二塬子水电站输水系统过渡过程仿真计算研究报告.doc

二塬子水电站输水系统过渡过程仿真计算研究报告河海大学2017年7月5二塬子水电站输水系统过渡过程仿真计算研究项目负责人：河海大学2017年7月目 录第一章 工程概况和研究内容1第一节 工程概况和基本资料1第二节 计算研究目的和内容6第二章 计算理论和计算方法9第一节 计算理论9第二节 计算方法9第三章 有压输水系统数学模型14第一节 管道划分和相关参数14第二节 机组特性曲线处理方法16第三节 引水发电系统数学模型18第四章 机组导叶和调压阀启闭规律的优化选择22第一节 说 明22第二节 机组导叶和调压阀启闭规律的优化选择22第三节 调压阀拒动时机组导叶关闭规律分析26 第四节 调压阀启闭规律的确定27第五章 有压输水系统过渡过程计算分析30第一节 大波动过渡过程计算分析30第二节 小波动稳定性分析46第三节 水力干扰稳定性分析49第六章 结论与建议52第一章 工程概况和研究内容第一节 工程概况和基本资料一、工程概况二塬子水电站是利用原设计北干线压力管道1#调节池与2#调节池之间N27+434.1N29+208.1段，水头差约101m发电。发完电后，供水水量通过电站尾水再退入原压力管道。这样，在不影响供水的情况下，充分利用水能资源，做到一水多用。 电站站址位于西安数字学院南侧，电站装机容量2400kW，安装3台混流式机组。工程为等中型工程，主要建筑物为3级建筑物，次要及临时建筑物为4级建筑物。本电站采用地面厂房布置形式，厂内共装有三台单机容量为800kW卧式水轮发电机组，总装机容量为2400kW。输水管线由厂房右侧通过，设有闸阀、调压阀及旁通泄水阀等管线调压设施，满足电站不发电时，保证供水不受影响。电站厂区建筑物包括主、副厂房、尾水池、尾水管、宿办楼及道路等部分。主厂房采用“一”字型布置，由安装间、主机间组成，机组安装高程为628.60m，地面高程627.96m，安装间位于主厂房右端，与机组层同高，主厂房宽度为12.5m，总长为41m。厂区地坪高程为627.81m。副厂房位于主厂房上游侧，地板高程627.96m，宽度9.30m。尾水闸后接尾水池，尾水池宽度为5m，长度为26.5m。尾水池后接尾水管，采用预应力钢筒砼管，管径1.6m，长49.62m。尾水管后接2#调节池。二、基本资料1主要水位参数前池设计水位应为726.92m，前池最高水位应为727.42m，前池最低水位应为726.82m，一台机额定流量对应的尾水位625.70m，两台机额定流量对应的尾水位，三台机额定流量对应的尾水位625.91m，最高尾水位626.34m。2输水管道输水管道N29+146.3m（G0+000.0）处设1个“卜”型岔管，分岔角60，岔管中心高程628.06m，第1条支管连接后续输水系统，第2条支管给电站供水。岔管采用Q345钢材，内径1400mm，外径1432mm；电站侧采用法兰连接，法兰规格PN1.6MPa。岔管处镇墩尺寸：长13m，宽9.6m，高3.6m。考虑电站与输水管道系统不能同步施工，同时通水，为了不影响水厂正常供水，在发电管道增设1道施工蝶阀，蝶阀型号DT-D944H-20 DN1400。考虑岔管镇墩的尺寸，蝶阀中心为G0+010.92m，阀后设伸缩节。阀井内径5.0m，深4.3m，壁厚0.5m,采用C25钢筋砼结构。蝶阀后再接2个“卜”型岔管和3条支管分别为3台机组供水。供水岔管与1#岔管之间管径为1.4m，1#岔管与2#岔管之间管径为1m，支管管径为0.6m。供水岔管蝶阀中心长度10.855m，蝶阀中心1#岔管中心长度7.851m ，1#2#岔管中心长度11.547m，1#支管长26.424m，2#支管长20.13m，3#支管长25.67m。3机组参数水轮机最大水头：100.62m；额定水头：96.5m；最小水头：95.95 m；额定流量：1.033m3/s；额定转速：1000r/min；水轮机额定出力：860kW；安装高程；628.60m。轮机型号HLA351WJ64，转轮标称直径64cm，模型综合特性曲线和飞逸特性曲线见图1-1图1-2；水轮发电机组的转动惯量1.06t.m2。 4调压阀流量特性曲线 调压阀型号为TFW-300，其流量特性曲线见图1-3。5图纸(1)枢纽总平面布置见图1-4，压力管道纵剖面见图1-5。(2)调压阀布置见图1-6和图1-7。