高錦南 王國俊

(武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖北武漢 430050；武漢安施通電氣有限公司，湖北武漢 430012)

1 研究背景

對于長引水管道的中小型電站，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。一般3s≤Tw≤12s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%)，其機理是在機組甩負荷導(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。

調(diào)壓閥自1971年發(fā)明以來，規(guī)定采用“串聯(lián)模式”主配壓閥控制導(dǎo)葉關(guān)閉與調(diào)壓閥開啟協(xié)聯(lián)模式。調(diào)速器調(diào)壓閥是聯(lián)動的，調(diào)速器的主配壓閥是滑閥式高油壓16MPa結(jié)構(gòu)，水輪機導(dǎo)葉接力器和調(diào)壓閥同時受調(diào)速器主配壓閥控制，俗稱特殊主配壓閥液壓聯(lián)動系統(tǒng)。本文將16 MPa特殊主配壓閥與常規(guī)油壓主配壓閥進行比較，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)模型創(chuàng)建

2.1 高油壓16MPa油壓特殊主配壓閥控制調(diào)壓閥系統(tǒng)

主配壓閥是用于控制導(dǎo)葉或旋轉(zhuǎn)繼電器的分配閥。對于沖擊式渦輪，采用壓力分配閥來控制噴油銷[6]。

全部選用壓力油直接進行掌控和操縱是TFW型調(diào)壓閥控制系統(tǒng)的主要優(yōu)點, 通過改進的獨特的主壓力閥、比例閥和其他部件，同時控制和操作導(dǎo)葉繼電器和壓力調(diào)節(jié)閥繼電器，并且還存在導(dǎo)葉關(guān)閉裝置的兩個部分[44]。

(1)當調(diào)速器接力器快速關(guān)閉同時，調(diào)壓閥接力器快速打開。

(2)當調(diào)速器接力器慢速開或關(guān)時，調(diào)壓閥接力器保持關(guān)閉。

(3)當壓力調(diào)節(jié)閥的接力器拒動時，調(diào)速器接力器只可以慢速關(guān)上。液壓控制線路如圖1所示：

圖1 16MPa油壓特殊主配壓閥控制調(diào)壓閥系統(tǒng)

圖中各部位的重要部件有:①液壓比例閥;②急停停止閥;③自動和手動相切換閥;④獨特主壓力配壓閥。

各節(jié)流孔作用：c孔：當整個調(diào)節(jié)閥不運動時，導(dǎo)葉緩慢關(guān)閉時間；b孔：設(shè)置調(diào)速葉片，實現(xiàn)快速停機時間；a孔：設(shè)置調(diào)整繼電器的慢慢關(guān)閉時間。

2.2 引水系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

水電站引水系統(tǒng)包括壓力導(dǎo)向系統(tǒng)、水輪機透水管、蝸殼和尾水管等。當渦輪轉(zhuǎn)速調(diào)整，對導(dǎo)流流量發(fā)生變化時，開度變化。在這個過程中，流量的變化將導(dǎo)致引水系統(tǒng)的水擊現(xiàn)象，和水擊將進一步改變流量，故引水系統(tǒng)對水輪機調(diào)節(jié)特性的影響是非常明顯的。

水輪機發(fā)電機組是利用水的動能和勢能將其轉(zhuǎn)換為電能，并將其供給用戶。除了電源的穩(wěn)定性、安全性和可靠性之外，電能的頻率和電壓應(yīng)保持在額定值附近的某一范圍內(nèi)。

圖2 水輪發(fā)電機系統(tǒng)調(diào)節(jié)方塊圖

系統(tǒng)負荷的變化可以改變引水機構(gòu)打開的角度，以使渦輪發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速保持在事先設(shè)定的速度，或都根據(jù)一定的規(guī)律變化，通常將這一過程稱之為發(fā)電機組的速度調(diào)節(jié)[3]。

在引水系統(tǒng)中，水流是從上游流向下游的，而渦輪端是起點?？紤]水體和管壁彈性以及引水系統(tǒng)的水力損失時水擊現(xiàn)象方程式為：

(1)

式中，C：水擊波速；g：重力加速度；F：管道面積；L：管道長度；Q管中某一過流斷面在時刻t的流量；H管中某一過流斷面在時刻t的水頭[5]；f：管路水力摩阻系數(shù)。

(2)

對方程組(2)進行拉式變換并整理求解得：

(3)

2.3 水輪機數(shù)學(xué)模型

該處的變量為水輪機的傳遞系數(shù)，水輪機特性表現(xiàn)出非線性。這時，我們設(shè)計水輪機組的數(shù)學(xué)模型為：

(4)

式(4)中ey、ex、eh分別表征水輪機開度、轉(zhuǎn)速，水頭變化時力矩的相對微增(轉(zhuǎn)遞)系數(shù)；eqy、eqx、eqh分別為流量的相對微增(轉(zhuǎn)遞)系數(shù)；y為接力器行程相對偏差；x為轉(zhuǎn)速相對偏差；h為水頭相對偏差。

2.4 發(fā)電機數(shù)學(xué)模型

系統(tǒng)中并列運行的機組在額定工作狀況下，即各機組的頻率是同步，在工作狀況變化的動態(tài)運行過程中，各機組以不相同的速度變化，頻率很大程度上是不一致的。如果是在小波動過程中，可以認為各單元的速度與電網(wǎng)頻率是同步的，各單元的并聯(lián)運行可以看作是旋轉(zhuǎn)剛體。

