付亮，鄒桂麗，寇攀高，魏加富

(國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007)

水電廠兩臺機(jī)組水力干擾過渡過程分析

Analysis on hydraulic interference process of 2 units in hydropower station

付亮，鄒桂麗，寇攀高，魏加富

(國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007)

采用數(shù)值計算的方法深入分析了某水電廠7，9號機(jī)組存在的水力干擾現(xiàn)象，分析了影響水力干擾的各個因素，優(yōu)化了運(yùn)行方式，指導(dǎo)了水電廠的安全運(yùn)行。

水力機(jī)械；水力干擾；仿真計算；調(diào)速器

某水電廠7，9號機(jī)組共引水隧洞，兩臺機(jī)組間存在水力聯(lián)系，同水力單元的1臺機(jī)組甩負(fù)荷或大幅度的增減負(fù)荷所產(chǎn)生的沿管線壓力變化和流量變化，將引起其他運(yùn)行機(jī)組工作水頭的變化和引用流量的變化，即形成所謂的水力干擾。由于某水電廠9號機(jī)組作為防汛備用機(jī)組，無論是機(jī)組容量、引用流量、壓力鋼管尺寸等均大大小于7號機(jī)組，因此當(dāng)9號機(jī)組正常運(yùn)行時，若7號機(jī)組甩負(fù)荷或進(jìn)行大幅度的增減負(fù)荷，必然會引起9號機(jī)組產(chǎn)生較大的出力波動，帶來的直接后果是機(jī)組的超額定出力運(yùn)行，對機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定帶來不利影響。為準(zhǔn)確研究兩臺機(jī)組存在的水力干擾，特別是7號機(jī)組對9號機(jī)組的干擾，有必要采用數(shù)值仿真的手段，明確水力干擾的產(chǎn)生機(jī)理，優(yōu)化機(jī)組的運(yùn)行方式，保障機(jī)組的安全運(yùn)行。

水力干擾過渡過程介于大波動和小波動過渡過程之間。相比小波動過渡過程，水力干擾引起的壓力及流量的變化要劇烈的多，不能忽略引水系統(tǒng)及水輪機(jī)的非線性特征；相比大波動過渡過程，水力干擾研究中關(guān)心的是機(jī)組的調(diào)節(jié)品質(zhì)，因此也不能按照大波動過渡過程的研究方法忽略水輪機(jī)調(diào)速器的調(diào)節(jié)作用。

對于水電機(jī)組存在的水力干擾現(xiàn)象，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，大多是采用數(shù)值計算的方法分析了水力干擾產(chǎn)生的機(jī)理和影響因素〔1－4〕，但是其研究成果多集中在水電站的設(shè)計階段，所采用的調(diào)速器模型均較為簡單，也未對調(diào)速器不同的控制模式進(jìn)行分析，難以指導(dǎo)實(shí)際水電機(jī)組的運(yùn)行。

文中采用數(shù)值仿真的計算方法分析了某電廠7號機(jī)組甩負(fù)荷對9號機(jī)組帶來的影響，分析了9號機(jī)組調(diào)速器分別工作在開度模式和功率閉環(huán)模式下的水力干擾的調(diào)節(jié)過程，分析了影響水力干擾過渡過程調(diào)節(jié)品質(zhì)的主要影響因素，從減輕7號機(jī)組對9號機(jī)組的水力干擾角度出發(fā)，優(yōu)化機(jī)組的運(yùn)行方式和控制策略。

1 基本參數(shù)

該水電廠7，9號機(jī)組引水系統(tǒng)采用 “一洞兩機(jī)”的設(shè)計，如圖1所示，其中自分岔點(diǎn)至上游水庫引水洞長約110 m洞徑為12.7 m，7號機(jī)組至分岔點(diǎn)壓力管道長約220 m直徑為12.4 m，9號機(jī)組至分岔點(diǎn)壓力管道長約305 m，直徑為4 m。兩臺機(jī)組主要參數(shù)如表1所示。

圖1 引水系統(tǒng)布置簡圖

2 仿真模型

2.1 輸水系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

有壓輸水系統(tǒng)水擊基本方程如式 (1)，(2)所示。

式 (1)和式 (2)是一組擬非線性雙曲型偏微分方程，解此方程組最常用的數(shù)值分析方法是將該2個偏微分方程轉(zhuǎn)換成4個常微分方程進(jìn)行求解的特征線法〔5〕。

表1 機(jī)組主要參數(shù)