图1-1 HLA351转轮模型综合特性曲线 图1-2 HLA351转轮飞逸特性曲线H0图1-3 TFW300调压阀流量特性曲线第二节 计算研究目的和内容一、计算目的与意义水力机械过渡过程是水电站发电输水系统中普遍存在的动态现象，正确分析系统在过渡过程状态的水流和机组动态特性，对输水系统和机组的设计与运行具有重要的意义。并网运行水电站的安全可靠的稳定运行对电站自身和电网系统均有着重要的作用，有必要从输水系统布置、机电设计两个方面对各种可能工况下的过渡过程进行数值仿真计算与分析，以便为发电输水管道系统的布置、结构设计和电站的安全稳定运行提供可靠的依据。二、计算的主要任务本项目的分析计算，主要结合二塬子水电站的水力机械系统进行数值分析计算，在此基础上，结合其水力机械过渡过程计算研究的主要内容，进行详尽的数值计算分析，主要包括大波动过渡过程、小波动过渡过程、水力干扰过渡过程和调压阀控制等相关专题计算研究。结合调节保证计算要求和优化目标，针对典型的控制工况优化选择机组的导叶关闭规律；在此基础上对各种可能工况（包括可能出现的复杂组合工况）下的大波动过渡过程进行数值仿真计算和分析，得出控制条件下的调保参数；给出引水系统沿程最大和最小压力分布及其对应工况，机组速率上升最大值及其对应工况，尾水管最大真空度及其对应工况，蜗壳压力变化最大/最小值及其对应工况等，为引水发电水道系统结构设计提供依据。结合水电站输水系统的布置和机组的特性，依据调节系统的技术规程和参数整定要求，初步整定调速器调节参数（PID）。针对水电站机组运行最大水头、额定水头与最小水头等所对应的控制工况，所选择的控制工况尽量包括机组运行范围。在负荷发生10阶跃条件或水力干扰情况下，进行小波动过渡过程和水力干扰过渡过程数值仿真计算与分析，研究运行机组在小波动情况下的稳定性和调节品质，同时进一步对调速器参数进行整定分析，为电站正常运行提供参考依据。综合上述研究内容和研究结果，提出相应的结论和建议。三、计算研究的主要内容1过渡过程计算工况对该系统进行各种工况的过渡过程计算，具体的工况及其说明见下表1-1。表1-1 计算工况及说明工况编号前池水位Hk(m)尾水位Hw(m)负荷变化水位组合说明及导叶关闭方式T1727.42625.91303台机满负荷运行，同时甩负荷T2726.92625.91303台机满负荷运行，同时甩负荷T3726.82625.91303台机满负荷运行，同时甩负荷T4726.92625.91202台机额定出力运行，同时甩负荷T5726.92625.70101台机额定出力运行，甩负荷T6726.82625.91022台机同时从空载增至额定出力运行T7726.82625.70011台机从空载增至额定出力运行T8726.82625.91231#和2#机满负荷运行，3#机从空载增至满负荷T9727.42626.34231#和2#机满负荷运行，3#机从空载增至满负荷T10727.42625.11303台机额定水头额定出力运行，同时甩负荷D11726.92625.91323台机满负荷运行，3#机甩满负荷D12726.92625.91313台机满负荷运行，2#和3#机甩满负荷S13726.82625.913最低水头，3台机满负荷运行，同时甩10%负荷S14726.82625.913最低水头，3台机部分负荷运行，同时甩10%负荷S15726.82625.913最低水头，3台机接近空载运行，同时增10%负荷注：D水力干扰计算工况；S小波动计算工况。72计算研究成果 项目完成后，提交满足工程设计进度要求的、满足工程设计审查要求的、满足工程安全稳定运行要求的项目研究成果，可作为工程设计及运行的主要参考依据。报告详述计算模拟方法、计算参数和计算结果，包含研究内容的全部。提交的研究成果包括（但不限于）下述内容： (1)计算原则和假定、计算采用的数学模型；(2)计算参数的选取，包括局部水头损失系数和沿程水头损失系数的选用等，因“局部水头损失系数和沿程水头损失系数”的合理取值涉及实际工程设计中的细部资料，因此其取值范围和依据由甲方提供；(3)水轮机活动导叶关闭规律（分段关闭），分段关闭拐点及时间； (4)调压阀开启时间及关闭时间； (5)当调压阀失灵、拒动时，活动导叶由全开至全关闭时的慢关闭时间；(6)机组转速上升最大值及对应工况；(7)蜗壳压力变化的最大值、最小值及对应工况；尾水管最大真空度及对应工况；(8)调速器调节参数（PID）整定的建议值。 