鄭程遙，黃定波，王國俊

(1. 廣東水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510925；2.廣州市恩萊吉能源科技有限公司，廣東 廣州 510655；3.武漢市漢諾優(yōu)電控有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430012)

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導(dǎo)葉—調(diào)壓閥并聯(lián)控制系統(tǒng)

鄭程遙1，黃定波2，王國俊3

(1. 廣東水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510925；2.廣州市恩萊吉能源科技有限公司，廣東 廣州 510655；3.武漢市漢諾優(yōu)電控有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430012)

在大波動過程中，水輪機(jī)導(dǎo)葉接力器與調(diào)壓閥各自獨立控制。導(dǎo)葉接力器選擇調(diào)壓閥拒動時壓力保證值對應(yīng)的關(guān)閉速度，而調(diào)壓閥選擇合適的關(guān)閉規(guī)律以抑制轉(zhuǎn)速上升，此控制系統(tǒng)稱為導(dǎo)葉—調(diào)壓閥并聯(lián)控制系統(tǒng)，目前工程上已有應(yīng)用案例。為了研究該系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)及應(yīng)關(guān)注的相關(guān)問題，通過數(shù)學(xué)建模、動態(tài)模擬仿真分析其調(diào)節(jié)品質(zhì)，并與常規(guī)的串聯(lián)控制系統(tǒng)比較，表明并聯(lián)控制系統(tǒng)是可行的。

調(diào)壓閥；水流慣性時間常數(shù)；導(dǎo)葉—調(diào)壓閥并聯(lián)控制；調(diào)保計算

1 研究背景

對于長引水管道的中小型水電站，其水流慣性時間常數(shù)Tw較大，僅改變調(diào)速器關(guān)閉規(guī)律和關(guān)閉時間難以滿足壓力管道水壓升高和機(jī)組轉(zhuǎn)速升高允許值的要求，此時，往往設(shè)置調(diào)壓井，以減少Tw的值。但修建調(diào)壓井投資大，工期長，維護(hù)困難，而且還受地質(zhì)，地形條件限制。所以，一般3 s≤Tw≤12 s時，可以考慮“以閥代井”，即用調(diào)壓閥代替調(diào)壓井(節(jié)約成本約80%)，其機(jī)理是在機(jī)組甩負(fù)荷導(dǎo)葉關(guān)閉的同時相應(yīng)的開啟調(diào)壓閥泄流，使引水系統(tǒng)流量變化減緩，限制水壓升高和轉(zhuǎn)速升高，以符合規(guī)范要求。

現(xiàn)主流產(chǎn)品中調(diào)壓閥與調(diào)速器是聯(lián)動的，調(diào)速器的主配壓閥是特制的，水輪機(jī)導(dǎo)葉接力器和調(diào)壓閥同時受調(diào)速器主配壓閥控制，俗稱為串聯(lián)液壓聯(lián)動系統(tǒng)。顯然，由于采用“特殊主配”，且調(diào)壓閥和調(diào)速器機(jī)械液壓部分聯(lián)動，就增加了結(jié)構(gòu)和制造的復(fù)雜性和采購維修的難度。因此一些廠家采用了一種新型的控制策略，即導(dǎo)葉接力器以壓力上升作為控制條件，在大波動過程中，僅實施“慢關(guān)”的功能，用常規(guī)的調(diào)速器；而轉(zhuǎn)速上升控制，則主要通過調(diào)壓閥來實現(xiàn)。這種控制系統(tǒng)調(diào)速器與調(diào)壓閥各自獨立運行，簡化了結(jié)構(gòu)，利于標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，稱之為導(dǎo)葉—調(diào)壓閥并聯(lián)控制系統(tǒng)。已應(yīng)用于印度Poringalkuthu電站和卡基娃水電站(皆中國制造[1])，但迄今尚未見到對這種控制系統(tǒng)的理論分析，由于調(diào)節(jié)保證值對水電站安全的基本性影響，在此建立這種控制方式的數(shù)學(xué)模型，用MATLAB軟件進(jìn)行調(diào)節(jié)過程的動態(tài)仿真，并與串聯(lián)控制系統(tǒng)進(jìn)行比較，分析其控制系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)，提出其在應(yīng)用中應(yīng)關(guān)注的問題。

