摘要:根据可逆机组独特的过流特性,对原有可逆机组三段折线关闭规律进行了改进,将第2个折点位置改为由机组最大转速上升信号反馈值来决定。在某种意义上来说,这样不仅可以实现多工况的导叶关闭规律优化,而且也可以实现同一工况下不同机组的导叶关闭规律优化,能有效地避免抽水蓄能电站机组由于导叶关闭与转速上升的联合作用所引起的过大水锤现象。

　　关键词:可逆机组; 关闭规律; 水锤; 抽水蓄能电站

　　中图分类号: TV743 文献标识码: A 文章编号: 1001 - 4179 (2009) 19 - 0086 - 04

　　1　概述

　　在常规水电站中,通常水力机组的过流特性曲线比较平缓,而在抽水蓄能电站中,可逆机组的过流特性却极其不稳定。在“倒S型”区域内,机组转速的变化对过流特性产生的影响巨大,即使是微小的转速变化,也将引起较大的流量变化,从而在引水系统中产生较大的水锤[ 1 ]。在文献[ 2 ]中,根据可逆机组独特的过流特性,设计了具有延时段的三段折线关闭规律。本文通过对考虑转速信号反馈的关闭规律原理进行分析研究,并经过大量数值计算进行反复验证,对此关闭规律进行了改进。

　　2　三段折线关闭规律

　　由于水锤压力主要是由机组流量变化引起的,而抽水蓄能机组不同于常规水电站机组,其流量变化不仅会受到开度变化的影响,而且也会受到转速变化的影响,在“倒S型”区域内,即使是微小的转速变化,也将引起较大的流量变化。机组突甩负荷,导叶关闭初始机组的运行工况点处于机组特性曲线较为平缓处,机组转速对流量的影响较小,水锤压力主要是由机组导叶关闭后引起的;随着时间的变化,转速加大,机组的运行工况点接近“倒S型”区域附近,转速对流量产生的影响加大,此时的水锤压力取决于导叶关闭和转速变化两项的综合作用。为了避免这种相互作用所产生的水锤压力过大[ 2 ] ,文献[ 2 ]中设计了三段折线关闭规律(以下称原关闭规律) ,表述为:在机组甩负荷之初,导叶按照斜率为tanα1 的直线关闭规律关闭导叶,若机组转速超过预先设定的阈值N c ,则采用斜率为1 /100 (由于液压系统存在巨大的惯性,要求延时段中接力器完全不动实际上是很难做到的,即设计中延时段斜率很难为0)的直线关闭规律关闭导叶,关闭时间为3～5 s (也就是延时3～5 s) , 3～5 s后再按照斜率为tanα2 的直线关闭规律关闭;如果在关闭过程中,机组转速没有超过阈值N c ,则采用斜率为tanα1 的一段直线关闭规律关闭导叶直至结束。该关闭规律主要是通过预先设定一个阈值N c来判断机组的运行工况点是否达到“倒S型”区域。当转速超过阈值N c时,可以认为机组的工况点已到达“倒S型”区域,此时引入一段延时段,在延时段中接力器基本不动作,导叶几乎不关,使得此时的水锤压力仅受机组转速的影响,从而避免了导叶关闭和转速变化的相互作用而产生过大水锤。

　　该关闭规律虽然可以降低抽水蓄能可逆机组由于导叶关闭与机组转速上升联合作用所引起的水锤压力,但是由于延时段的时间是预先设定的,使得折点A的位置在根据转速反馈确定之后,折点B的位置也就相应地固定了,这样,转速反馈在折点B的位置确定方面并没有真正实现。同时,在甩负荷时,各机组的转速变化过程基本上一致。将所有机组的延时段长度设置相同是合理的,但是在相继甩负荷时,先甩机组与后甩机组的转速变化过程相差较大,其对压力的影响也不尽相同,若两者延时段的时间仍然相同,则需设置较长的具有包络性的延时段。

　　文献[ 3 ] 实测显示:单机甩满负荷采用此种关闭规律时,蜗壳进口的最大压力、尾水管进口的最小压力以及机组的最大转速均出现在延时段中,而且3者出现的时间都很接近。同时,在延时段出现了压力脉动,但是随着延时的结束,压力脉动也逐渐消失。这说明引入延时段产生了一定的压力脉动,折点B较优的位置应设在机组转速上升的最大时刻附近。考虑到压力脉动的影响,如果将此时刻略微靠后1～2 s,使得蜗壳进口的最大压力、尾水管进口的最小压力以及机组的最大转速均出现在延时段的末尾,尽量缩短延时段,可以减小压力脉动。