四、设计规定与设计标准电站的调保计算控制标准：蜗壳进口最大压力、机组最大转速上升率、尾水管进口的最小内水压力。各种组合工况下机组转速上升应不大于(设置调压阀)40%，即允许的最大转速为1400rpm，蜗壳末端的压力上升不超过(设置调压阀)20%，即蜗壳进口允许的最大内水压力为118.58m，尾水管进口处的真空值不大于8m水柱。第二章 计算理论和计算方法第一节 计算理论一、水电站水锤水锤表现为有压管路中伴随着流量（流速）变化，各点的压力发生显著变化的现象，也即通常所谓的有压非恒定流现象。在水锤分析中，应充分考虑摩阻、导叶关闭历时等因素的影响而引起水轮机流量变化，主要包括小波动、正常运行情况下的负荷变化和大波动、水电站事故引起的负荷变化。水锤分析的主要目的在于确定管道沿线各点最大内水压力作为强度设计依据，确定最小内水压力作为管线布置和外压稳定设计依据，研究机组转速变化，以及在小波动和水力干扰过渡过程的机组运行稳定性，研究分析减小控制点水锤压力的方法等。二、调压阀调压阀设在反击式水轮机的蜗壳上，由调速器统一控制。在水轮机导叶关闭时，调压阀开始泄放流量，以减小压力管道流速变化的梯度，降低水锤压力。调压阀只能在机组丢弃负荷时起作用。第二节 计算方法一、有压管道水锤计算的特征线法(x-t为坐标场)根据动量定理和水流连续性定理导出的水锤基本方程为 (2-1) (2-2)式中 V管道中的流速，向下游为正；H压力水头； x距离，以管道进口为原点，向下游为正；t时间； a、g水锤波速和重力加速度；d、a管道直径和纵坡角度。水锤基本方程式(2-1)和式(2-2)有两个自变量x和t，两个因变量H和V，是一组拟线性双曲型偏微分方程组，难于直接求出解析解。特征线法的原理是在x-t平面建立一组曲线，沿这组曲线将水锤的偏微分方程转换为常微分方程，这组常微分方程的解就是满足上述曲线所给定的x和t特定关系的偏微分方程的解。以任意常数乘以式(2-2)，并与式(2-1)相加，忽略管道坡度的影响，得 (2-3)选择的两个特定值，使 (2-4)则式(2-3)成 (2-5)H和V为x和t的函数。若x随t的变化而变化，则 以之代人式(2-5)，得 (2-6)上式是以t为自变量， H和V为因变量的常微分方程，的数值可从式(2-4)求出，得 ， 流速V远小于波速a，可以略去。由得 (2-7)由得 (2-8)式(2-7)和式(2-8)在x-t坐标场代表两族曲线，如图2-1所示。曲线(C+)上的点均满足式(2-7)，称正向特征线；曲线()上的点均满足式(2-8)，称反向特征线。图2-1 x-t坐标场上的特征线 式(2-7)和式(2-8)称特征方程，其解就是水锤基本方程式(2-1)和式(2-2)的解。若将一简单管等分成N段，每段长Dx，时间步长Dt = Dx/a，如图2-2所示。其中AP线满足式(2-8)，BP线满足式(2-7)，若A、B两点的因变量H和V已知，则沿()线、(C+)线将式(2-8)、式(2-7) 积分，可得P点的未知量H和V，具体方法如下： 以乘以式(2-8)的第二式，引入管道的断面积A，以流量Q代流速V，积分得 (2-9)上式最后一项中Q随x的变化是未知的，若A、P两点的距离不大，可采用一阶近似积分代替式(2-9)的最后一项，得 (2-10)为了提高计算精度，可将上式的摩阻项略加修正而成 (2-11)同理，图2-2中的BP线满足式(2-7)，以同法处理可得 (2-12)利用式(2-11)和式(2-12)可求出P点的压头Hp和流量Qp。图2-2 特征线法的计算网格 式(2-11)和式(2-12)可简写为： (2-13)： (2-14)其中： ， ， 上述变量中，有下标A和B者均为已知量，有下标P者为未知量，利用以上二式可解出测压管水头Hp和流量Qp。计算从t=0开始，先求出t=Dt时各网格结点的H和Q，继而求出t=2Dt时各网格结点的H和Q，循此前进，直至推求到所要求的时间。二、结合特征线法和状态方程分析的联合算法在进行水力机械系统的水力干扰稳定性分析(调速器参与调节)和小波动稳定性分析时，机组采用状态方程描述其转速变化特性，并且引入采用状态方程描述的调速器方程(详见第三章式3-17式3-20)，不论是甩荷(增荷)机组，还是受扰机组，均充分考虑其非线性流量特性和效率特性。