張利芬

[摘 要]水電站過(guò)渡過(guò)程的分析不僅能夠提升操作細(xì)節(jié)、降低機(jī)組損壞程度，而且還能夠提升自調(diào)品質(zhì)，對(duì)于其安全高效運(yùn)行意義重大，所以針對(duì)導(dǎo)葉開啟時(shí)間的不同規(guī)定，應(yīng)結(jié)合實(shí)際工程情況，計(jì)算出符合設(shè)計(jì)需求的導(dǎo)葉開啟時(shí)間，從而滿足發(fā)電機(jī)組及電網(wǎng)的自調(diào)節(jié)系統(tǒng)要求。本文主要介紹了烏泥河PP41型號(hào)的調(diào)速器，并在此基礎(chǔ)上分析了速器導(dǎo)葉開啟時(shí)間對(duì)水電站過(guò)渡過(guò)程的影響，根據(jù)分析結(jié)果提出導(dǎo)葉開啟時(shí)間控制的操作方案，以期為相關(guān)工作者及研究人員提供參考依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]過(guò)渡過(guò)程 導(dǎo)葉開啟時(shí)間 數(shù)值計(jì)算 臨界時(shí)間

中圖分類號(hào)：TV737 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）02-0375-01

一、烏泥河調(diào)速器PP41簡(jiǎn)介

武漢長(zhǎng)江控制設(shè)備研究所在2001年研發(fā)的新型水輪機(jī)調(diào)速器實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)編程的特點(diǎn)，其功能結(jié)合了PLC與IPC兩種機(jī)型的優(yōu)點(diǎn)，在原有技術(shù)的基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮了可編程計(jì)算機(jī)控制器（PCC）的技術(shù)特點(diǎn)，擴(kuò)大了試用范圍，主要試用于大、中、小型混流、轉(zhuǎn)漿、貫流、沖擊式等類型機(jī)組。它主要以PP41可編程計(jì)算機(jī)的控制器、操作顯示器及功能模塊為核心硬件，并與接口功能板共同構(gòu)成的可靠性能高的調(diào)節(jié)器。主要功能是測(cè)量水輪發(fā)電機(jī)的鉆速偏差，并將其按一定調(diào)節(jié)規(guī)律轉(zhuǎn)換成控制導(dǎo)葉開度（和輪葉轉(zhuǎn)角）的信號(hào)。

二、調(diào)速器導(dǎo)葉開啟時(shí)間對(duì)水電站過(guò)渡過(guò)程的影響

點(diǎn)電站的過(guò)渡過(guò)程主要分為三個(gè)層次：即大波動(dòng)、小波動(dòng)及水力干擾過(guò)渡過(guò)程。這其中在發(fā)生小波動(dòng)情況時(shí)，調(diào)速器會(huì)設(shè)定自動(dòng)跟蹤，所以導(dǎo)葉開啟時(shí)間的長(zhǎng)短不會(huì)影響到機(jī)組，以下主要對(duì)大波動(dòng)及水利干擾過(guò)渡過(guò)程進(jìn)行分析。

1、調(diào)速器導(dǎo)葉開啟時(shí)間對(duì)水電站大波動(dòng)過(guò)程的影響

假設(shè)電網(wǎng)在強(qiáng)度足夠大的情況，這時(shí)增加負(fù)荷，機(jī)組的轉(zhuǎn)速時(shí)不變的，調(diào)速器在這種情況下也會(huì)自動(dòng)選擇不參與調(diào)節(jié)，因此增加負(fù)荷的時(shí)間只會(huì)對(duì)蝸殼末端動(dòng)力水壓及尾水管進(jìn)口斷面壓力、管道沿程壓力分布、調(diào)壓室涌浪水位、阻抗孔口壓造成一定的影響，根據(jù)水錘壓力的計(jì)算公式：

公式（1）中，Tw、Ts分別代表了壓力管道水流慣性的加速時(shí)間常數(shù)及導(dǎo)葉動(dòng)作時(shí)間，q0-q1為水輪機(jī)調(diào)速器在開始時(shí)間及結(jié)束時(shí)間的相對(duì)流量值。由上述公式可得出分析，調(diào)速器機(jī)組在增加負(fù)荷的過(guò)程中，導(dǎo)葉開啟速度的快慢與負(fù)水錘的大小是成正比的。而此時(shí)蝸殼末端的動(dòng)水壓力將與其成反比趨勢(shì)。因此隨著調(diào)速器導(dǎo)葉開啟時(shí)間的減少，機(jī)組上游側(cè)沿線最小動(dòng)水壓分布線的梯度及機(jī)組下游測(cè)線最大動(dòng)水壓力線的梯度會(huì)逐漸增大。這里引進(jìn)調(diào)壓室基本方程式：