2.2 水輪機(jī)數(shù)學(xué)模型

由于水輪機(jī)特性具有嚴(yán)重的非線性，采用模型綜合特性曲線描述，2臺機(jī)組水輪機(jī)特性曲線如圖2所示。在計算中，將模型綜合特性曲線轉(zhuǎn)換為單位流量與單位力矩隨單位轉(zhuǎn)速的變化曲線。

圖2 水輪機(jī)綜合特性曲線

2.3 調(diào)速器數(shù)學(xué)模型

一般機(jī)組在并網(wǎng)運(yùn)行時，調(diào)速器以功率調(diào)節(jié)或開度調(diào)節(jié)模式運(yùn)行，2種調(diào)節(jié)模式如圖3所示。

圖3 水輪機(jī)調(diào)速器數(shù)學(xué)模型

2.4 發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型

目前在水電站過渡過程中比較常用的是水輪發(fā)電機(jī)的一階模型和三階模型。一階模型中發(fā)電機(jī)僅作為具有一定慣量的旋轉(zhuǎn)剛體來考慮，而發(fā)電機(jī)三階模型同時考慮了發(fā)電機(jī)的機(jī)械慣性、電磁功率和勵磁繞組磁鏈的變化。在計算分析中只考慮發(fā)電機(jī)的一階模型。其基本方程式如下式:

3 仿真分析

3.1 仿真工況

為分析某7號機(jī)組對9號機(jī)組帶來的水力干擾，進(jìn)行相應(yīng)的仿真計算分析，分別計算7號機(jī)組在甩負(fù)荷過渡過程中9號機(jī)組正常運(yùn)行時有功功率變化過程，計算分別在9號機(jī)組水輪機(jī)調(diào)速器開度控制模式及功率控制模式下進(jìn)行。主要工況如下:

工況一 上游水位169.0 m，下游水位97 m，機(jī)組接近最高水頭運(yùn)行，7號機(jī)組甩額定負(fù)荷，9號機(jī)組調(diào)速器在開度控制模式下以額定功率運(yùn)行；

工況二 上游水位160.0 m，下游水位97 m，機(jī)組在額定水頭63 m下運(yùn)行，7號機(jī)組甩額定負(fù)荷，9號機(jī)組調(diào)速器在開度控制模式下以額定功率運(yùn)行；

工況三 上游水位169.0 m，下游水位97 m，機(jī)組接近最高水頭運(yùn)行，7號機(jī)組甩額定負(fù)荷，9號機(jī)組調(diào)速器在功率控制模式下以額定功率運(yùn)行；

工況四 上游水位160.0 m，下游水位97 m，機(jī)組在額定水頭63 m下運(yùn)行，7號機(jī)組甩額定負(fù)荷，9號機(jī)組調(diào)速器在功率控制模式下以額定功率運(yùn)行。

3.2 仿真結(jié)果

仿真計算結(jié)果如表2所示，9號機(jī)組有功功率變化過程如圖4所示。

表2 9號機(jī)組水力干擾仿真結(jié)果

通過仿真計算結(jié)果可以看出:7號機(jī)組甩負(fù)荷會造成相鄰的9號機(jī)組出力波動，甚至?xí)霈F(xiàn)短暫的超額定出力運(yùn)行。各工況下9號機(jī)組出力變化幅度及超額定出力運(yùn)行時間有所差別，相比最高水頭工況，額定水頭工況下9號機(jī)組出力波動幅度大超額定出力運(yùn)行的時間長，如表2所示。在所計算的4個工況中，9號機(jī)組出力變化的最大幅值出現(xiàn)在額定水頭調(diào)速器功率控制模式工況下，其值為28.73 MW，超額定出力運(yùn)行時間最長工況為額定水頭調(diào)速器開度控制模式工況下，運(yùn)行時長為14.0 s。同時在額定水頭下，調(diào)節(jié)過程達(dá)到20 s后9號機(jī)組功率出現(xiàn)了周期波動，而最高水頭工況下卻無此現(xiàn)象，整個調(diào)節(jié)過程衰減較快，這說明額定水頭工況下水輪機(jī)的特性給整個調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來了不利影響，造成系統(tǒng)阻尼降低從而引起了功率的周期振蕩，這也說明了9號機(jī)組出力調(diào)節(jié)過程的性能與水輪機(jī)的運(yùn)行工況密切相關(guān)。

圖4 9號機(jī)組水力干擾仿真結(jié)果

3.3 調(diào)速器控制模式及控制參數(shù)的影響

通過表2可以看出，調(diào)速器控制模式對7號機(jī)組甩負(fù)荷時所造成的9號機(jī)組出力波動的最大幅值影響較小，額定水頭下，調(diào)速器在開度模式下9號機(jī)組最大出力為28.61 MW，功率模式下9號機(jī)組最大出力為28.73 MW，兩者無明顯差別。