水力干扰和小波动计算分析的主要流程可概括为：(1)采用特征线法计算输水系统管道的水力瞬变，即计算出管道各断面的水头H和流量Q；(2)依据采用状态方程描述的机组运动方程，计算受扰机组转速变化的相对值j；(3)基于描述调速器的状态方程，计算机组导叶相对开度y；(4)在已知受扰机组j和y的条件下，计算机组的过机流量和进出口压力水头；(5)重复上述过程，即可得受扰机组的整个调节过渡过程。在水力干扰和小波动稳定性分析中，时间步长Dt由特征线法的稳定性条件(库朗条件)确定。在水力干扰稳定性分析中，由于机组受扰程度较小波动严重，考虑调速器的主要非线性环节(详见第三章式3-21式3-22)。三、数值计算方法在水力过渡过程计算中，需要采用部分合适的数值计算方法，主要包括跟踪机组运行轨迹的单纯形寻优法和系统状态方程分析的特征分析法等。第三章 有压输水系统数学模型第一节 管道划分及相关参数一、大波动过渡过程计算简图和管道划分引水系统考虑各控制节点和管道特征点等进行划分，计算简图及管道划分参见图3-1，各管段相应参数参见表3-1。图3-1 计算简图及管道划分表3-1 管道分段及基本参数管段编号管 段 范 围长度(m)当量管径 (m)管道糙率n管内流量1151#调节池进水口供水分岔点N27+434.1mN29+146.3m（G0+000.0）1712.21.40.012Q1+Q2+Q316供水分岔点主分岔点18.7061.40.012Q1+Q2+Q317主分岔点次分岔点11.5471.00.012Q2+Q3181#机压力钢管支管(调压阀分岔点)31.8590.60.012Q1192#机压力钢管支管(调压阀分岔点)25.5650.60.012Q2203#机压力钢管支管(调压阀分岔点)31.0130.60.012Q321,22,2313#机调压阀水轮机(包括蜗壳当量长度)6.550.60.012Qi(i=1,2,3)24,25,2613#机尾水管4.310.630.012Qi(i=1,2,3)二、尾水管和蜗壳当量管计算的相关说明在水力瞬变计算中，水轮机流量和力矩特性一般是通过稳定工况条件下的转轮模型综合特性曲线确定，这些特性曲线中没有包括水轮机尾水管和蜗壳非恒定工况水体惯性的影响。在引水管道很长的情况下，由于尾水管和蜗壳水体惯性在整个水系统中所占的比例很小，可以不考虑它们的影响。但是，如果引水管道较短，则应考虑尾水管和蜗壳水体惯性的影响，常采用当量管来代替实际尾水管和蜗壳。在计入蜗壳水流惯性的影响时，相当于在水轮机上游压力管道出口增加一段面积为Ae、长为Le的管道，称为蜗壳的当量管；而考虑尾水管水流惯性的作用，相当于尾水管已被一段面积为Ade、长为Lde的管道代替，该管道称为尾水管的当量管。对于这些当量管中的水击过程，同样可以采用特征线方法求解。1尾水管水轮机的尾水管一般由三个基本部分组成：锥管、肘管和扩散管。在当量管的前提条件下，有 (3-1)式中：h1为锥管高度；L2为肘管中心线长；L3为扩散管长度。令尾水管当量管长度等于锥管高度、肘管中心线长度和扩散管长度之和，即Lde=h1+L2+L3 (3-2)当量管的面积满足下式 (3-3)方程(3-3)右边积分可以分别针对锥管段、肘管段和扩散段，进行细分，化为离散格式计算可得，分别定义为e1、e2、e3。 则可得尾水管当量管面积的计算公式 (3-4) 表3-1中对应的尾水扩散段，以及锥管段和肘管段之和均采用上述当量管径的确定方法，由于尾水管的水头损失已在水轮机的效率中考虑，因此计算中不计尾水管的水头损失。2蜗壳在蜗壳水力计算中，通常假定蜗壳各断面的圆周向分速度相等，即，进而进一步计算蜗壳各断面的流量。因此，在确定蜗壳当量管时，可近似把蜗壳看成一等直径管道，其直径为蜗壳进口直径，其长度可取为蜗壳中心线长度的一半，该简化虽较为粗略，能满足计算精度要求。由于蜗壳和尾水管的水头损失均已在水轮机的效率中考虑，因此计算中同样不计蜗壳的水头损失。三、水锤波速的选择除均质薄壁管外，各组合管(混凝土衬砌隧洞、钢衬钢筋混凝土管道等)的水锤波速一般只能近似地确定。对于最大水锤压强出现在第一相末的高水头水电站，水锤波速对最大水锤压强影响相对较大，应尽可能选择符合实际情况而又略为偏小的水锤波速以策安全。水锤波速对以后各相水锤压强的影响逐渐减小，对于大多数水电站，最大水锤压强出现在开度变化接近终了时刻，在这种情况下，过份追求水锤波速的精度是没有必要的，而且一般也是难于做到的。