)壓閥泄水口設(shè)在尾水管。對(duì)于本工程項(xiàng)目電站引水系統(tǒng)Tw=27 s，Tr=1.6 s，管道特征系數(shù)hw=Tw/Tr=16.8 ?1，很適于采用剛性水擊數(shù)學(xué)模型。根據(jù)原理圖4—7，給出有關(guān)參數(shù)及微分方程式組，編程計(jì)算長引水管道、帶調(diào)壓閥的轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)過渡過程。由水輪機(jī)調(diào)速器原理圖可以看出，在組成閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)后，它是一個(gè)水電站自動(dòng)調(diào)節(jié)的仿真器。有大量的初始值設(shè)定，只要過渡過程計(jì)算前系統(tǒng)穩(wěn)定自動(dòng)調(diào)節(jié)，此時(shí)系統(tǒng)通過初始值計(jì)算、調(diào)速器參數(shù)的穩(wěn)定校正作用（如通過指令調(diào)整到25%、50%、75%、100%負(fù)荷等），也可不再需要專門的帶負(fù)荷過渡過程計(jì)算。根據(jù)電站的引水系統(tǒng)機(jī)構(gòu)參數(shù)以及計(jì)算式（12）—（14）中的定義，獲得Twi參數(shù)表4。

表3 渠首電站機(jī)組主要參數(shù)

表4 渠首電站水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)過渡過程計(jì)算主要參數(shù) （單位：s）

當(dāng)討論1#機(jī)（小機(jī)組）過渡過程計(jì)算時(shí)用Tw=Tw1+Tw4=5.17；當(dāng)討論2#機(jī)組過渡過程時(shí)用Tw= Tw2+Tw5=11.16；當(dāng)討論3 臺(tái)機(jī)同時(shí)甩負(fù)荷，用Tw=27.7 來代表。初步參數(shù)整定，取Td=3.0 s；bt=3.0；Tn=1.0進(jìn)行過渡過程計(jì)算。

3.1 大機(jī)組過渡過程計(jì)算（1）機(jī)組啟動(dòng)。此時(shí)調(diào)壓閥保持關(guān)閉狀態(tài)，啟動(dòng)命令發(fā)出后，槳葉接力器由啟動(dòng)位置關(guān)回零位；導(dǎo)葉開至啟動(dòng)開度位置；轉(zhuǎn)速逐漸上升穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速位置；在導(dǎo)葉向開啟方向運(yùn)動(dòng)時(shí)的30 余秒內(nèi)，由于流量的增大，壓力降低；啟動(dòng)過程中壓力h 最大上升0.11，此時(shí)的壓力上升因槳葉關(guān)閉，綜合流量減少引起的。在槳葉停止運(yùn)動(dòng)后20 s 轉(zhuǎn)速穩(wěn)定達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，滿足運(yùn)行要求，過渡過程曲線載于圖8。（2）空載擾動(dòng)過渡過程計(jì)算。計(jì)算結(jié)果示于圖9。根據(jù)GB/T 9652.2空載擾動(dòng)試驗(yàn)是尋求最優(yōu)整定參數(shù)，對(duì)過渡過程沒有考核指標(biāo)，擾動(dòng)量取4%?？梢钥闯鍪┘宇l率給定擾動(dòng)后15 s 系統(tǒng)即穩(wěn)定。（3）增負(fù)荷調(diào)節(jié)過程。在圖10 上示出增負(fù)荷過渡過程計(jì)算結(jié)果，取負(fù)荷穩(wěn)定點(diǎn)50%，增加負(fù)荷10%，此時(shí)調(diào)壓閥仍處于全關(guān)位置。可觀察到接力器、頻率有微波動(dòng)一次擺動(dòng)，系統(tǒng)穩(wěn)定。（4）單臺(tái)大機(jī)組甩100%負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)過渡過程計(jì)算。計(jì)算結(jié)果示于圖11。導(dǎo)葉、調(diào)壓閥、輪葉接力器整定參數(shù)見表4。據(jù)計(jì)算結(jié)果可提取調(diào)節(jié)保證參數(shù)：xmax=0.257，hmax=0.19，hxmax=0.145。在調(diào)壓閥全關(guān)閉后20 余秒過渡過程結(jié)束，系統(tǒng)穩(wěn)定。由圖11 可見分叉點(diǎn)的壓力上升值低于蝸殼壓力上升值約4.5%。

