水利工程論文-導(dǎo)葉開啟時間對水電站過渡過程的影響.doc

水利工程論文-導(dǎo)葉開啟時間對水電站過渡過程的影響摘要：針對國內(nèi)外規(guī)范對導(dǎo)葉開啟時間的不同規(guī)定，結(jié)合理論推導(dǎo)和數(shù)值計算實例，分析了不同的導(dǎo)葉開啟時間對水電站過渡過程的影響。實例研究結(jié)果表明，大波動過渡過程中的蝸殼動水壓力、沿管道軸線的壓力分布以及調(diào)壓室阻抗孔口壓差等參數(shù)均隨導(dǎo)葉開啟時間變化而變化。通過研究得到如下結(jié)論：國際電工技術(shù)委員會標(biāo)準(zhǔn)推薦的增負(fù)荷時間3040s是合理的；在并入小網(wǎng)的水力干擾過渡過程中，需要將運行機(jī)組最大初始開度限制在最大臨界開度之內(nèi)，才能保證運行機(jī)組轉(zhuǎn)速收斂于額定轉(zhuǎn)速，以滿足發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)對調(diào)節(jié)系統(tǒng)的要求。關(guān)鍵詞：過渡過程導(dǎo)葉開啟時間數(shù)值計算臨界時間前言在水電站運行中，從空載增至全負(fù)荷的導(dǎo)葉開啟時間，國內(nèi)外規(guī)范有不同的規(guī)定：文獻(xiàn)1中對調(diào)節(jié)系統(tǒng)的要求：導(dǎo)葉開度的全行程動作時間應(yīng)符合設(shè)計規(guī)范，一般為1040s。國際電工技術(shù)委員會IEC(InternationalElectrotechnicalCommission)標(biāo)準(zhǔn)2則規(guī)定開啟時間為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)葉開啟時間的取值問題一直未進(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代表性實例，探討不同的導(dǎo)葉開啟時間對水電站過渡過程的影響，尋找恰當(dāng)?shù)拈_啟時間（直線開啟規(guī)律），以滿足發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)對調(diào)節(jié)系統(tǒng)的要求。1導(dǎo)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(diào)速器將自動跟蹤，機(jī)組不受導(dǎo)葉開啟時間長短的影響。因此本文僅討論導(dǎo)葉開啟時間對大波動和水力干擾過渡過程的影響。1.1導(dǎo)葉開啟時間對大波動過渡過程的影響在無窮大電網(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)荷時間的長短將只對機(jī)組兩個調(diào)保參數(shù)（蝸殼末端動水壓力、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算公式：，式中、分別為壓力管道水流慣性加速時間常數(shù)和導(dǎo)葉動作時間，、為水輪機(jī)在初始和終了時的相對流量值。由上式不難看出，在機(jī)組增負(fù)荷過程中，導(dǎo)葉開啟越快，引起的負(fù)水錘越大，蝸殼末端的最小動水壓力將越小，尾水管進(jìn)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(jī)組上游側(cè)沿線最小動水壓力分布線的梯度和機(jī)組下游側(cè)沿線最大動水壓力線的梯度將隨著導(dǎo)葉開啟時間減短而越來越大。由文獻(xiàn)4調(diào)壓室基本方程式對時間微分（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，尾水調(diào)壓室取“”號），可得。從該式可知，導(dǎo)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(diào)壓室涌浪水位高低。1.2導(dǎo)葉開啟時間對水力干擾過渡過程的影響在兩機(jī)一洞布置方式下，若一臺機(jī)組并入有限電網(wǎng)正常運行，另一臺機(jī)組增負(fù)荷，該動作機(jī)組增負(fù)荷時間的長短必然對正常運行機(jī)組的調(diào)節(jié)品質(zhì)產(chǎn)生影響。將水輪發(fā)電機(jī)組的運動方程：（1）經(jīng)適當(dāng)變換，有：（2）而（3）所以有：（4）上式中，機(jī)組轉(zhuǎn)動慣性矩，水輪機(jī)主動力矩和出力，發(fā)電機(jī)阻抗力矩和出力，機(jī)組轉(zhuǎn)動角速度，水輪機(jī)工作水頭，水輪機(jī)引用流量，水輪機(jī)效率，時間。在動作機(jī)組導(dǎo)葉開啟過程中，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，為保證運行機(jī)組出力不變，其引用流量必須增大，也就是說，運行機(jī)組導(dǎo)葉開度將會隨著動作機(jī)組導(dǎo)葉開啟而加大。