针对二塬子水电站，考虑其长压力管道的水力特性和水锤的特点，水锤波速可近似地取为10001100m/s，在实际计算中考虑到管道特性的不一致以及波速的调整，各特征管道的计算波速存在一定的差别。第二节 机组特性曲线处理方法在转轮模型综合特性曲线中，给出了导叶大开度区以及介于最大和最小水头对应的单位转速之间的机组特性，包括流量特性、效率特性和飞逸特性。但是，在大波动过渡过程中，水轮机将通过非常宽阔的工况区域，这些区域超出了模型综合特性曲线通常给出的范围。因此，必须适当的补充特性曲线，尤其是导叶小开度区的特性曲线。1飞逸工况特性曲线的补充已知介于最大和最小水头对应的单位转速之间的飞逸特性，向高工况区以最大飞逸单位转速为控制点作适当延伸，向低工况区以原点（=0，=0）为目标作光滑延伸，即得完整的飞逸工况特性曲线。2小开度流量特性曲线的补充在模型特性曲线上，做等线，分别与各开度线以及飞逸工况线相交；过原点和各交点作曲线，其中飞逸工况点与原点之间的部分线段即为要补充的小开度流量特性曲线，可得出在该下任意小开度工况对应的单位流量及其在模型综合特性曲线上的位置；依据需要选若干，重复上面过程，即可得全面的流量特性曲线；选择任意小开度值，在选定的等线对应的曲线上查得对应某一和的，在模型特性曲线上的小开度区绘出对应的位置，各点光滑连接即为需补充的小开度的等开度线。3小开度效率特性曲线的补充在模型特性曲线上，做等线，分别与各条等效率线相交；将各点光滑连接，得大开度区效率特性曲线；该等线与飞逸工况线（=0）相交，有一交点，将该交点与大开度区效率特性曲线光滑连接，并且向小流量区作光滑延伸，即得完整的效率特性曲线；结合该等线对应的曲线，可得任一和小开度下的效率。4高与低工况区特性曲线的扩展 (1) 等开度线的扩展 选择任意开度，作等线，与飞逸工况线相交，并向高特性区作光滑延伸，向低工况区可依据经验作光滑延伸，或依据经验公式确定零转速工况点对应的单位流量，并与已知的等开度线光滑连接。(2) 等效率曲线的扩展选择任意开度，作等线，选择特定的，得到对应的效率，作曲线，其中该等线与飞逸工况线相交，已知交点的和=0，作为曲线向高工况区光滑延伸的控制点，在低工况区可以原点（=0，=0）为扩展目标，作光滑延伸。第三节 引水发电系统数学模型一、有压输水系统过渡过程计算数学模型1有压管道过渡过程计算的特征线法图3-2 有压管道特征网格节点有压管道系统水锤计算的特征相容方程为： (3-5) (3-6)式中：CP、BP、CM、BM时刻t-t的已知量，Hpi、Qpi时刻t的未知量。式中：常数；Hi-1、Qi-1、Hi+1、Qi+1时刻t-t的已知量；i-1、i、i+1计算断面位置（图3-2）；a、D、A、f分别为水锤波速、管道直径、面积和摩阻系数；Dx特征网格管段长度，满足库朗条件。2机组节点如图3-3，描述机组节点的方程有： (3-7) (3-8)图3-3 机组节点 (3-9) (3-10) (3-11)以及水轮机模型综合特性曲线，t 为导叶开度。计算水轮机转速变化采用如下方程： (3-12)式(3-7)式(3-12)中：P、Q、H、h分别为水轮机的出力、流量、工作水头和效率；D1机组转轮直径；n转速；、水轮机的单位流量和单位转速；Ta机组惯性时间常数。图3-4 进水口节点31#调节池进水口节点如图3-4所示为1#调节池进水口节点，描述该节点各参数的控制方程为： (3-13) (3-14)式中：1#调节池水位。图3-5 尾水出口节点4尾水出口节点如图3-5所示为尾水出口节点，描述该节点各参数的控制方程为： (3-15) (3-16)式中：尾水位。二、调速器模型 采用并联PID型调速器模型，并考虑其中关键的非线性环节： (3-17) (3-18) (3-19)(3-20)式中 均为相对值；分别为转速和开度的偏差相对值；Tn微分环节时间常数；kP、kI、kD分别为比例常数、积分常数和微分常数；Ty、Ty1为随动系统常数；bp残留不平衡度。a) 测速环节限幅非线性 (3-21) 参见图3-6。 图3-6 调速器测速环节限幅非线性 b) 接力器行程限制设导叶初始相对开度为，则有： (3-22)第四章 机组导叶和调压阀启闭规律的优化选择第一节 说 明 依据确定的调压阀型号TFW-300及其流量特性，结合机组的甩荷控制工况，进行机组导叶关闭规律的优化选择，以及调压阀开启规律的确定。在满足调节保证计算要求的前提下，验证TFW-300型调压阀是否满足泄放的流量要求以及确定相应的调节控制策略。 