摘要:根據(jù)可逆機組獨特的過流特性,對原有可逆機組三段折線關(guān)閉規(guī)律進行了改進,將第2個折點位置改為由機組最大轉(zhuǎn)速上升信號反饋值來決定。在某種意義上來說,這樣不僅可以實現(xiàn)多工況的導葉關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化,而且也可以實現(xiàn)同一工況下不同機組的導葉關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化,能有效地避免抽水蓄能電站機組由于導葉關(guān)閉與轉(zhuǎn)速上升的聯(lián)合作用所引起的過大水錘現(xiàn)象。
關(guān)鍵詞:可逆機組; 關(guān)閉規(guī)律; 水錘; 抽水蓄能電站
中圖分類號: TV743 文獻標識碼: A 文章編號: 1001 - 4179 (2009) 19 - 0086 - 04
1 概述
在常規(guī)水電站中,通常水力機組的過流特性曲線比較平緩,而在抽水蓄能電站中,可逆機組的過流特性卻極其不穩(wěn)定。在“倒S型”區(qū)域內(nèi),機組轉(zhuǎn)速的變化對過流特性產(chǎn)生的影響巨大,即使是微小的轉(zhuǎn)速變化,也將引起較大的流量變化,從而在引水系統(tǒng)中產(chǎn)生較大的水錘[ 1 ]。在文獻[ 2 ]中,根據(jù)可逆機組獨特的過流特性,設(shè)計了具有延時段的三段折線關(guān)閉規(guī)律。本文通過對考慮轉(zhuǎn)速信號反饋的關(guān)閉規(guī)律原理進行分析研究,并經(jīng)過大量數(shù)值計算進行反復驗證,對此關(guān)閉規(guī)律進行了改進。
2 三段折線關(guān)閉規(guī)律
由于水錘壓力主要是由機組流量變化引起的,而抽水蓄能機組不同于常規(guī)水電站機組,其流量變化不僅會受到開度變化的影響,而且也會受到轉(zhuǎn)速變化的影響,在“倒S型”區(qū)域內(nèi),即使是微小的轉(zhuǎn)速變化,也將引起較大的流量變化。機組突甩負荷,導葉關(guān)閉初始機組的運行工況點處于機組特性曲線較為平緩處,機組轉(zhuǎn)速對流量的影響較小,水錘壓力主要是由機組導葉關(guān)閉后引起的;隨著時間的變化,轉(zhuǎn)速加大,機組的運行工況點接近“倒S型”區(qū)域附近,轉(zhuǎn)速對流量產(chǎn)生的影響加大,此時的水錘壓力取決于導葉關(guān)閉和轉(zhuǎn)速變化兩項的綜合作用。為了避免這種相互作用所產(chǎn)生的水錘壓力過大[ 2 ] ,文獻[ 2 ]中設(shè)計了三段折線關(guān)閉規(guī)律(以下稱原關(guān)閉規(guī)律) ,表述為:在機組甩負荷之初,導葉按照斜率為tanα1 的直線關(guān)閉規(guī)律關(guān)閉導葉,若機組轉(zhuǎn)速超過預先設(shè)定的閾值N c ,則采用斜率為1 /100 (由于液壓系統(tǒng)存在巨大的慣性,要求延時段中接力器完全不動實際上是很難做到的,即設(shè)計中延時段斜率很難為0)的直線關(guān)閉規(guī)律關(guān)閉導葉,關(guān)閉時間為3～5 s (也就是延時3～5 s) , 3～5 s后再按照斜率為tanα2 的直線關(guān)閉規(guī)律關(guān)閉;如果在關(guān)閉過程中,機組轉(zhuǎn)速沒有超過閾值N c ,則采用斜率為tanα1 的一段直線關(guān)閉規(guī)律關(guān)閉導葉直至結(jié)束。該關(guān)閉規(guī)律主要是通過預先設(shè)定一個閾值N c來判斷機組的運行工況點是否達到“倒S型”區(qū)域。當轉(zhuǎn)速超過閾值N c時,可以認為機組的工況點已到達“倒S型”區(qū)域,此時引入一段延時段,在延時段中接力器基本不動作,導葉幾乎不關(guān),使得此時的水錘壓力僅受機組轉(zhuǎn)速的影響,從而避免了導葉關(guān)閉和轉(zhuǎn)速變化的相互作用而產(chǎn)生過大水錘。