2 數(shù)學(xué)建模與仿真

2.1導(dǎo)葉—調(diào)壓閥關(guān)閉控制特性

在常規(guī)的調(diào)速器—調(diào)壓閥串聯(lián)聯(lián)動系統(tǒng)中，其控制規(guī)律有兩種[2]，其一是導(dǎo)葉接力器按直線規(guī)律關(guān)閉(一段關(guān)閉)，見圖1(a)，其二是導(dǎo)葉接力器按折線規(guī)律關(guān)閉(見圖1(b))。圖中實線①為快速關(guān)閉，②為慢速關(guān)閉；點劃線③為調(diào)壓閥啟閉過程特性。

圖1 導(dǎo)葉—調(diào)壓閥串聯(lián)控制系統(tǒng)關(guān)閉特性

圖中QT為水輪機(jī)額定流量；Qx為調(diào)壓閥流量；Qg為拐點處水輪機(jī)流量；TS為導(dǎo)葉為導(dǎo)葉快速一段關(guān)閉時間；TSS為導(dǎo)葉慢關(guān)閉時間；TS1為導(dǎo)葉兩段關(guān)閉總時間；TSk為調(diào)壓閥開啟時間(等于導(dǎo)葉兩段關(guān)閉，快關(guān)到拐點開度τg的時間TSg)；TSt為調(diào)壓閥關(guān)閉時間；Tp為水輪機(jī)導(dǎo)葉快速全關(guān)閉后，調(diào)壓閥仍維持其開度不變的時間。

在導(dǎo)葉—調(diào)壓閥并聯(lián)控制系統(tǒng)中，導(dǎo)葉接力器只能采用慢關(guān)，以滿足調(diào)壓閥拒動時，壓力上升保證值的要求，如圖2斜線②所示，應(yīng)當(dāng)注意的是，這種控制系統(tǒng)由于調(diào)速器獨立控制，所以可實現(xiàn)“慢二段”關(guān)閉的策略。調(diào)壓閥的開啟時間TSk的選擇最為關(guān)鍵，TSk過慢則不能有效抑制轉(zhuǎn)速上升，過快則導(dǎo)致較大的負(fù)水錘，使得壓力下降值過低，或者會導(dǎo)致后期的波動過程中，壓力上升值過高，這也是此種控制方式的難點。

圖2 導(dǎo)葉——調(diào)壓閥并聯(lián)控制系統(tǒng)關(guān)閉特性

2.2 導(dǎo)葉—調(diào)壓閥并聯(lián)控制系統(tǒng)建模與仿真

導(dǎo)葉—調(diào)壓閥并聯(lián)控制系統(tǒng)的建模可以在一般的水電站過渡過程基本模型上添加調(diào)壓閥控制模塊形成，借助MATLAB的Simulink動態(tài)仿真平臺，可方便建立控制系統(tǒng)動態(tài)仿真模型。為不失一般性，又不增加研究的難度，我們選擇了某水電站三臺機(jī)組的控制系統(tǒng)，進(jìn)行建模仿真。該電站參數(shù)見表1，引水系統(tǒng)的布置見圖3，動態(tài)仿真模型見圖4。

表1 電站主要參數(shù)

圖3 引水系統(tǒng)布置示意

圖4 調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真模型

上述模型各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)如下：

1) 壓力引水隧洞?？紤]水體和管壁的彈性以及水力摩阻的損失，可得到壓力引水隧洞L01段傳遞函數(shù)為：

(1)

式中Tw01為L01段水流慣性時間常數(shù)；Tr01為L01段水錘壓力波反射時間；f01為水頭損失系數(shù)；S為拉普拉斯算子；h、q表示水頭、流量相對偏差；數(shù)字“0”表示管道出口端，“1”表示管道進(jìn)口端；th表示雙曲正切函數(shù)；ch表示雙曲余弦函數(shù)。