机组导叶和调压阀的启闭规律和相关协调控制关系参照有关规程或规范进行选择，主要内容包括：在调压阀正常开启的情况下，依据机组甩荷工况，确定机组导叶的关闭规律和调压阀的开启规律；依据机组增荷工况，调压阀不动作，处于关闭状态，确定机组导叶的开启规律；在调压阀拒动的情况下，选择合理的机组导叶慢关闭规律，以使蜗壳进口最大内水压力满足调节保证计算要求。第二节 机组导叶和调压阀启闭规律的优化选择一、机组导叶关闭规律和调压阀开启规律的确定依据调节保证计算要求：各种组合工况下机组转速上升应不大于(设置调压阀)40%，即允许的最大转速为1400rpm，蜗壳末端的压力上升不超过(设置调压阀)20%，即蜗壳进口允许的最大内水压力为118.58m，尾水管进口处的真空值不大于8m水柱。根据二塬子水电站引水发电系统布置及机组资料，考虑到可能出现机组蜗壳进口最大内水压力和机组转速最大上升率的控制工况，即T1工况，进行导叶关闭规律的优化计算，并且进一步结合T10工况进行机组最大转速的验算，以最终确定机组导叶关闭规律和调压阀启闭规律。其中T1工况：上游水位为727.42m，下游水位为625.91m，3台机满负荷运行，并同时甩荷，导叶正常关闭；T10工况：上游水位为727.42m，下游水位为625.11m，3台机额定水头额定出力运行，并同时甩荷，导叶正常关闭。基于控制工况T1，进行全局优化计算分析，得到直线关闭规律和折线关闭规律的局部优化区域，参见表4-1和图4-1图4-2，其中*表示机组导叶关闭规律优选方案，调压阀压力指调压阀承受的上下游压力差。表4-1 导叶关闭规律优化计算工况编号导叶关闭规律 TS：总有效时间(s)；Tm、ym：中间折点时间(s)和相对开度调压阀开启时间(s)工况T1：Hu=727.42m，Hd=625.91m3台机满负荷运行，同时甩负荷TSTmymTSV机组调压阀最大转速nmax(rpm)蜗壳进口Hmax(m)最大压力(m)最大流量(m3/s)K15一段直线关闭规律51422.57109.60108.360.98K2661467.65114.02113.040.98K3881533.33118.93119.220.98K410101585.63122.40123.360.98K5103.50.353.51346.00105.67100.461.04*K6104.00.354.01374.32104.5599.441.03K7104.50.354.51398.54103.5198.491.03K8104.00.404.01375.31105.22100.071.04K9104.00.304.01374.83103.8198.761.03图4-1 TS =10s直线关闭规律下T1工况主要调保参数的动态过程线图4-2 折线关闭规律K6下T1工况主要调保参数的动态过程线由表4-1和图4-1图4-2计算成果可知：(1)当机组采用表4-1中给出的TS =5 10s直线关闭规律时，对应于工况T1(可能的最大转速上升和蜗壳进口最大内水压力控制工况)的机组最大转速均超过允许值1400.0rpm，而只有机组导叶采用较短的直线关闭时间，同时调压阀采用相同的较短的直线开启时间时，机组蜗壳进口最大内水压力小于允许值118.58m，TFW-300型调压阀的最大运行相对行程为0.1(调压阀的绝对行程与调压阀直径的比值)，相应的最大实际过流量为0.98m3/s，略小于机组的额定流量1.033m3/s，最大压力亦相应较小。因此，应考虑调速器和调压阀调节的可靠性和稳定性，以及调节保证计算的裕度，优选一合理可行的导叶折线关闭规律，以降低机组最大转速。(2)结合机组转速的动态过程分析可知，机组最大转速约发生在5.5s，同时机组对应的相对空载开度约为0.35，因此，依据调压阀的运行控制规程，机组导叶考虑快关至空载开度，同时调压阀在相同的时间内直线快开至运行开度，可以在有效控制蜗壳进口最大内水压力的同时，降低机组最大转速至低于允许值。结合TS10.0s直线关闭规律进行详细的计算分析，可以得到优化的机组导叶折线关闭规律为TS10.0s，Tm4.0s， ym0.35，折点对应的导叶相对开度变化时，机组最大转速稍有增大，折点对应的时间缩短时，虽然机组最大转速会有效降低，但快关速度增大，会不利于调速器的调节实现。