公式（2）中t代表時(shí)間，在運(yùn)算過(guò)程中，將其進(jìn)行微分，這其中的f、F分別表示陰水管道及調(diào)壓室斷面積，v則代表管道中的水流速度，z是調(diào)壓室的水位，Q表示水輪機(jī)的引用流量。這個(gè)運(yùn)算程序中，如果是上游調(diào)壓室則為“+”號(hào)，如果是尾水調(diào)壓室則為“—”號(hào)。由此可得

由公式（3）可得，調(diào)速器導(dǎo)葉開啟的速度（公式中表示為dQ、dt）會(huì)對(duì)隧洞水流慣性與調(diào)壓室浪水為產(chǎn)生直接影響。

2、調(diào)速器導(dǎo)葉開啟時(shí)間對(duì)水力干擾過(guò)渡過(guò)程的影響

如果采用兩臺(tái)機(jī)組的布置模式，其中一臺(tái)機(jī)組在并入有限電網(wǎng)正常運(yùn)行的情況下，另一臺(tái)機(jī)組進(jìn)行增負(fù)荷設(shè)置，其增負(fù)荷的時(shí)間長(zhǎng)短及大小就會(huì)對(duì)機(jī)組的調(diào)節(jié)品質(zhì)產(chǎn)生影響。以下為水輪機(jī)組的運(yùn)動(dòng)方程式：

公式（5）中，相關(guān)的字母表示為：J是機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)的慣性矩，Mt、Nt表示為水輪機(jī)主動(dòng)力矩及出力，， M g ， N g為發(fā)電機(jī)組的阻抗力矩及出力，ω為機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，H為水輪機(jī)工作水頭，Q為水輪機(jī)引用流量，η為水輪機(jī)效率，t為時(shí)間。

在水電站調(diào)速器機(jī)組導(dǎo)葉開啟的過(guò)程中，水輪機(jī)進(jìn)口斷面壓力在水錘作用下會(huì)出現(xiàn)下降的現(xiàn)象，而出口斷面則會(huì)在水錘作用下發(fā)生上升的現(xiàn)象。在此基礎(chǔ)上就會(huì)引起運(yùn)行機(jī)組工作水頭（H）的降低，如果這時(shí)機(jī)組的效率（η）保持不變，與此同時(shí)還要求運(yùn)行機(jī)組出力（Nt）不發(fā)生變化，就要采取相應(yīng)措施增大其引用流量（Q）。通過(guò)以上公式分析可知，水電站調(diào)速器運(yùn)行機(jī)組導(dǎo)葉開啟的程度與動(dòng)作機(jī)組導(dǎo)葉開啟程度成正比。也就是說(shuō)導(dǎo)葉開啟時(shí)間的長(zhǎng)短與水錘作用成反比，其開啟的時(shí)間越短，水錘作用的效果就越明顯。與此同時(shí)也會(huì)影響工作水頭及引用流量的幅度，主要表現(xiàn)為工作水頭的降低幅度增大，引用流量的增加幅度也會(huì)增大。

而在調(diào)速器水力干擾過(guò)渡過(guò)程中，主要發(fā)揮作用的是調(diào)速器的開度限制機(jī)構(gòu)，如果此時(shí)運(yùn)行機(jī)組的開度將要達(dá)到某一限制值時(shí)，就會(huì)限制流量的進(jìn)一步增加。這時(shí)發(fā)電機(jī)的阻力矩也會(huì)保持原有數(shù)值不變，所以公式（5）的等式兩側(cè)就無(wú)法保持平衡，如果等式右側(cè)小于零，運(yùn)行機(jī)組在未達(dá)到額定值的條件下就會(huì)開始下降，以此為臨界點(diǎn)，運(yùn)行機(jī)組在低于某固定值時(shí)就會(huì)作以軸為中心的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。這其中的差值如果不能滿足要求系數(shù)（0～8%），則無(wú)法滿足調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定要求。