　　综上所述,可以将改进后的三段折线关闭规律总结为:在机组甩负荷之初,导叶按照斜率为tanα1 的直线关闭规律关闭导叶,到达折点A,则采用斜率为1 /100的直线关闭规律关闭导叶(延时段) ;到达折点B时,则按照斜率为tanα2 的直线关闭规律关闭导叶,其中折点A的位置对应转速超过预先设置的阈值N c时刻,折点B的位置对应转速上升最大时刻后延1～2 s。

　　3　改进后的三段折线关闭规律优缺点分析

　　当同时甩负荷时,各机组转速变化基本上一致,如若延时段选择合适,那么,改进后的三段折线关闭规律与原关闭规律基本一致,但是在相继甩负荷时,则会有显著差别。两种关闭规律的区别在于折点B的位置的确定,原关闭规律折点B的位置是根据折点A的位置延时3～5 s来确定的;而在改进后的关闭规律中,折点B的位置是根据机组转速上升的最大时刻信号反馈值来决定的。每台机组的转速信号反馈在改进后的关闭规律上体现得更具体,这就使得此关闭规律除和原关闭规律一样实现了多工况的导叶关闭规律的优化以外,在某种意义上来说,还实现了同一工况下不同机组的导叶关闭规律的优化。如在相继甩负荷工况下,先甩机组与后甩机组时的转速变化过程不一致,两者根据转速信息反馈后的延时段的时间也不相同,所得到的关闭规律能更真实地反映机组转速的变化,可以有效地避免抽水蓄能电站机组由于导叶关闭与转速上升的联合作用所产生的过大水锤现象,相继甩负荷工况效果尤佳。

　　改进后的关闭规律的最大缺点和原关闭规律一样,在于其自身的可靠性方面。如果转速量测信号发生故障或者折点A的转速阈值设定过大,那么,导叶将按斜率为tanα1 的一段直线关闭规律来关闭导叶。此时,如果一段直线关闭规律不能满足调保的要求,则将危及机组及输水系统的运行安全。如果折点A的转速阈值设定过小,那么机组导叶将可能在较大的开度下进入延时段,而此时有可能会出现较大的脉动压力[ 2 ]。

　　4　算例分析

　　4. 1　工程概况

　　某抽水蓄能电站布置如图1所示。其上游引水系统采用一洞三机布置方案, 3台机组为一水力单元,尾水系统采用单洞单机布置形式,水泵水轮机额定转速为500 r/min; 额定水头为700. 0 m;额定流量为58. 0 m3 / s;额定出力为355. 0MW;输水系统全长约2 900. 0 m,尾水管总长为550. 0 m。输水系统主要由上水库进/出水口、引水隧洞、引水岔管、高压钢支管、尾水隧洞、下库进/出水口等组成。



　　图1　某抽水蓄能电站输水系统布置示意

　　4. 2　两种关闭规律比较

　　为了对改进后的关闭规律与原关闭规律进行比较,根据该电站将来的实际运行情况,现拟定额定水头、额定出力、3台机组同时甩负荷及2台机组先同时甩去负荷、间隔一定时间后最后一台机组甩负荷为计算工况。由于该流量大,因此可能会出现尾水管进口最小压力控制工况。

　　经过大量试算可以得出:

　　(1) 对于原关闭规律而言,较优的关闭规律为:转速阈值设定为615 r/min,第1段斜率tanα1 与第3段斜率tanα2 均为1 /10,延时段时间为4. 5 s,斜率设定为1 /100。

　　(2) 对于改进后的关闭规律而言,较优的关闭规律为:转速阈值设定为615 r/min,第1段斜率tanα1 与第3段斜率tanα2 均为1 /10,第2个折点的时间为转速上升最大时刻后延1. 3 s,延时段斜率设定为1 /100。

　　上述两种关闭规律在同时甩负荷工况下的计算结果见表1以及图2至图5;相继甩负荷工况下的计算结果见表2以及图6至图15。

　　表1　两种关闭规律下,同时甩负荷工况时的计算结果





　　图2　两种关闭规律下蜗壳进口压力变化过程线

　　从表1及图2至图5可以看出,对于同时甩负荷工况时,由于各机组转速上升基本一致,改进后的关闭规律中各机组的延时段时间相同,因此,两种关闭规律一致,两种情况下的蜗壳进口最大压力、尾水管进口的最小压力以及机组的最大转速上升一致,且均发生在延时段的末尾,三者发生的时间接近。