導(dǎo)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(dǎo)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(jī)組導(dǎo)葉開啟太快，而此時運行機(jī)組的開度又接近某一限制開度時，調(diào)速器的開度限制機(jī)構(gòu)將發(fā)揮作用，限制導(dǎo)葉開度不超過該限制開度，從而限制了流量的進(jìn)一步增加。同時，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，運行機(jī)組的轉(zhuǎn)速未達(dá)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(diào)節(jié)的調(diào)差率，即085，則難以滿足電網(wǎng)對調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求。2實例本文選取了設(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算實例，兩者均為兩機(jī)一洞布置方式。為探求增負(fù)荷時間對過渡過程的影響，擬定增負(fù)荷時間范圍為10100s，并以10s為間隔。2.1常規(guī)水電站實例該水電站額定水頭95.0m，單機(jī)引用流量900.7m3/s，額定轉(zhuǎn)速75r/min。圖1圖4為大波動過渡過程中各控制參數(shù)隨導(dǎo)葉開啟時間的變化曲線，圖中數(shù)據(jù)點來源于10100s的數(shù)值計算結(jié)果。圖1蝸殼末端動水壓力控制值圖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圖例說明：從圖中可以看出，蝸殼最大動水壓力發(fā)生在導(dǎo)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(fù)荷時間的延長而增大(圖1)，極值發(fā)生時間均在附近(圖5)；且存在某一臨界增負(fù)荷時間，當(dāng)時壓力極值變化較為顯著，時壓力變化則較為平緩。結(jié)果表明：該臨界導(dǎo)葉開啟時間為30s。盡管在增負(fù)荷工況下，尾水管進(jìn)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(fā)電系統(tǒng)的沿線壓力也以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)。這是因為隨著的延長，調(diào)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(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)的水力干擾過渡過程中，運行機(jī)組有關(guān)參數(shù)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(fù)荷時間。結(jié)果表明：在運行機(jī)組起始開度98時，無論動作機(jī)組導(dǎo)葉開啟時間多長，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，其相對差值為10.67，大于規(guī)范規(guī)定的最大有差調(diào)差率8%；98時，相對差值為2.67，在8以內(nèi)。此時若將電網(wǎng)自調(diào)節(jié)系數(shù)由0依次增加至0.5、0.8，則前述相對差值減?。▓D9）。而當(dāng)起始開度減小到97時，運行機(jī)組轉(zhuǎn)速均能收斂到額定轉(zhuǎn)速。上述結(jié)果表明水力干擾過渡過程中運行機(jī)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(jī)組出力變化幅度減小，振蕩周期略有增加（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蝸殼末端動水壓力變化曲線簇圖6調(diào)壓室涌浪水位變化曲線簇圖7引水發(fā)電系統(tǒng)沿線壓力曲線簇圖8運行機(jī)組轉(zhuǎn)速變化曲線簇圖9運行機(jī)組轉(zhuǎn)速變化曲線簇圖10運行機(jī)組出力變化曲線簇(并小網(wǎng))圖11運行機(jī)組出力變化曲線簇(并大網(wǎng))2.2抽水蓄能水電站算例該水電站額定水頭195.0m，單機(jī)引用流量185.46m3/s，額定轉(zhuǎn)速250r/min。大波動計算結(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：蝸殼最大動水壓力發(fā)生在導(dǎo)葉開啟初始時刻，最小動水壓力則隨增負(fù)荷時間的延長而增大，極值的發(fā)生時間均在附