三、調(diào)速器導(dǎo)葉開啟時(shí)間對(duì)水電站過(guò)渡過(guò)程影響的結(jié)果分析

關(guān)于水電站過(guò)渡的過(guò)程運(yùn)行，很多研究人員及工作人員在結(jié)合實(shí)際參數(shù)的情況下做了大量的調(diào)查運(yùn)算，同時(shí)對(duì)調(diào)速器機(jī)組過(guò)渡過(guò)程中導(dǎo)葉開啟的規(guī)律進(jìn)行了一定的總結(jié)，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1、增大電網(wǎng)的自調(diào)節(jié)系數(shù)

如果運(yùn)行機(jī)組在導(dǎo)葉開啟時(shí)開度達(dá)到最大臨界值，就要是調(diào)速器保證在原有參數(shù)不變的情況下，進(jìn)行電網(wǎng)自調(diào)節(jié)系數(shù)的改變，主要的措施步驟是將其自調(diào)節(jié)系數(shù)由0.0向0.5依次增加，這時(shí)導(dǎo)葉開啟的相對(duì)差值將會(huì)減小，直到速度減慢至無(wú)法恢復(fù)原有的額定轉(zhuǎn)速。此時(shí)如果導(dǎo)葉開啟最大臨界值繼續(xù)變大，就還要對(duì)自調(diào)節(jié)系數(shù)進(jìn)行增大處理，例如可由原來(lái)的0.0增大的0.5，再繼續(xù)增大到0.8，這樣就能實(shí)現(xiàn)導(dǎo)葉開啟的相對(duì)差值的減小，從而在一定程度上改善了水力干擾過(guò)渡過(guò)程的調(diào)節(jié)品質(zhì)。

2、調(diào)整調(diào)速器參數(shù)

第一，假設(shè)調(diào)速器參數(shù)還是達(dá)到臨界的最大值，就要在保證調(diào)速器其他參數(shù)不變的情況下，改變永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)，可以將其從0.0逐漸遞增至0.8，觀察其前后變化過(guò)程可得知，兩次的變化是重合的，所以可以證明氣的增加與改善水力干擾過(guò)渡過(guò)程并沒(méi)有太大的關(guān)系，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)提升其品質(zhì)的調(diào)節(jié)。再有一點(diǎn)，調(diào)速器參數(shù)的增加及減少，在調(diào)速器轉(zhuǎn)速變化調(diào)整的前后是差不多相同的，所以說(shuō)調(diào)速器參數(shù)的調(diào)整對(duì)其水力干擾過(guò)渡過(guò)程的品質(zhì)影響并不明顯。

第二，動(dòng)作機(jī)組的負(fù)荷變化會(huì)對(duì)水力干擾過(guò)渡的過(guò)程產(chǎn)生影響，一般的情況是隨著動(dòng)作機(jī)組負(fù)荷的增加，引用的總流量也會(huì)增加，從而導(dǎo)致水頭損失的增加，進(jìn)而使得運(yùn)行機(jī)組的水頭及流量均減少，降低了機(jī)組的工作效率，以至于水力干擾中運(yùn)行機(jī)組的恒定出力小于其初始出力。所以由此得出結(jié)論，調(diào)速器導(dǎo)葉開啟時(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)影響其他相關(guān)數(shù)據(jù)，比如會(huì)造成運(yùn)行記住出力變化幅度的減少以及震蕩周期的增大，從而影響水力干擾過(guò)濾過(guò)程的品質(zhì)。

結(jié)論：本文結(jié)合了調(diào)速器導(dǎo)葉開啟的理論及公式計(jì)算，完成了導(dǎo)葉開啟時(shí)間對(duì)水電站過(guò)濾過(guò)程的影響分析，主要以大波動(dòng)對(duì)導(dǎo)葉開啟時(shí)間的影響為重點(diǎn)，計(jì)算出導(dǎo)葉開啟的合理時(shí)間，從而控制參數(shù)范圍，實(shí)現(xiàn)機(jī)組轉(zhuǎn)速的額定運(yùn)行，以滿足發(fā)電機(jī)及電網(wǎng)對(duì)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的要求。并根據(jù)此結(jié)論不斷提升自調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，逐漸向著自動(dòng)化及專業(yè)化方向發(fā)展。

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