圖8 大機(jī)組啟動(dòng)自動(dòng)調(diào)節(jié)過渡過程計(jì)算（調(diào)壓閥接力器Yvt處零位）

圖9 大機(jī)組空載擾動(dòng)自動(dòng)調(diào)節(jié)過渡過程計(jì)算（輪葉接力器zt、調(diào)壓閥接力器Yv處零位）

圖10 大機(jī)組增負(fù)荷（0.5～0.6）自動(dòng)調(diào)節(jié)過渡過程計(jì)算（調(diào)壓閥接力器Yvt處零位）

圖11 單臺(tái)大機(jī)組甩100%負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)過渡過程計(jì)算

3.2 小機(jī)組單臺(tái)自動(dòng)調(diào)節(jié)過渡過程計(jì)算該電站小機(jī)組為定槳式水輪機(jī)，沒有槳葉接力器的調(diào)節(jié)作用。有關(guān)參數(shù)列于表4。（1）啟動(dòng)過渡過程。計(jì)算結(jié)果示于圖12，發(fā)出指令后約60 s 系統(tǒng)平穩(wěn)升速略有微超調(diào)量。（2）空載擾動(dòng)過程。過渡過程計(jì)算結(jié)果示于圖13。與大機(jī)組同樣的穩(wěn)定性，頻率指令擾動(dòng)后20 s 系統(tǒng)穩(wěn)定。（3）增負(fù)荷過渡過程。計(jì)算結(jié)果示于圖14。取負(fù)荷穩(wěn)定點(diǎn)50%，增加負(fù)荷10%，此時(shí)調(diào)壓閥仍處于全關(guān)位置?？捎^察到接力器、頻率有微波動(dòng)一次擺動(dòng)，系統(tǒng)穩(wěn)定。（4）小機(jī)組單機(jī)甩100%負(fù)荷過渡過程計(jì)算。計(jì)算結(jié)果示于圖15。調(diào)壓閥相對(duì)流量較大，在甩負(fù)荷開始階段，調(diào)壓閥迅速開啟速度大于導(dǎo)葉關(guān)閉速度出現(xiàn)壓力下降現(xiàn)象。在調(diào)壓閥關(guān)閉后20 s，系統(tǒng)穩(wěn)定。可提取調(diào)節(jié)保證參數(shù)：xmax=0.35，hmax=0.294。

圖12 小機(jī)組啟動(dòng)自動(dòng)調(diào)節(jié)過渡過程計(jì)算（調(diào)壓閥接力器Yvt處零位）

圖13 小機(jī)組空載擾動(dòng)自動(dòng)調(diào)節(jié)過渡過程計(jì)算（調(diào)壓閥接力器Yvt處零位）

圖14 小機(jī)組單機(jī)增負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)過渡過程計(jì)算（調(diào)壓閥接力器Yvt處零位）

圖15 小機(jī)組單機(jī)甩100%負(fù)荷過渡過程計(jì)算

3.3 三臺(tái)機(jī)甩負(fù)荷過渡過程計(jì)算大機(jī)組甩100%負(fù)荷過渡過程計(jì)算結(jié)果示于圖16，可提取調(diào)節(jié)保證參數(shù)：xmax=0.248，hmax=0.445，hxmax=0.4。小機(jī)組甩100%負(fù)荷過渡過程計(jì)算結(jié)果示于圖17，可提取調(diào)節(jié)保證參數(shù)：xmax=0.326，hmax=0.45。由于Ta差別較大，導(dǎo)致大機(jī)組與小機(jī)組xmax值區(qū)別較大。在過渡過程中壓力引水洞比起每條支管起著較大作用，但他們的hmax都分別大于單機(jī)甩100%負(fù)荷時(shí)的hmax值。三機(jī)系統(tǒng)時(shí)的xmax都稍許比單機(jī)時(shí)的xmax小一點(diǎn)。為便于比較，有列于表5 的匯總參數(shù)。

