導(dǎo)葉開(kāi)啟時(shí)間對(duì)水電站過(guò)渡過(guò)程的影響(1)

1、導(dǎo)葉開(kāi)啟時(shí)間對(duì)水電站過(guò)渡過(guò)程的影響(1)摘要：針對(duì)國(guó)內(nèi)外規(guī)范對(duì)導(dǎo)葉開(kāi)啟時(shí)間的不同規(guī)定，結(jié)合理論推導(dǎo)和數(shù)值計(jì)算實(shí)例，分析了不同的導(dǎo)葉開(kāi)啟時(shí)間對(duì)水電站過(guò)渡過(guò)程的影響。實(shí)例研究結(jié)果表明，大波動(dòng)過(guò)渡過(guò)程中的蝸殼動(dòng)水壓力、沿管道軸線(xiàn)的壓力分布以及調(diào)壓室阻抗孔口壓差等參數(shù)均隨導(dǎo)葉開(kāi)啟時(shí)間變化而變化。通過(guò)研究得到如下結(jié)論：國(guó)際電工技術(shù)委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)推薦的增負(fù)荷時(shí)間3040s是合理的；在并入小網(wǎng)的水力干擾過(guò)渡過(guò)程中，需要將運(yùn)行機(jī)組最大初始開(kāi)度限制在最大臨界開(kāi)度之內(nèi)，才能保證運(yùn)行機(jī)組轉(zhuǎn)速收斂于額定轉(zhuǎn)速，以滿(mǎn)足發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)對(duì)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的要求。 關(guān)鍵詞：過(guò)渡過(guò)程 導(dǎo)葉開(kāi)啟時(shí)間 數(shù)值計(jì)算 臨界時(shí)間 前言在水電站運(yùn)行中，從空

2、載增至全負(fù)荷的導(dǎo)葉開(kāi)啟時(shí)間，國(guó)內(nèi)外規(guī)范有不同的規(guī)定：文獻(xiàn)1中對(duì)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的要求：導(dǎo)葉開(kāi)度的全行程動(dòng)作時(shí)間應(yīng)符合設(shè)計(jì)規(guī)范，一般為1040s。國(guó)際電工技術(shù)委員會(huì)iec(international electrotechnical commission)標(biāo)準(zhǔn)2則規(guī)定開(kāi)啟時(shí)間為2080s，推薦值3040s。上述規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)給出的取值范圍雖有重疊部分，但整體范圍并不一致，而導(dǎo)葉開(kāi)啟時(shí)間的取值問(wèn)題一直未進(jìn)行深入的研究。本文將結(jié)合兩機(jī)一洞常規(guī)水電站和抽水蓄能水電站兩個(gè)代表性實(shí)例，探討不同的導(dǎo)葉開(kāi)啟時(shí)間對(duì)水電站過(guò)渡過(guò)程的影響，尋找恰當(dāng)?shù)拈_(kāi)啟時(shí)間（直線(xiàn)開(kāi)啟規(guī)律），以滿(mǎn)足發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)對(duì)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的要求。1導(dǎo)葉開(kāi)啟時(shí)間對(duì)過(guò)

3、渡過(guò)程的影響水電站過(guò)渡過(guò)程涉及到大波動(dòng)、小波動(dòng)和水力干擾過(guò)渡過(guò)程三個(gè)方面。而在小波動(dòng)過(guò)渡過(guò)程中，調(diào)速器將自動(dòng)跟蹤，機(jī)組不受導(dǎo)葉開(kāi)啟時(shí)間長(zhǎng)短的影響。因此本文僅討論導(dǎo)葉開(kāi)啟時(shí)間對(duì)大波動(dòng)和水力干擾過(guò)渡過(guò)程的影響。在無(wú)窮大電網(wǎng)條件下，增負(fù)荷，機(jī)組轉(zhuǎn)速不變，調(diào)速器將不參與調(diào)節(jié)，所以增負(fù)荷時(shí)間的長(zhǎng)短將只對(duì)機(jī)組兩個(gè)調(diào)保參數(shù)（蝸殼末端動(dòng)水壓力、尾水管進(jìn)口斷面壓力）、管道沿程的壓力分布、調(diào)壓室涌浪水位及阻抗孔口壓差等產(chǎn)生相應(yīng)的影響。文獻(xiàn)3給出了粗略估算水錘壓力的計(jì)算公式：，式中、分別為壓力管道水流慣性加速時(shí)間常數(shù)和導(dǎo)葉動(dòng)作時(shí)間，、為水輪機(jī)在初始和終了時(shí)的相對(duì)流量值。由上式不難看出，在機(jī)組增負(fù)荷過(guò)程中，導(dǎo)葉開(kāi)啟越