該關(guān)閉規(guī)律雖然可以降低抽水蓄能可逆機組由于導葉關(guān)閉與機組轉(zhuǎn)速上升聯(lián)合作用所引起的水錘壓力,但是由于延時段的時間是預先設(shè)定的,使得折點A的位置在根據(jù)轉(zhuǎn)速反饋確定之后,折點B的位置也就相應地固定了,這樣,轉(zhuǎn)速反饋在折點B的位置確定方面并沒有真正實現(xiàn)。同時,在甩負荷時,各機組的轉(zhuǎn)速變化過程基本上一致。將所有機組的延時段長度設(shè)置相同是合理的,但是在相繼甩負荷時,先甩機組與后甩機組的轉(zhuǎn)速變化過程相差較大,其對壓力的影響也不盡相同,若兩者延時段的時間仍然相同,則需設(shè)置較長的具有包絡性的延時段。
文獻[ 3 ] 實測顯示:單機甩滿負荷采用此種關(guān)閉規(guī)律時,蝸殼進口的最大壓力、尾水管進口的最小壓力以及機組的最大轉(zhuǎn)速均出現(xiàn)在延時段中,而且3者出現(xiàn)的時間都很接近。同時,在延時段出現(xiàn)了壓力脈動,但是隨著延時的結(jié)束,壓力脈動也逐漸消失。這說明引入延時段產(chǎn)生了一定的壓力脈動,折點B較優(yōu)的位置應設(shè)在機組轉(zhuǎn)速上升的最大時刻附近?？紤]到壓力脈動的影響,如果將此時刻略微靠后1～2 s,使得蝸殼進口的最大壓力、尾水管進口的最小壓力以及機組的最大轉(zhuǎn)速均出現(xiàn)在延時段的末尾,盡量縮短延時段,可以減小壓力脈動。
綜上所述,可以將改進后的三段折線關(guān)閉規(guī)律總結(jié)為:在機組甩負荷之初,導葉按照斜率為tanα1 的直線關(guān)閉規(guī)律關(guān)閉導葉,到達折點A,則采用斜率為1 /100的直線關(guān)閉規(guī)律關(guān)閉導葉(延時段) ;到達折點B時,則按照斜率為tanα2 的直線關(guān)閉規(guī)律關(guān)閉導葉,其中折點A的位置對應轉(zhuǎn)速超過預先設(shè)置的閾值N c時刻,折點B的位置對應轉(zhuǎn)速上升最大時刻后延1～2 s。
3 改進后的三段折線關(guān)閉規(guī)律優(yōu)缺點分析
當同時甩負荷時,各機組轉(zhuǎn)速變化基本上一致,如若延時段選擇合適,那么,改進后的三段折線關(guān)閉規(guī)律與原關(guān)閉規(guī)律基本一致,但是在相繼甩負荷時,則會有顯著差別。兩種關(guān)閉規(guī)律的區(qū)別在于折點B的位置的確定,原關(guān)閉規(guī)律折點B的位置是根據(jù)折點A的位置延時3～5 s來確定的;而在改進后的關(guān)閉規(guī)律中,折點B的位置是根據(jù)機組轉(zhuǎn)速上升的最大時刻信號反饋值來決定的。每臺機組的轉(zhuǎn)速信號反饋在改進后的關(guān)閉規(guī)律上體現(xiàn)得更具體,這就使得此關(guān)閉規(guī)律除和原關(guān)閉規(guī)律一樣實現(xiàn)了多工況的導葉關(guān)閉規(guī)律的優(yōu)化以外,在某種意義上來說,還實現(xiàn)了同一工況下不同機組的導葉關(guān)閉規(guī)律的優(yōu)化。如在相繼甩負荷工況下,先甩機組與后甩機組時的轉(zhuǎn)速變化過程不一致,兩者根據(jù)轉(zhuǎn)速信息反饋后的延時段的時間也不相同,所得到的關(guān)閉規(guī)律能更真實地反映機組轉(zhuǎn)速的變化,可以有效地避免抽水蓄能電站機組由于導葉關(guān)閉與轉(zhuǎn)速上升的聯(lián)合作用所產(chǎn)生的過大水錘現(xiàn)象,相繼甩負荷工況效果尤佳。