圖16 三臺(tái)機(jī)甩100%負(fù)荷大機(jī)組（2#）過渡過程計(jì)算

圖17 三臺(tái)機(jī)甩100%負(fù)荷小機(jī)組（1#）過渡過程計(jì)算

表5 單機(jī)、三機(jī)甩100%負(fù)荷調(diào)節(jié)保證條件的比較

由計(jì)算結(jié)果可看出三機(jī)甩100%負(fù)荷定槳式水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)過渡過程穩(wěn)定。其壓力變化示于圖16的大機(jī)組機(jī)端及分叉點(diǎn)壓力變化曲線相似，數(shù)值接近。由于是三臺(tái)機(jī)同時(shí)甩負(fù)荷，兩臺(tái)大機(jī)組調(diào)節(jié)作用更大、更強(qiáng)烈的影響到分叉點(diǎn)處的壓力。另外，水輪機(jī)流量和力矩是多變量函數(shù)，引水隧洞末端壓力、轉(zhuǎn)速、蝸殼壓力又以初始值的方式影響到下一時(shí)刻蝸殼的壓力上升值，影響到機(jī)組轉(zhuǎn)速變化過程的形態(tài)，影響到接力器活塞運(yùn)動(dòng)形態(tài)。當(dāng)小機(jī)組導(dǎo)葉接力器關(guān)至25%時(shí)出現(xiàn)迅速開啟，此后大約在30 s 時(shí)段內(nèi)，導(dǎo)葉開度維持在25%以上，這是在多目標(biāo)（三臺(tái)機(jī)組）、多變量（轉(zhuǎn)速，導(dǎo)葉、輪葉、調(diào)壓閥開度及蝸殼水壓）自動(dòng)調(diào)節(jié)過渡過程中的自反饋形成的，導(dǎo)致長引水管道分叉點(diǎn)處的壓力反過來影響到轉(zhuǎn)速和接力器自動(dòng)調(diào)節(jié)過渡過程形態(tài)的現(xiàn)象。

4 結(jié)論

（1）渠首電站水輪機(jī)在取消調(diào)壓井后，下達(dá)機(jī)組自動(dòng)開機(jī)指令后，轉(zhuǎn)速（機(jī)組頻率）平穩(wěn)上升，自動(dòng)調(diào)節(jié)到額定頻率；在此運(yùn)行狀態(tài)下，調(diào)壓閥不動(dòng)作；不論是大機(jī)組，還是小機(jī)組均可滿足同期并網(wǎng)的要求。（2）實(shí)現(xiàn)“以閥代井”后，頻率給定空載擾動(dòng)自動(dòng)調(diào)節(jié)過程穩(wěn)定正常，通過調(diào)整緩沖器參數(shù)便于尋求最優(yōu)運(yùn)行參數(shù)。（3）無論小機(jī)組還是大機(jī)組當(dāng)負(fù)荷由50%增加到60%時(shí)，水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定滿足電站運(yùn)行要求。（4）當(dāng)機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)調(diào)壓閥快速開啟，水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定自動(dòng)調(diào)節(jié)至空載開度，當(dāng)調(diào)壓閥關(guān)閉后余額20 s 過渡過程正常、穩(wěn)定；可以看到此時(shí)的調(diào)節(jié)時(shí)間幾乎和高達(dá)27 s 的Tw無關(guān)。（5）由于該工程主洞長約800 m，電站叉管僅約60 m，實(shí)現(xiàn)“以閥代井”后，三臺(tái)機(jī)同時(shí)甩負(fù)荷時(shí)機(jī)組不分大小機(jī)組蝸殼壓力形態(tài)與分叉點(diǎn)壓力上升形態(tài)十分相似；機(jī)組蝸殼壓力上升值略高于分叉點(diǎn)壓力上升值，但小機(jī)組接力器與大機(jī)組接力器運(yùn)動(dòng)形態(tài)差別較大，這是在多目標(biāo)（三臺(tái)機(jī)組）、多變量（轉(zhuǎn)速，導(dǎo)葉、輪葉、調(diào)壓閥開度及蝸殼水壓）自動(dòng)調(diào)節(jié)過渡過程中的自反饋形成的?？傊?，在給定Tw= 27 s 的長引水管道條件下，實(shí)現(xiàn)“以閥代井”后轉(zhuǎn)槳式及定槳式水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)在機(jī)組啟動(dòng)、空載擾動(dòng)、增（減）負(fù)荷、甩負(fù)荷等水輪機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)過渡過程中系統(tǒng)穩(wěn)定，可滿足電站安全、穩(wěn)定運(yùn)行的要求。