2) 壓力鋼管(叉管L12、L15、L18段)

(2)

式中Twi、Tri、fi(i=L12段、L15段、L18段)分別表示各個叉管的水流慣性時間常數(shù)、水錘壓力波反射時間、水頭損失系數(shù)。

3) 尾水管(L34、L67、L910段)

(3)

式中Twi、Tri、fi(i=L34段、L67段、L910段)分別表示各個叉管的水流慣性時間常數(shù)、水錘壓力波反射時間、水頭損失系數(shù)。

4) 水輪機(jī)

此處，水輪機(jī)傳遞系數(shù)作為變量考慮，水輪機(jī)特性呈現(xiàn)出非線性。此時水輪機(jī)數(shù)學(xué)模型[3]為：

(4)

式中ey、ex、eh分別表征水輪機(jī)導(dǎo)葉開度、轉(zhuǎn)速，水頭變化時力矩的相對微增(傳遞)系數(shù)；eqy、eqx、eqh分別為流量的相對微增(傳遞)系數(shù)；y導(dǎo)葉開度相對偏差；x轉(zhuǎn)速相對偏差；h水頭相對偏差。

5) 發(fā)電機(jī)及負(fù)載[4]

(5)

式中Ta分別表示機(jī)組的慣性時間常數(shù)；en為機(jī)組綜合自調(diào)節(jié)系數(shù)。

為簡單計，僅考慮最不利工況，三臺機(jī)同時甩額定負(fù)荷，2#、3#機(jī)調(diào)速器與調(diào)壓閥正常動作；對1#機(jī)按以下3種工況進(jìn)行仿真：調(diào)速器與調(diào)壓閥正常動作；調(diào)壓閥拒動，調(diào)速器動作；調(diào)速器拒動，調(diào)壓閥動作。

設(shè)計部門給出的壓力保證值ξ≤30%(但一般情況下，調(diào)壓閥控制值，超標(biāo)ξ≤20%)，轉(zhuǎn)速上升值β≤60%。仿真結(jié)果見圖5～7。

6) 工況(1)調(diào)速器與調(diào)壓閥同時動作

7) 工況(2)調(diào)壓閥拒動，調(diào)速器動作

8) 工況(3)調(diào)速器拒動，調(diào)壓閥動作

圖5 調(diào)速器與調(diào)壓閥動作時轉(zhuǎn)速及壓力過程線

圖6 調(diào)壓閥拒動時轉(zhuǎn)速及壓力過程線

圖7 調(diào)速器拒動時轉(zhuǎn)速及壓力過程線

從動態(tài)仿真過程可以看出：

①調(diào)速器與調(diào)壓閥正常動作時，引水系統(tǒng)的最大壓力上升為15.69%<30%；最大轉(zhuǎn)速上升為56.30%<60%。符合要求。

②在調(diào)壓閥拒動時，最大轉(zhuǎn)速上升為65.98%，而調(diào)速器的關(guān)閉時間75 s，一般機(jī)組承受飛逸的時間在3 min以上，所以不會對機(jī)組產(chǎn)生有害的變形。

③調(diào)壓閥拒動時，出現(xiàn)最大正水錘為23.30%，符合設(shè)計要求。

④調(diào)速器拒動時，機(jī)組產(chǎn)生飛逸，并出現(xiàn)最大負(fù)水錘14.87%。

在上述案例中，壓力管道長達(dá)4.05 km，水流慣性時間常數(shù)Tw為11.87 s，調(diào)壓閥轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)仍能基本保證調(diào)保計算的要求，說明這種控制策略是可行的。

3 導(dǎo)葉—調(diào)壓閥串聯(lián)控制系統(tǒng)仿真

為了將導(dǎo)葉—調(diào)壓閥串、并聯(lián)控制系統(tǒng)進(jìn)行比較，將上述同一水電站用串聯(lián)控制系統(tǒng)仿真，對應(yīng)的2種工況結(jié)果如下：