改進后的關(guān)閉規(guī)律的最大缺點和原關(guān)閉規(guī)律一樣,在于其自身的可靠性方面。如果轉(zhuǎn)速量測信號發(fā)生故障或者折點A的轉(zhuǎn)速閾值設(shè)定過大,那么,導葉將按斜率為tanα1 的一段直線關(guān)閉規(guī)律來關(guān)閉導葉。此時,如果一段直線關(guān)閉規(guī)律不能滿足調(diào)保的要求,則將危及機組及輸水系統(tǒng)的運行安全。如果折點A的轉(zhuǎn)速閾值設(shè)定過小,那么機組導葉將可能在較大的開度下進入延時段,而此時有可能會出現(xiàn)較大的脈動壓力[ 2 ]。
4 算例分析
4. 1 工程概況
某抽水蓄能電站布置如圖1所示。其上游引水系統(tǒng)采用一洞三機布置方案, 3臺機組為一水力單元,尾水系統(tǒng)采用單洞單機布置形式,水泵水輪機額定轉(zhuǎn)速為500 r/min; 額定水頭為700. 0 m;額定流量為58. 0 m3 / s;額定出力為355. 0MW;輸水系統(tǒng)全長約2 900. 0 m,尾水管總長為550. 0 m。輸水系統(tǒng)主要由上水庫進/出水口、引水隧洞、引水岔管、高壓鋼支管、尾水隧洞、下庫進/出水口等組成。
圖1 某抽水蓄能電站輸水系統(tǒng)布置示意
4. 2 兩種關(guān)閉規(guī)律比較
為了對改進后的關(guān)閉規(guī)律與原關(guān)閉規(guī)律進行比較,根據(jù)該電站將來的實際運行情況,現(xiàn)擬定額定水頭、額定出力、3臺機組同時甩負荷及2臺機組先同時甩去負荷、間隔一定時間后最后一臺機組甩負荷為計算工況。由于該流量大,因此可能會出現(xiàn)尾水管進口最小壓力控制工況。
經(jīng)過大量試算可以得出:
(1) 對于原關(guān)閉規(guī)律而言,較優(yōu)的關(guān)閉規(guī)律為:轉(zhuǎn)速閾值設(shè)定為615 r/min,第1段斜率tanα1 與第3段斜率tanα2 均為1 /10,延時段時間為4. 5 s,斜率設(shè)定為1 /100。
(2) 對于改進后的關(guān)閉規(guī)律而言,較優(yōu)的關(guān)閉規(guī)律為:轉(zhuǎn)速閾值設(shè)定為615 r/min,第1段斜率tanα1 與第3段斜率tanα2 均為1 /10,第2個折點的時間為轉(zhuǎn)速上升最大時刻后延1. 3 s,延時段斜率設(shè)定為1 /100。
上述兩種關(guān)閉規(guī)律在同時甩負荷工況下的計算結(jié)果見表1以及圖2至圖5;相繼甩負荷工況下的計算結(jié)果見表2以及圖6至圖15。
表1 兩種關(guān)閉規(guī)律下,同時甩負荷工況時的計算結(jié)果
圖2 兩種關(guān)閉規(guī)律下蝸殼進口壓力變化過程線
從表1及圖2至圖5可以看出,對于同時甩負荷工況時,由于各機組轉(zhuǎn)速上升基本一致,改進后的關(guān)閉規(guī)律中各機組的延時段時間相同,因此,兩種關(guān)閉規(guī)律一致,兩種情況下的蝸殼進口最大壓力、尾水管進口的最小壓力以及機組的最大轉(zhuǎn)速上升一致,且均發(fā)生在延時段的末尾,三者發(fā)生的時間接近。
從圖5可以看出,采用三段折線關(guān)閉規(guī)律,在機組同時甩負荷時,機組流量在6. 5 s左右到零,并出現(xiàn)倒流。根據(jù)文獻[ 4 ]的分析可知,如果在該時刻附近發(fā)生相繼甩負荷,將出現(xiàn)尾水管進口壓力控制值。
表2 兩種關(guān)閉規(guī)律下,相繼甩負荷工況時的計算結(jié)果m
