水電站過渡過程管理論文

導語：水電站過渡過程管理論文一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

前言

在水電站運行中，從空載增至全負荷的導葉開啟時間，國內外規范有不同的規定：文獻[1]中對調節系統的要求：導葉開度的全行程動作時間應符合設計規范，一般為10～40s。國際電工技術委員會IEC(InternationalElectrotechnicalCommission)標準[2]則規定開啟時間為20～80s，推薦值30～40s。上述規程標準給出的取值范圍雖有重疊部分，但整體范圍并不一致，而導葉開啟時間的取值問題一直未進行深入的研究。本文將結合兩機一洞常規水電站和抽水蓄能水電站兩個代表性實例，探討不同的導葉開啟時間對水電站過渡過程的影響，尋找恰當的開啟時間（直線開啟規律），以滿足發電機和電網對調節系統的要求。

1導葉開啟時間對過渡過程的影響

水電站過渡過程涉及到大波動、小波動和水力干擾過渡過程三個方面。而在小波動過渡過程中，調速器將自動跟蹤，機組不受導葉開啟時間長短的影響。因此本文僅討論導葉開啟時間對大波動和水力干擾過渡過程的影響。

1.1導葉開啟時間對大波動過渡過程的影響

在無窮大電網條件下，增負荷，機組轉速不變，調速器將不參與調節，所以增負荷時間的長短將只對機組兩個調保參數（蝸殼末端動水壓力、尾水管進口斷面壓力）、管道沿程的壓力分布、調壓室涌浪水位及阻抗孔口壓差等產生相應的影響。文獻[3]給出了粗略估算水錘壓力的計算公式：，式中、分別為壓力管道水流慣性加速時間常數和導葉動作時間，、為水輪機在初始和終了時的相對流量值。由上式不難看出，在機組增負荷過程中，導葉開啟越快，引起的負水錘越大，蝸殼末端的最小動水壓力將越小，尾水管進口的最大動水壓力也將越來越大。另外，由于沿管線壓力極值通常呈線性分布，所以機組上游側沿線最小動水壓力分布線的梯度和機組下游側沿線最大動水壓力線的梯度將隨著導葉開啟時間減短而越來越大。由文獻[4]調壓室基本方程式對時間微分（式中、分別表示引水管道及調壓室斷面積，表示管道中水流速度，為調壓室水位，為水輪機引用流量，上游調壓室取“＋”號，尾水調壓室取“－”號），可得。從該式可知，導葉開啟速度的快慢（可用大小衡量）不僅影響隧洞水流慣性的變化，而且直接影響調壓室涌浪水位高低。

1.2導葉開啟時間對水力干擾過渡過程的影響

在兩機一洞布置方式下，若一臺機組并入有限電網正常運行，另一臺機組增負荷，該動作機組增負荷時間的長短必然對正常運行機組的調節品質產生影響。將水輪發電機組的運動方程：

（1）

經適當變換，有：

（2）

而

（3）

所以有：

（4）

上式中，－機組轉動慣性矩，－水輪機主動力矩和出力，－發電機阻抗力矩和出力，－機組轉動角速度，－水輪機工作水頭，－水輪機引用流量，－水輪機效率，－時間。

在動作機組導葉開啟過程中，由于水錘作用，水輪機進口斷面壓力下降而出口斷面壓力上升，從而導致運行機組工作水頭降低。在機組效率不變的條件下，為保證運行機組出力不變，其引用流量必須增大，也就是說，運行機組導葉開度將會隨著動作機組導葉開啟而加大。導葉開啟時間越短，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，因此導葉開度增加的幅度越大。在水力干擾過渡過程中，如果動作機組導葉開啟太快，而此時運行機組的開度又接近某一限制開度時，調速器的開度限制機構將發揮作用，限制導葉開度不超過該限制開度，從而限制了流量的進一步增加。同時，發電機的阻力矩維持不變，于是式（4）不能保持平衡，右邊小于零，運行機組的轉速未達到額定值就開始下降，此后將以小于額定值的某一值為軸作擺動。該差值若超過有差調節的調差率，即0～8％[5]，則難以滿足電網對調節系統穩定性的要求。

2實例

本文選取了設有尾水調壓室的常規水電站和設有上游調壓室的抽水蓄能水電站作為計算實例，兩者均為兩機一洞布置方式。為探求增負荷時間對過渡過程的影響，擬定增負荷時間范圍為10～100s，并以10s為間隔。

2.1常規水電站實例

該水電站額定水頭95.0m，單機引用流量900.7m3/s，額定轉速75r/min。圖1～圖4為大波動過渡過程中各控制參數隨導葉開啟時間的變化曲線，圖中數據點來源于10～100s的數值計算結果。