　　从图5可以看出,采用三段折线关闭规律,在机组同时甩负荷时,机组流量在6. 5 s左右到零,并出现倒流。根据文献[ 4 ]的分析可知,如果在该时刻附近发生相继甩负荷,将出现尾水管进口压力控制值。

　　表2　两种关闭规律下,相继甩负荷工况时的计算结果m





　　图3　两种关闭规律下尾水管进口压力变化过程线



　　由表2及图6~13可以看出，相继甩负荷时，改进后的关闭规律延时段比原关闭规律短，后甩机组尤为明显，缩短了近2s，减少了可逆机组总的关闭时间，有效地降低了可逆机组关闭过程中的压力脉动带来的危险，从理论上来说，改进后的关闭规律要优于原关闭规律。在两种关闭规律下，蜗壳进口的最大压力均发生在先甩负荷的机组，由于发生时间较早，后甩负荷的机组对其影响效果几乎一致。从图中可以看出，先甩负荷的机组蜗壳进口的最大压力、尾水管进口的最小压力以及机组的最大转速上升三者发生的时间较接近，且均发生在延时段；受先甩负荷组的影响，后甩负荷的机组蜗壳进口的最大压力不一定发生在延时段。









　　比较图10与图11可知，采用改进后的关闭规律，相对于原关闭规律来说,蜗壳进口压力的衰减效果得到明显改善。由于尾水系统采用单洞单机布置形式,后甩负荷的机组的尾水管进口压力受先甩负荷机组的影响要小,采用原关闭规律时,尾水管进口的最小压力以及机组的最大转速上升均发生在延时段的中部,而后机组在2～3 s内仍处于延时阶段,加上开度较大,此时机组有可能出现较大的脉动压力, 从而将危及系统的安全。采用改进后的关闭规律时,两者都发生在延时段末,而后机组立刻进入快关阶段,这样可以减小压力脉动的威胁;后甩负荷的机组进入延时段时,先甩负荷的机组已经进入第3段,在同一时刻下,改进后的关闭规律对应的开度要小,减小了先甩负荷机组倒流对后甩负荷机组的不利影响,从而改善了后甩负荷机组的尾水管进口的最小压力以及尾水管进口压力的衰减情况。

　　从图7及图9还可以看出,相继甩负荷时,先甩负荷的机组与后甩负荷的机组的转速变化过程不一致,两者根据转速信息反馈后确定的折点位置也不一致;而且采用改进后的关闭规律时,两者延时段的历时不等,这样使得两者的关闭规律差别较为显著,基本上实现了同一工况下不同的机组采用不同的关闭规律。

　　5　结语

　　由于可逆机组特性曲线中存在较陡的“倒S型”,因此,在过渡过程中发生的水锤不同于常规的水电机组,使得对可逆机组的关闭规律优化方法不能盲目套用常规水电机组的优化模式。本文根据可逆机组独特的过流特性,对文献[ 2 ]中的三段折线关闭规律进行了改进,将第2个折点的位置改为由机组转速上升最大时刻信号反馈值来决定。在某种意义上来说,这样不仅可以实现多工况的导叶关闭规律优化,而且还可以实现同一工况下不同机组的导叶关闭规律优化,从而能够有效地避免抽水蓄能电站机组由于导叶的关闭与转速上升的联合作用所引起的过大水锤。

　　参考文献:

　　[ 1 ] 　Wylie E B, StreetrV L, Suo Lisheng. Fluid transient in systems. Prentice Hall, Englewood Cliffs. NJ07632.

　　[ 2 ] 　张健,房玉厅,刘徽,周杰. 抽水蓄能电站可逆机组关闭规律研究. 流体机械, 2004, 32 (12) .

　　[ 3 ] 　张健,刘! 有,刘辉,柏勇. 江苏沙河抽水蓄能电站关闭规律与实测分析. 水电能源科学, 2004, 22 (2) .

　　[ 4 ] 　张健,卢伟华,范波芹,胡建永. 输水系统布置对抽水蓄能电站相继甩负荷水力过渡过程影响. 水力发电学报, 2008, 27 (5) .

　　作者简介:卢伟华,女,上海市水务工程设计研究院有限公司,助理工程师。