圖3 兩種關(guān)閉規(guī)律下尾水管進口壓力變化過程線
由表2及圖6~13可以看出，相繼甩負荷時，改進后的關(guān)閉規(guī)律延時段比原關(guān)閉規(guī)律短，后甩機組尤為明顯，縮短了近2s，減少了可逆機組總的關(guān)閉時間，有效地降低了可逆機組關(guān)閉過程中的壓力脈動帶來的危險，從理論上來說，改進后的關(guān)閉規(guī)律要優(yōu)于原關(guān)閉規(guī)律。在兩種關(guān)閉規(guī)律下，蝸殼進口的最大壓力均發(fā)生在先甩負荷的機組，由于發(fā)生時間較早，后甩負荷的機組對其影響效果幾乎一致。從圖中可以看出，先甩負荷的機組蝸殼進口的最大壓力、尾水管進口的最小壓力以及機組的最大轉(zhuǎn)速上升三者發(fā)生的時間較接近，且均發(fā)生在延時段；受先甩負荷組的影響，后甩負荷的機組蝸殼進口的最大壓力不一定發(fā)生在延時段。
比較圖10與圖11可知，采用改進后的關(guān)閉規(guī)律，相對于原關(guān)閉規(guī)律來說,蝸殼進口壓力的衰減效果得到明顯改善。由于尾水系統(tǒng)采用單洞單機布置形式,后甩負荷的機組的尾水管進口壓力受先甩負荷機組的影響要小,采用原關(guān)閉規(guī)律時,尾水管進口的最小壓力以及機組的最大轉(zhuǎn)速上升均發(fā)生在延時段的中部,而后機組在2～3 s內(nèi)仍處于延時階段,加上開度較大,此時機組有可能出現(xiàn)較大的脈動壓力, 從而將危及系統(tǒng)的安全。采用改進后的關(guān)閉規(guī)律時,兩者都發(fā)生在延時段末,而后機組立刻進入快關(guān)階段,這樣可以減小壓力脈動的威脅;后甩負荷的機組進入延時段時,先甩負荷的機組已經(jīng)進入第3段,在同一時刻下,改進后的關(guān)閉規(guī)律對應的開度要小,減小了先甩負荷機組倒流對后甩負荷機組的不利影響,從而改善了后甩負荷機組的尾水管進口的最小壓力以及尾水管進口壓力的衰減情況。
從圖7及圖9還可以看出,相繼甩負荷時,先甩負荷的機組與后甩負荷的機組的轉(zhuǎn)速變化過程不一致,兩者根據(jù)轉(zhuǎn)速信息反饋后確定的折點位置也不一致;而且采用改進后的關(guān)閉規(guī)律時,兩者延時段的歷時不等,這樣使得兩者的關(guān)閉規(guī)律差別較為顯著,基本上實現(xiàn)了同一工況下不同的機組采用不同的關(guān)閉規(guī)律。
5 結(jié)語
由于可逆機組特性曲線中存在較陡的“倒S型”,因此,在過渡過程中發(fā)生的水錘不同于常規(guī)的水電機組,使得對可逆機組的關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化方法不能盲目套用常規(guī)水電機組的優(yōu)化模式。本文根據(jù)可逆機組獨特的過流特性,對文獻[ 2 ]中的三段折線關(guān)閉規(guī)律進行了改進,將第2個折點的位置改為由機組轉(zhuǎn)速上升最大時刻信號反饋值來決定。在某種意義上來說,這樣不僅可以實現(xiàn)多工況的導葉關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化,而且還可以實現(xiàn)同一工況下不同機組的導葉關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化,從而能夠有效地避免抽水蓄能電站機組由于導葉的關(guān)閉與轉(zhuǎn)速上升的聯(lián)合作用所引起的過大水錘。
參考文獻:
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作者簡介:盧偉華,女,上海市水務工程設(shè)計研究院有限公司,助理工程師。