1) 工況(1)調(diào)速器與調(diào)壓閥聯(lián)動時(見圖8)。

2) 工況(2)調(diào)壓閥拒動時(見圖9)。

圖8 調(diào)速器與調(diào)壓閥聯(lián)動時轉(zhuǎn)速及壓力過程線

圖9 調(diào)壓閥拒動時轉(zhuǎn)速及壓力過程線

兩種控制方式對比見表2。

表2 兩種控制方式指標(biāo)對比

4 結(jié)語

1) 導(dǎo)葉—調(diào)壓閥并聯(lián)控制系統(tǒng)是可行的，其調(diào)速器和調(diào)壓閥獨立控制，便于標(biāo)準(zhǔn)化和降低成本。

2) 導(dǎo)葉—調(diào)壓閥并聯(lián)控制系統(tǒng)，在調(diào)速器拒動時，調(diào)壓閥開啟會產(chǎn)生較大的壓力降，同時，在仿真時，發(fā)現(xiàn)其動態(tài)過程不夠穩(wěn)定，易受其他機(jī)組干擾，因此宜采取可靠的閉鎖措施，保證調(diào)速器拒動時，調(diào)壓閥不開啟。

3) 并聯(lián)控制系統(tǒng)調(diào)速器和調(diào)壓閥獨立控制，因此調(diào)速器可實現(xiàn)兩段關(guān)閉，而串聯(lián)系統(tǒng)調(diào)速器與調(diào)壓閥聯(lián)動，故在調(diào)壓閥拒動時，調(diào)速器只能一段關(guān)閉，因此并聯(lián)控制系統(tǒng)在“慢關(guān)方式”上有一定的靈活性。

4) 就控制系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)而言，串聯(lián)控制系統(tǒng)較優(yōu)，這是因為串聯(lián)控制系統(tǒng)有快關(guān)和慢關(guān)兩種功能，同時，其聯(lián)動的功能使調(diào)速器拒動時自然閉鎖了調(diào)壓閥的開啟。

[1] 武漢市漢諾優(yōu)電控有限責(zé)任公司.水電站調(diào)壓閥的控制裝置:ZL201420402586.X[P].2015-01-21.

[2] 湖北水利勘測設(shè)計院.小型水電站機(jī)電設(shè)計手冊[M].北京：水利電力出版社，1985.

[3] 楚清河,牛秀博.基于SIMULINK的水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)非線性仿真模型研究[J].吉林水利,2014(6):17-20.

[4] 孔昭年.水輪機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計與計算[M].武漢：長江出版社，2012.

(本文責(zé)任編輯 馬克俊)

Vanes-regulator Parallel Control System

ZHENG Chengyao1，HUANG Dingbo2，WANG guojun3

(1.Guangdong Technical College of Water Resources and Electric Engineering，Guangzhou 510925，China;2. Gyangzhou Enlegy Energy Technology Co.,Ltd.，Guangzhou 510655，China；3.Wuhan Hanon Electric Co.,Ltd., WuHan 430012，China)

In the process of large fluctuation，the turbine guide vane servomotor and the pressure regulators are controlled separately. Appropriate guide vane servomotor closing speed is selected to ensure that the pressure is below the guaranteed value when the regulator refused to move. Appropriate opening and closing rules of the pressure regulators are chosen to suppress speed increasing. This control system is called Vanes - regulator Parallel Control System. There are cases in engineering. In order to study the quality and concerns related to the system, mathematical modeling and dynamic simulation analysis of its regulatory quality have been done, and compared with a conventional tandem control system. The result shows that parallel control system is feasible.

Pressure Regulators；time constant of water conduit；vanes-regulator parallel control；the regulation firm calculation

2016-04-19;

2016-05-08

鄭程遙(1957)，男，博士，教授級高級工程師，從事機(jī)電工程研究。

TV734.4