综上分析，在考虑一定的调节保证计算裕度以及调速器的可调性下，机组导叶选用折线关闭规律：TS10.0s，Tm4.0s， ym0.35，其中机组导叶相对开度y=1对应的导叶绝对开度模型值为16.0mm；调压阀开启时间TSV=4s直线开启，即调压阀由关闭状态至相对行程为0.1的开启状态的总时间为4.0s。此时，机组蜗壳进口最大内水压力、机组最大转速和调压阀承受的压力均满足调节保证计算要求。机组导叶采用此折线关闭规律，调压阀采用此开启规律，结合T10工况验算分析表明机组最大转速满足调节保证计算要求。二、机组导叶开启规律的确定在增荷工况下，机组导叶开启，调压阀不动作，此时，机组导叶的开启规律由引水系统沿线最小内水压力控制。考虑增荷的可控性，双机增荷工况在电站实际运行中可以避免，因此主要结合常规的单机增荷工况进行分析，相应的控制工况为T8：上游水位为726.82m，下游水位为625.91m，1#和2#机满负荷运行，3#机从空载增至满负荷。计算分析表明引水系统沿线最小内水压力出现在进口段，因此表4-2给出了各拟定直线开启总时间TS下的引水系统进口段沿线各控制断面最小内水压力，以及供水分岔点和机组蜗壳进口最小内水压力。 表4-2 引水系统沿线最小内水压力(单机增荷)编号控制断面桩号当量管径 (m)管段进口中心线高程(m)TS =10.0sTS =30.0sTS =50.0sTS =60.0s内水压力(m)内水压力(m)内水压力(m)内水压力(m)1N27+434.11.4724.122.702.702.702.702N27+500.01.4724.001.042.132.362.423N27+600.01.4723.790.201.922.282.364N27+669.31.4723.65-0.811.572.082.225N27+761.31.4723.47-1.591.281.942.116N27+855.91.4721.280.372.923.753.967N27+898.91.4720.311.003.654.554.788N28+121.21.4715.304.747.448.719.049N28+631.91.4683.9033.3036.9238.2038.7410供水分岔点1.4628.0685.2491.2792.3492.7611蜗壳进口0.6628.6084.1791.1492.5192.85由表4-2可知：考虑T8单机增荷工况情况下，当机组导叶采用TS 60.0s直线开启时，系统沿线各控制断面内水压力已经满足最小内水压力2.0m的要求，因此，在电站常规增荷情况下，机组导叶可采用TS =60.0s直线开启能够满足系统布置要求。类似，考虑引水系统沿线最小内水压力不低于2.0 m的控制要求，计算分析得到T7工况机组导叶直线开启时间为80s，T6双机增荷工况机组导叶直线开启时间为150s。第三节 调压阀拒动时机组导叶关闭规律分析在调压阀拒动情况下，机组导叶仍快速关闭不能满足调节保证计算要求，主要是蜗壳进口最大内水压力可能远超过允许值118.58m，此时，考虑采用慢关闭规律，以实现蜗壳进口最大内水压力不超过允许值118.58m和机组最大转速上升值不超过飞逸转速，结合控制工况T1优化选择机组导叶的慢关闭规律，计算分析结果见表4-3。表4-3 调压阀拒动时导叶关闭规律计算分析工况编号导叶关闭规律 TS：总有效时间(s)；Tm、ym：中间折点时间(s)和相对开度调压阀开启时间(s)工况T1：Hu=727.42m，Hd=625.91m3台机满负荷运行，同时甩负荷TSTmymTSV最大转速nmax(rpm)蜗壳进口Hmax(m)K110一段直线关闭规律拒动1875.05177.14K2501928.72152.94K3751935.24151.22K41001936.76150.03K52001941.06148.28由表4-3分析可得：在调压阀拒动情况下，机组导叶采用慢关闭规律，即使机组导叶关闭时间较长，机组蜗壳进口内水压力仍超过允许值118.58m，同时，机组最大转速亦接近额定转速的2倍，即在调压阀拒动的情况下，无合理的机组导叶慢关闭规律，以满足调节保证计算控制要求。第四节 调压阀启闭规律的确定在机组甩荷情况下，导叶依据选择的优化关闭规律正常关闭，调压阀依据给定的开启规律正常开启，可以通过大波动过渡过程分析，优化得到调压阀的控制规律。