4、快，引起的負(fù)水錘越大，蝸殼末端的最小動(dòng)水壓力將越小，尾水管進(jìn)口的最大動(dòng)水壓力也將越來(lái)越大。另外，由于沿管線(xiàn)壓力極值通常呈線(xiàn)性分布，所以機(jī)組上游側(cè)沿線(xiàn)最小動(dòng)水壓力分布線(xiàn)的梯度和機(jī)組下游側(cè)沿線(xiàn)最大動(dòng)水壓力線(xiàn)的梯度將隨著導(dǎo)葉開(kāi)啟時(shí)間減短而越來(lái)越大。由文獻(xiàn)4調(diào)壓室基本方程式對(duì)時(shí)間微分（式中、分別表示引水管道及調(diào)壓室斷面積，表示管道中水流速度，為調(diào)壓室水位，為水輪機(jī)引用流量，上游調(diào)壓室取“”號(hào)，尾水調(diào)壓室取“”號(hào)），可得。從該式可知，導(dǎo)葉開(kāi)啟速度的快慢（可用大小衡量）不僅影響隧洞水流慣性的變化，而且直接影響調(diào)壓室涌浪水位高低。在兩機(jī)一洞布置方式下，若一臺(tái)機(jī)組并入有限電網(wǎng)正常運(yùn)行，另一臺(tái)機(jī)組增負(fù)荷，該動(dòng)作

5、機(jī)組增負(fù)荷時(shí)間的長(zhǎng)短必然對(duì)正常運(yùn)行機(jī)組的調(diào)節(jié)品質(zhì)產(chǎn)生影響。將水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)動(dòng)方程： （1）經(jīng)適當(dāng)變換，有： （2）而 （3）所以有：（4）上式中，機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣性矩，水輪機(jī)主動(dòng)力矩和出力，發(fā)電機(jī)阻抗力矩和出力，機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，水輪機(jī)工作水頭，水輪機(jī)引用流量，水輪機(jī)效率，時(shí)間。在動(dòng)作機(jī)組導(dǎo)葉開(kāi)啟過(guò)程中，由于水錘作用，水輪機(jī)進(jìn)口斷面壓力下降而出口斷面壓力上升，從而導(dǎo)致運(yùn)行機(jī)組工作水頭降低。在機(jī)組效率不變的條件下，為保證運(yùn)行機(jī)組出力不變，其引用流量必須增大，也就是說(shuō)，運(yùn)行機(jī)組導(dǎo)葉開(kāi)度將會(huì)隨著動(dòng)作機(jī)組導(dǎo)葉開(kāi)啟而加大。導(dǎo)葉開(kāi)啟時(shí)間越短，水錘作用越顯著，工作水頭降低幅度和引用流量增加的幅度也越大，因此導(dǎo)葉開(kāi)

6、度增加的幅度越大。在水力干擾過(guò)渡過(guò)程中，如果動(dòng)作機(jī)組導(dǎo)葉開(kāi)啟太快，而此時(shí)運(yùn)行機(jī)組的開(kāi)度又接近某一限制開(kāi)度時(shí)，調(diào)速器的開(kāi)度限制機(jī)構(gòu)將發(fā)揮作用，限制導(dǎo)葉開(kāi)度不超過(guò)該限制開(kāi)度，從而限制了流量的進(jìn)一步增加。同時(shí)，發(fā)電機(jī)的阻力矩維持不變，于是式（4）不能保持平衡，右邊小于零，運(yùn)行機(jī)組的轉(zhuǎn)速未達(dá)到額定值就開(kāi)始下降，此后將以小于額定值的某一值為軸作擺動(dòng)。該差值若超過(guò)有差調(diào)節(jié)的調(diào)差率，即085，則難以滿(mǎn)足電網(wǎng)對(duì)調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求。2實(shí)例本文選取了設(shè)有尾水調(diào)壓室的常規(guī)水電站和設(shè)有上游調(diào)壓室的抽水蓄能水電站作為計(jì)算實(shí)例，兩者均為兩機(jī)一洞布置方式。為探求增負(fù)荷時(shí)間對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響，擬定增負(fù)荷時(shí)間 范圍為10100

7、s，并以10s為間隔。3/s，額定轉(zhuǎn)速75r/min。圖1圖4為大波動(dòng)過(guò)渡過(guò)程中各控制參數(shù)隨導(dǎo)葉開(kāi)啟時(shí)間的變化曲線(xiàn)，圖中數(shù)據(jù)點(diǎn)來(lái)源于10100s的數(shù)值計(jì)算結(jié)果。圖1蝸殼末端動(dòng)水壓力控制值 圖2 尾水管進(jìn)口壓力控制值圖3尾水調(diào)壓室涌浪水位控制值 圖4調(diào)壓室底板壓差控制值圖1圖4圖例說(shuō)明：從圖中可以看出，蝸殼最大動(dòng)水壓力發(fā)生在導(dǎo)葉開(kāi)啟初始時(shí)刻，其大小等于恒定流壓力；而蝸殼最小動(dòng)水壓力則隨增負(fù)荷時(shí)間的延長(zhǎng)而增大(圖1)，極值發(fā)生時(shí)間均在附近(圖5)；且存在某一臨界增負(fù)荷時(shí)間，當(dāng)時(shí)壓力極值變化較為顯著，時(shí)壓力變化則較為平緩。結(jié)果表明：該臨界導(dǎo)葉開(kāi)啟時(shí)間為30s。盡管在增負(fù)荷工況下，尾水管進(jìn)口壓力不是過(guò)