(5)

式(5)中：Ta為并列運行機組等效時間常數(shù)；en=eb-es=0.2，eb為負荷自調(diào)節(jié)系數(shù)；es為水輪機自調(diào)節(jié)系數(shù)。

2.5 蝸殼式調(diào)壓閥數(shù)學(xué)模型

(6)

由式(5)可得

即

(7)

式中：

2.6 16MPa高油壓特殊主配壓閥控制調(diào)壓閥系統(tǒng)PID控制傳遞函數(shù)

水輪機組的控制系統(tǒng)是一個非常復(fù)雜繁瑣的過程[4]，系統(tǒng)中機組的種類和型式多樣，非線性的特性表現(xiàn)突出，在試驗的現(xiàn)場，可以通過多次調(diào)整參數(shù)得到較好的PID參數(shù)組合。本系統(tǒng)的PID控制方法是實現(xiàn)水輪機組控制規(guī)律的主要部分，其傳遞函數(shù)的框圖如圖3所示。

圖3 16MPa高油壓特殊主配壓閥控制調(diào)壓閥系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖

3 工程實際使用試驗成效

3.1 主配壓閥控制調(diào)速器與16MPa油壓調(diào)壓閥甩負荷試驗錄波曲線

主配壓閥與調(diào)壓閥及其控制裝置在投入運行之前，要完成各種狀況下的試驗，主要的試驗有無水靜態(tài)特性試驗，甩負荷試驗、負載擾動試驗等。在做試驗之前，所有的裝置，包括水輪機組、主配壓閥、調(diào)壓閥、液壓油壓裝置全部按照規(guī)定要求安裝到位。

甩負荷試驗是水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)最重要的一項試驗，也是機組安裝、檢修后必須要做的重要試驗之一，甩負荷試驗通常包括甩25%Pr和100% Pr[6]。甩25%Pr主要是考察調(diào)速器的速動性，甩100%Pr主要是考察調(diào)節(jié)系統(tǒng)過渡過程的品質(zhì)，以及能否滿足調(diào)保計算的要求[6]。

3.2 主配壓閥控制調(diào)速器與調(diào)壓閥性能試驗數(shù)據(jù)記錄

表1 靜特性試驗(無水)

表2 (帶水)空載頻率擺幅實驗

3.3 主配壓閥控制調(diào)速器與調(diào)壓閥甩負荷試驗記錄

水輪機的轉(zhuǎn)速越大，空載時的流量就越大，而且越偏離最優(yōu)效率區(qū)，其效率下降也就越迅速。具體如圖4所示。

圖4 水輪機轉(zhuǎn)速上升值

表4 (有水)甩負荷實驗

3.4 實測試驗數(shù)據(jù)結(jié)果分析

試驗過程中，給系統(tǒng)輸入穩(wěn)定的頻率信號源的額定頻率信號，將導(dǎo)葉接力器調(diào)到50%開度行程左右，接著使頻率上升或下降，控制接力器全部關(guān)閉或全部打開，設(shè)置給定的頻率信號值，讓頻率朝一個方向逐漸上升或下降，在導(dǎo)葉接力器每次變化穩(wěn)定后，記錄此次信號頻率值及對應(yīng)的接力器距離，分別繪制靜態(tài)特性頻率上升和下降的調(diào)速器曲線圖。每條曲線采樣的點數(shù)為大于或等于8點，同時主配壓閥的接力器運動的范圍控制在百分之五至百分之九十五以內(nèi)[4]。此時，繪制的兩條曲線相交間的最大區(qū)域范圍就是轉(zhuǎn)速死區(qū)。

4 結(jié) 語

綜上所述，可以得出以下結(jié)論：

(1)空載頻率擾動實驗主要是用于把控空載臨界參數(shù)影響調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性的范圍，便于尋找較好的空載運行參數(shù)。通過表3的數(shù)據(jù)顯示，上擾檢測時，頻率為51.87Hz時，超調(diào)量為0，達到最佳；下擾檢測時，頻率為48.31時，超調(diào)量為0，如果按照盡量減小超調(diào)量的準測，16MPa專用主壓力控制閥控制調(diào)速器和16MPa油壓調(diào)節(jié)閥系統(tǒng)的擾動參數(shù)，以達到最佳參數(shù)。

表3 空載頻率擾動實驗(有水選擇性試驗)

(2)16MPa特殊主配壓閥控制調(diào)速器與油壓調(diào)壓閥的壓力不僅影響調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)性能，也可以影響到系統(tǒng)的動態(tài)性能。16MPa特殊主配壓閥制造間隙小，漏油量微小，用油壓少，控制精度高，從甩負荷運行情況來看，調(diào)節(jié)品質(zhì)穩(wěn)定。

高油壓特殊主配壓閥調(diào)速器與調(diào)壓閥因其造價低、體積小、不用空壓機系統(tǒng)補氣等優(yōu)點，在中小水電中已經(jīng)得到普及，高油壓特殊主配控制經(jīng)過實際運行，已證明該系統(tǒng)動作非常可靠，是值得推普及應(yīng)用。