摘要:根據(jù)可逆機(jī)組獨特的過流特性,對原有可逆機(jī)組三段折線關(guān)閉規(guī)律進(jìn)行了改進(jìn),將第2個折點位置改為由機(jī)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(dǎo)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(jī)組的導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化,能有效地避免抽水蓄能電站機(jī)組由于導(dǎo)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(jī)組; 關(guān)閉規(guī)律; 水錘; 抽水蓄能電站
中圖分類號: TV743 文獻(xiàn)標(biāo)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(jī)組的過流特性曲線比較平緩,而在抽水蓄能電站中,可逆機(jī)組的過流特性卻極其不穩(wěn)定。在“倒S型”區(qū)域內(nèi),機(jī)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(xiàn)[ 2 ]中,根據(jù)可逆機(jī)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(jìn)行分析研究,并經(jīng)過大量數(shù)值計算進(jìn)行反復(fù)驗證,對此關(guān)閉規(guī)律進(jìn)行了改進(jìn)。
2 三段折線關(guān)閉規(guī)律
由于水錘壓力主要是由機(jī)組流量變化引起的,而抽水蓄能機(jī)組不同于常規(guī)水電站機(jī)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(jī)組突甩負(fù)荷,導(dǎo)葉關(guān)閉初始機(jī)組的運行工況點處于機(jī)組特性曲線較為平緩處,機(jī)組轉(zhuǎn)速對流量的影響較小,水錘壓力主要是由機(jī)組導(dǎo)葉關(guān)閉后引起的;隨著時間的變化,轉(zhuǎn)速加大,機(jī)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(dǎo)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(xiàn)[ 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(jī)組甩負(fù)荷之初,導(dǎo)葉按照斜率為tanα1 的直線關(guān)閉規(guī)律關(guān)閉導(dǎo)葉,若機(jī)組轉(zhuǎn)速超過預(yù)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(dǎo)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(jī)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(dǎo)葉直至結(jié)束。該關(guān)閉規(guī)律主要是通過預(yù)先設(shè)定一個閾值N c來判斷機(jī)組的運行工況點是否達(dá)到“倒S型”區(qū)域。當(dāng)轉(zhuǎn)速超過閾值N c時,可以認(rèn)為機(jī)組的工況點已到達(dá)“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(dǎo)葉幾乎不關(guān),使得此時的水錘壓力僅受機(jī)組轉(zhuǎn)速的影響,從而避免了導(dǎo)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(jī)組由于導(dǎo)葉關(guān)閉與機(jī)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(yù)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(yīng)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(fù)荷時,各機(jī)組的轉(zhuǎn)速變化過程基本上一致。將所有機(jī)組的延時段長度設(shè)置相同是合理的,但是在相繼甩負(fù)荷時,先甩機(jī)組與后甩機(jī)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(luò)性的延時段。
文獻(xiàn)[ 3 ] 實測顯示:單機(jī)甩滿負(fù)荷采用此種關(guān)閉規(guī)律時,蝸殼進(jìn)口的最大壓力、尾水管進(jìn)口的最小壓力以及機(jī)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(yīng)設(shè)在機(jī)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(jìn)口的最大壓力、尾水管進(jìn)口的最小壓力以及機(jī)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(jìn)后的三段折線關(guān)閉規(guī)律總結(jié)為:在機(jī)組甩負(fù)荷之初,導(dǎo)葉按照斜率為tanα1 的直線關(guān)閉規(guī)律關(guān)閉導(dǎo)葉,到達(dá)折點A,則采用斜率為1 /100的直線關(guān)閉規(guī)律關(guān)閉導(dǎo)葉(延時段) ;到達(dá)折點B時,則按照斜率為tanα2 的直線關(guān)閉規(guī)律關(guān)閉導(dǎo)葉,其中折點A的位置對應(yīng)轉(zhuǎn)速超過預(yù)先設(shè)置的閾值N c時刻,折點B的位置對應(yīng)轉(zhuǎn)速上升最大時刻后延1～2 s。
3 改進(jìn)后的三段折線關(guān)閉規(guī)律優(yōu)缺點分析
當(dāng)同時甩負(fù)荷時,各機(jī)組轉(zhuǎn)速變化基本上一致,如若延時段選擇合適,那么,改進(jìn)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(fù)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(jìn)后的關(guān)閉規(guī)律中,折點B的位置是根據(jù)機(jī)組轉(zhuǎn)速上升的最大時刻信號反饋值來決定的。每臺機(jī)組的轉(zhuǎn)速信號反饋在改進(jìn)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(dǎo)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(jī)組的導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律的優(yōu)化。如在相繼甩負(fù)荷工況下,先甩機(jī)組與后甩機(jī)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(jī)組轉(zhuǎn)速的變化,可以有效地避免抽水蓄能電站機(jī)組由于導(dǎo)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(fù)荷工況效果尤佳。