相比開度模式，功率模式下調(diào)速器能夠較快的抑制因7號機(jī)組甩負(fù)荷所造成的9號機(jī)組出力波動，從而可以減小9號機(jī)組超額定出力運(yùn)行的時間，如圖6所示。在額定水頭下，調(diào)速器開度模式下9號機(jī)組超額定出力運(yùn)行時間為14 s，功率模式下9號機(jī)組超額定出力運(yùn)行時間為7.2 s。同時由于7，9號機(jī)組共引水道，7號機(jī)組甩負(fù)荷后造成引水隧洞流量減小，整個引水系統(tǒng)水力損失減小，9號水輪機(jī)實(shí)際工作水頭增加，此時如果調(diào)速器在開度模式下運(yùn)行，9號水輪機(jī)導(dǎo)葉開度不變，機(jī)組存在一定超額定出力運(yùn)行的風(fēng)險，若調(diào)速器工作于功率模式，調(diào)速器能夠自動調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開度保證機(jī)組實(shí)發(fā)功率跟蹤功率給定值，有效避免因水力損失減小所引起的機(jī)組超額定出力運(yùn)行的風(fēng)險。

當(dāng)調(diào)速器工作于功率模式下，不同調(diào)速器PID控制參數(shù)對9號機(jī)組出力波動過程影響的計算結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同調(diào)速器參數(shù)下9號機(jī)組有功功率變化

通過計算結(jié)果可以看出調(diào)速器參數(shù)對9號機(jī)組出力波動的最大值影響較小，減小調(diào)速器參數(shù)9號機(jī)組出力波動最大值略有增加。調(diào)速器參數(shù)改變對9號機(jī)組出力波動過程有一定的影響，調(diào)速器參數(shù)越小，調(diào)速器的相應(yīng)速度越快，能夠減小機(jī)組在超額定出力運(yùn)行的時間。

4 結(jié)論

對于一洞多機(jī)的水電機(jī)組，運(yùn)行過程中不可避免的存在著水力干擾，針對某水電廠7，9號機(jī)組，建立了水力干擾過渡過程仿真模型，以數(shù)值仿真分析為手段分析了7號機(jī)組對9號機(jī)組的水力干擾現(xiàn)象，分析了調(diào)速器不同控制模式、不同控制參數(shù)及不同工況下的水力干擾過渡過程，通過研究得到以下主要結(jié)論:

1)7號機(jī)組甩滿負(fù)荷時會嚴(yán)重影響相鄰的9號機(jī)組，產(chǎn)生最大超額定出力3.7 MW運(yùn)行的情況，超出力最大幅度占額定出力的14.8%；

2)對不同工況下的水力干擾進(jìn)行了計算分析，相比其他工況，額定水頭工況下7號機(jī)組甩額定負(fù)荷造成的9號機(jī)組功率變幅大，調(diào)節(jié)時間長，且在調(diào)節(jié)過程中還出現(xiàn)了功率的周期振蕩。

3)相比開度模式，功率模式下調(diào)速器能夠較快的抑制因7號機(jī)組甩負(fù)荷直接造成的9號機(jī)組超出力現(xiàn)象，減小9號機(jī)組超出力運(yùn)行的時間。同時7號機(jī)組甩負(fù)荷后造成引水隧洞流量減小，整個引水系統(tǒng)水力損失減小，9號水輪機(jī)實(shí)際工作水頭增加，此時若調(diào)速器工作于功率模式，能夠自動調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開度保證機(jī)組實(shí)發(fā)功率跟蹤功率給定值，避免因水力損失減小所引起的機(jī)組超出力運(yùn)行的風(fēng)險。

4)調(diào)速器參數(shù)對9號機(jī)組超出力波動的最大值影響較小，減小調(diào)速器參數(shù)9號機(jī)組出力波動最大值略有增加。調(diào)速器參數(shù)改變對9機(jī)組出力波動過程有影響，調(diào)速器參數(shù)越小，調(diào)速器的響應(yīng)速度越快，能夠減小機(jī)組在超額定出力運(yùn)行的時間。

〔1〕姜杏娟，陳嘉謀.具有分叉放水的水電站調(diào)節(jié)保證計算及其分析 〔J〕.大電機(jī)技術(shù)，1989(2):56-62.

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1008－0198(2016)06－0056－04

10.3969/j.issn.1008－0198.2016.06.016

2016－07－13 改回日期:2016－08－04