当机组导叶关闭以后，引水系统的过渡过程会持续一段时间而趋于稳定，待系统重新建立稳定状态(机组停机，调压阀以设定行程泄放流量)以后，可以采用一定的关闭规律关闭调压阀，同样要求控制蜗壳进口的最大内水压力不超过118.58m。实际运行中，为了减小通过调压阀泄放到下游的流量，可以考虑不经过系统趋于稳定过程，尽快关闭调压阀。由于需要选择确定的时间参量包括调压阀开启后的稳定泄流时间和调压阀的关闭时间，同时这两个时间参量存在一定的相互影响，当缩短调压阀开启后的稳定时间时，有可能引起调压阀所需要的关闭时间延长。因此，表4-4列出在给定调压阀开启后的稳定时间下，满足调节保证计算要求的调压阀关闭时间(定义为相对行程0.1至关闭的时间)，以作比较选择。表4-4 调压阀关闭时间序号调压阀关闭时刻调压阀直线关闭时间机组蜗壳进口最大内水压力110s20s124.12m210s30s116.15m310s40s112.44m410s50s110.02m515s40s112.23m由表4-4可知：由于机组甩荷4s以后，导叶关闭至空载开度，调压阀开启至运行行程为0.1的位置，而后机组导叶继续关至零开度，蜗壳进口压力开始处于单调下降(无峰值出现)并趋于稳定状态，故随着调压阀开启后的稳定泄流时间变化，在同样的调压阀关闭时间下，蜗壳进口最大内水压力基本一致且小于允许值118.58m，满足调节保证计算要求。因此，机组甩荷10.0s，即机组导叶关闭后立即采用40s的直线关闭规律关闭调压阀是合理可行的。结合上述分析可以得到机组导叶的启闭规律和调压阀的调节控制规律，见图4-3和图4-4，图中均采用相对开度表示。图4-5至图4-7给出在该控制规律下，T1工况蜗壳进口内水压力和调压阀过流量的全过程线，调压阀的压力指的是调压阀承受的上下游压差。图4-3 机组导叶启闭规律图4-4 调压阀的启闭规律图4-4说明：在机组甩荷过程中，调压阀依4.0s直线开启规律达到相对运行行程0.1后，维持该行程不变，直至10.0s末机组导叶关闭，然后，调压阀自相对运行行程0.1开始依直线关闭，关闭时间为TSV=40s。图4-5 蜗壳进口内水压力全过程线图4-6 调压阀压力的全过程线图4-7 调压阀过流量的全过程线第五章 有压输水系统过渡过程计算分析第一节 大波动过渡过程计算分析一、计算说明在机组甩荷或增荷时，引水发电系统中压力、流量和机组转速会发生明显的变化。为了切实保证蜗壳进口最大内水压力、尾水管进口最小内水压力、机组最大转速升高满足调节保证和设计要求，在采用优化的导叶关闭规律和调压阀开启规律的基础上，通过主要工况的大波动过渡过程计算，分析各工况的主要调节保证参数，以及整个引水系统沿线的水锤压力分布。二、主要工况大波动过渡过程计算和成果分析1计算条件(1) 机组导叶关闭规律：折线关闭规律TS10.0s，Tm4.0s， ym0.35；(2) 机组导叶开启规律Ts=60s(T8)/ 80s(T7)/ 150s(T6)；(3) 机组转动惯量GD2=1.06t.m2；(4) 调压阀型号为TFW-300型；(5) 调压阀的开启规律：TS V=4s直线开启，最大相对行程为0.1；(6) 调压阀的关闭规律：TS V=40s直线关闭，初始相对行程为0.1；(7) 机组增荷工况下，调压阀不动作，保持关闭状态。大波动过渡过程各计算工况的初始参数见表1-1，计算成果详见表5-1，部分控制工况的大波动过渡过程线详见图5-1图5-10，其中调压阀的压力指的是调压阀承受的上下游压力差，主分岔点指1#机支管对应的分岔点，内水压力均计算到压力管道的中心线。56表5-1 大波动过渡过程计算成果工况编号T1T2T3T4T5T6T7T8T9T10水库水位(m)727.42726.92726.82726.92726.92726.82726.82726.82727.42727.42尾水位(m)625.91625.91625.91625.91625.70625.91625.70625.91626.34625.11初始出力(MW) 853.0845.0844.0860.0860.0860.0860.0844.0846.0860.0工况说明30303020100201232330压力管道控制断面最小压力(m)0.750.250.150.471.262.012.072.112.700.74蜗壳进口初始压力(m)1#93.3992.9292.8395.5197.0098.2298.2295.1895.