改進(jìn)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(dǎo)葉將按斜率為tanα1 的一段直線關(guān)閉規(guī)律來關(guān)閉導(dǎo)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(jī)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(jī)組導(dǎo)葉將可能在較大的開度下進(jìn)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(jī)布置方案, 3臺機(jī)組為一水力單元,尾水系統(tǒng)采用單洞單機(jī)布置形式,水泵水輪機(jī)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(jìn)/出水口、引水隧洞、引水岔管、高壓鋼支管、尾水隧洞、下庫進(jìn)/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(jìn)后的關(guān)閉規(guī)律與原關(guān)閉規(guī)律進(jìn)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(jī)組同時甩負(fù)荷及2臺機(jī)組先同時甩去負(fù)荷、間隔一定時間后最后一臺機(jī)組甩負(fù)荷為計算工況。由于該流量大,因此可能會出現(xiàn)尾水管進(jìn)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(jìn)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(fù)荷工況下的計算結(jié)果見表1以及圖2至圖5;相繼甩負(fù)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(fù)荷工況時的計算結(jié)果
圖2 兩種關(guān)閉規(guī)律下蝸殼進(jìn)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(fù)荷工況時,由于各機(jī)組轉(zhuǎn)速上升基本一致,改進(jìn)后的關(guān)閉規(guī)律中各機(jī)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(jìn)口最大壓力、尾水管進(jìn)口的最小壓力以及機(jī)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(jī)組同時甩負(fù)荷時,機(jī)組流量在6. 5 s左右到零,并出現(xiàn)倒流。根據(jù)文獻(xiàn)[ 4 ]的分析可知,如果在該時刻附近發(fā)生相繼甩負(fù)荷,將出現(xiàn)尾水管進(jìn)口壓力控制值。
表2 兩種關(guān)閉規(guī)律下,相繼甩負(fù)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(jìn)口壓力變化過程線
由表2及圖6~13可以看出，相繼甩負(fù)荷時，改進(jìn)后的關(guān)閉規(guī)律延時段比原關(guān)閉規(guī)律短，后甩機(jī)組尤為明顯，縮短了近2s，減少了可逆機(jī)組總的關(guān)閉時間，有效地降低了可逆機(jī)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(jìn)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(jìn)口的最大壓力均發(fā)生在先甩負(fù)荷的機(jī)組，由于發(fā)生時間較早，后甩負(fù)荷的機(jī)組對其影響效果幾乎一致。從圖中可以看出，先甩負(fù)荷的機(jī)組蝸殼進(jìn)口的最大壓力、尾水管進(jìn)口的最小壓力以及機(jī)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(fù)荷組的影響，后甩負(fù)荷的機(jī)組蝸殼進(jìn)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(jìn)后的關(guān)閉規(guī)律，相對于原關(guān)閉規(guī)律來說,蝸殼進(jìn)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(jī)布置形式,后甩負(fù)荷的機(jī)組的尾水管進(jìn)口壓力受先甩負(fù)荷機(jī)組的影響要小,采用原關(guān)閉規(guī)律時,尾水管進(jìn)口的最小壓力以及機(jī)組的最大轉(zhuǎn)速上升均發(fā)生在延時段的中部,而后機(jī)組在2～3 s內(nèi)仍處于延時階段,加上開度較大,此時機(jī)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(jìn)后的關(guān)閉規(guī)律時,兩者都發(fā)生在延時段末,而后機(jī)組立刻進(jìn)入快關(guān)階段,這樣可以減小壓力脈動的威脅;后甩負(fù)荷的機(jī)組進(jìn)入延時段時,先甩負(fù)荷的機(jī)組已經(jīng)進(jìn)入第3段,在同一時刻下,改進(jìn)后的關(guān)閉規(guī)律對應(yīng)的開度要小,減小了先甩負(fù)荷機(jī)組倒流對后甩負(fù)荷機(jī)組的不利影響,從而改善了后甩負(fù)荷機(jī)組的尾水管進(jìn)口的最小壓力以及尾水管進(jìn)口壓力的衰減情況。
從圖7及圖9還可以看出,相繼甩負(fù)荷時,先甩負(fù)荷的機(jī)組與后甩負(fù)荷的機(jī)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(jìn)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(jī)組采用不同的關(guān)閉規(guī)律。
5 結(jié)語
由于可逆機(jī)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(jī)組,使得對可逆機(jī)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(jī)組的優(yōu)化模式。本文根據(jù)可逆機(jī)組獨特的過流特性,對文獻(xiàn)[ 2 ]中的三段折線關(guān)閉規(guī)律進(jìn)行了改進(jìn),將第2個折點的位置改為由機(jī)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(dǎo)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(jī)組的導(dǎo)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(jī)組由于導(dǎo)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。
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作者簡介:盧偉華,女,上海市水務(wù)工程設(shè)計研究院有限公司,助理工程師。