圖1蝸殼末端動水壓力控制值圖2尾水管進口壓力控制值

圖3尾水調壓室涌浪水位控制值圖4調壓室底板壓差控制值

圖1～圖4圖例說明：

從圖中可以看出，蝸殼最大動水壓力發生在導葉開啟初始時刻，其大小等于恒定流壓力；而蝸殼最小動水壓力則隨增負荷時間的延長而增大(圖1)，極值發生時間均在附近(圖5)；且存在某一臨界增負荷時間，當時壓力極值變化較為顯著，時壓力變化則較為平緩。結果表明：該臨界導葉開啟時間為30s。盡管在增負荷工況下，尾水管進口壓力不是過渡過程的控制值，但從圖2可知，其極值隨的變化趨勢仍然以30s為臨界值，超過60s后尾水管壓力大小幾乎不變。與此類似，引水發電系統的沿線壓力也以30s為臨界值（圖7）。尾水調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壓室初始水位保持齊平(圖3)。這是因為隨著的延長，調壓室涌浪的第二振幅水位反而高于初始水位（見圖6）。最高涌浪水位則無明顯的臨界值，隨著的延長而逐漸降低。調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)。總之，以上各控制參數的臨界值均在30～40s之間，與IEC的推薦值是一致的。

在并入有限電網的水力干擾過渡過程中，運行機組有關參數變化過程見圖8～圖11。作為示例，圖中僅選取了＝10s、30s、50s、100s四種增負荷時間。

結果表明：在運行機組起始開度≥98％時，無論動作機組導葉開啟時間多長，調速器參數如何整定，其轉速均不能恢復到額定轉速75r/min，而是收斂于一小于額定轉速的數值（圖8）：＝100％時，其相對差值為10.67％，大于規范規定的最大有差調差率8%；＝98％時，相對差值為2.67％，在8％以內。此時若將電網自調節系數由0依次增加至0.5、0.8，則前述相對差值減小（圖9）。而當起始開度減小到97％時，運行機組轉速均能收斂到額定轉速。上述結果表明水力干擾過渡過程中運行機組存在最大臨界初始開度，即。

另外，隨著開啟時間的延長，運行機組出力變化幅度減小，振蕩周期略有增加（圖10）。與并入大網的水力干擾（圖11）相比，并入小網運行機組的出力變化幅度較大而且衰減較慢。

圖5蝸殼末端動水壓力變化曲線簇圖6調壓室涌浪水位變化曲線簇

圖7引水發電系統沿線壓力曲線簇

圖8運行機組轉速變化曲線簇圖9運行機組轉速變化曲線簇

圖10運行機組出力變化曲線簇(并小網)圖11運行機組出力變化曲線簇(并大網)

2.2抽水蓄能水電站算例

該水電站額定水頭195.0m，單機引用流量185.46m3/s，額定轉速250r/min。大波動計算結果表明，蝸殼末端的壓力極值變化規律與前述的常規水電站一致：蝸殼最大動水壓力發生在導葉開啟初始時刻，最小動水壓力則隨增負荷時間的延長而增大，極值的發生時間均在附近，略有不同的是臨界時間提前到20s左右。隨導葉開啟時間的增加，尾水管進口壓力的變化趨勢是先顯著后平緩，臨界時間在40s左右。與常規水電站類似，引水發電系統的沿線壓力也以30s為臨界值。上游調壓室最高涌浪為初始值，這是因為增負荷在調壓室產生的第二振幅低于恒定水位，最低涌浪隨增荷時間的增加呈現的規律是先減小后增加，臨界時間在40s左右。總的來說，以上大波動控制參數的臨界值也在30～40s之間，與IEC的推薦值是一致的。

對于同一抽水蓄能電站，正常運行機組分別采用不同的導葉初始開度，作為示例僅選取了97.4%、90%、88%三種初始開度值，在不同的增荷時間下（10s、30s、50s、100s）得到一系列轉速和出力變化曲線。與前述常規水電站一樣，只有當運行機組初始開度小于等于88%時，其轉速才能恢復到額定轉速250r/min；大于此開度值時，無論將導葉開啟時間延長多久都不能使運行機組轉速圍繞額定轉速波動：＝97.4％時，與額定轉速相對差值為2.28％；＝90％時，為0.52％，均在8％以內。增大時，轉速相對差值也有減小的趨勢。運行機組轉速及出力變化規律與常規水電站一致，在此不一一贅述。

3結語

結合理論推導和計算實例，探討了導葉開啟時間對水電站過渡過程的影響。對大波動而言，主要是蝸殼末端最小動水壓力、上游管道最小壓力沿線分布、下游管道最大壓力沿線分布以及調壓室阻抗孔口壓差對導葉開啟時間較為敏感，但可以找到某一臨界時間，使調保參數及上述控制值在合理范圍以內，同時也驗證了IEC推薦的增負荷時間30～40s是合理的。對并入小網的水力干擾過渡過程而言，若運行機組初始導葉開度接近限制開度時，無論將增負荷時間延長多久都不能使運行機組轉速圍繞額定轉速波動，此時與額定轉速相對差值有可能超過有差調節最大調差率的允許值8％，會對電網產生一定的沖擊。因此需要將運行機組最大初始開度限制在最大臨界開度之內，該開度為運行機組轉速收斂于額定轉速的最大初始開度，以滿足發電機和電網對調節系統的要求。

參考文獻：

[1]DL/T563-95，《水輪機電液調節系統及裝置技術規程》。

[2]IEC-61362，《水輪機控制系統規范導則》。

[3]克里夫琴科(Кривченко,Г.И.)主編，常兆堂譯。《水電站動力裝置中的過渡過程》。北京：水利出版社，1981。

[4]馬善定，汪如澤合編。《水電站建筑物》（第二版）。北京：中國水利水電出版社，1995。

[5]金鐘元。《水力機械》（第二版）。北京：水利水電出版社，1992。