8、渡過(guò)程的控制值，但從圖2可知，其極值隨的變化趨勢(shì)仍然以30s為臨界值，超過(guò)60s后尾水管壓力大小幾乎不變。與此類(lèi)似，引水發(fā)電系統(tǒng)的沿線(xiàn)壓力也以30s為臨界值（圖7）。尾水調(diào)壓室最低涌浪水位以40s為臨界值，并在后最低涌浪水位與調(diào)壓室初始水位保持齊平(圖3)。這是因?yàn)殡S著的延長(zhǎng)，調(diào)壓室涌浪的第二振幅水位反而高于初始水位（見(jiàn)圖6）。最高涌浪水位則無(wú)明顯的臨界值，隨著的延長(zhǎng)而逐漸降低。調(diào)壓室阻抗孔口的向上向下最大壓差分別以30s、40s為臨界值(圖4)?？傊?，以上各控制參數(shù)的臨界值均在3040s之間，與iec的推薦值是一致的。在并入有限電網(wǎng)的水力干擾過(guò)渡過(guò)程中，運(yùn)行機(jī)組有關(guān)參數(shù)變化過(guò)程見(jiàn)圖8圖11。

9、作為示例，圖中僅選取了10s、30s、50s、100s四種增負(fù)荷時(shí)間。結(jié)果表明：在運(yùn)行機(jī)組起始開(kāi)度98時(shí)，無(wú)論動(dòng)作機(jī)組導(dǎo)葉開(kāi)啟時(shí)間多長(zhǎng)，調(diào)速器參數(shù)如何整定，其轉(zhuǎn)速均不能恢復(fù)到額定轉(zhuǎn)速75r/min，而是收斂于一小于額定轉(zhuǎn)速的數(shù)值（圖8）：100時(shí)，其相對(duì)差值為10.67，大于規(guī)范規(guī)定的最大有差調(diào)差率8%；98時(shí)，相對(duì)差值為2.67，在8以?xún)?nèi)。此時(shí)若將電網(wǎng)自調(diào)節(jié)系數(shù)由0依次增加至0.5、0.8，則前述相對(duì)差值減?。▓D9）。而當(dāng)起始開(kāi)度減小到97時(shí)，運(yùn)行機(jī)組轉(zhuǎn)速均能收斂到額定轉(zhuǎn)速。上述結(jié)果表明水力干擾過(guò)渡過(guò)程中運(yùn)行機(jī)組存在最大臨界初始開(kāi)度，即。另外，隨著開(kāi)啟時(shí)間的延長(zhǎng)，運(yùn)行機(jī)組出力變化幅度減小，振

10、蕩周期略有增加（圖10）。與并入大網(wǎng)的水力干擾（圖11）相比，并入小網(wǎng)運(yùn)行機(jī)組的出力變化幅度較大而且衰減較慢。圖5 蝸殼末端動(dòng)水壓力變化曲線(xiàn)簇 圖6 調(diào)壓室涌浪水位變化曲線(xiàn)簇圖7 引水發(fā)電系統(tǒng)沿線(xiàn)壓力曲線(xiàn)簇圖8運(yùn)行機(jī)組轉(zhuǎn)速變化曲線(xiàn)簇 圖9運(yùn)行機(jī)組轉(zhuǎn)速變化曲線(xiàn)簇圖10 運(yùn)行機(jī)組出力變化曲線(xiàn)簇(并小網(wǎng))圖11運(yùn)行機(jī)組出力變化曲線(xiàn)簇(并大網(wǎng))3/s，額定轉(zhuǎn)速250r/min。大波動(dòng)計(jì)算結(jié)果表明，蝸殼末端的壓力極值變化規(guī)律與前述的常規(guī)水電站一致：蝸殼最大動(dòng)水壓力發(fā)生在導(dǎo)葉開(kāi)啟初始時(shí)刻，最小動(dòng)水壓力則隨增負(fù)荷時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，極值的發(fā)生時(shí)間均在附近，略有不同的是臨界時(shí)間提前到20s左右。隨導(dǎo)葉開(kāi)啟時(shí)間的增加，尾水管進(jìn)口壓力的變化趨勢(shì)是先顯著后平緩，臨界時(shí)間在40s左右。與常規(guī)水電站類(lèi)似，引水發(fā)電系統(tǒng)的沿線(xiàn)壓力也以30s為臨界值。上游調(diào)壓室最高涌浪為初始值，這是因?yàn)樵鲐?fù)荷在調(diào)壓室產(chǎn)生的第二振幅低于恒定水位，最低涌浪隨增荷時(shí)間的增加呈現(xiàn)的規(guī)律是先減小后增加，臨界時(shí)間在40s左右?？偟膩?lái)說(shuō)，以上大波動(dòng)控制參數(shù)的臨界值也在3040s之間，與iec的推薦值是一致的。對(duì)于同一抽水蓄能電站，正常運(yùn)行機(jī)組分別采用不同的導(dǎo)葉