导叶开启时间对水电站过渡过程的影响

1、导叶开启时间对水电站过渡过程的影响来源：中国论文下载中心     06-02-17 15:29:00     作者：王丹 杨建东 高志芹    编辑：studa9ngns 摘要：针对国内外规范对导叶开启时间的不同规定，结合理论推导和数值计算实例，分析了不同的导叶开启时间对水电站过渡过程的影响。实例研究结果表明，大波动过渡过程中的蜗壳动水压力、沿管道轴线的压力分布以及调压室阻抗孔口压差等参数均随导叶开启时间变化而变化。通过研究得到如下结论：国际电工技术委员会标准推荐的增负荷时间

2、3040s是合理的；在并入小网的水力干扰过渡过程中，需要将运行机组最大初始开度限制在最大临界开度之内，才能保证运行机组转速收敛于额定转速，以满足发电机和电网对调节系统的要求。 关键词：过渡过程 导叶开启时间 数值计算 临界时间 前言在水电站运行中，从空载增至全负荷的导叶开启时间，国内外规范有不同的规定：文献1中对调节系统的要求：导叶开度的全行程动作时间应符合设计规范，一般为1040s。国际电工技术委员会IEC(International Electrotechnical Commission)标准2则规定开启时间为2080s，推荐值3040s。上述规程标准给出的取值范围虽有重叠部分，但整体范围

3、并不一致，而导叶开启时间的取值问题一直未进行深入的研究。本文将结合两机一洞常规水电站和抽水蓄能水电站两个代表性实例，探讨不同的导叶开启时间对水电站过渡过程的影响，寻找恰当的开启时间（直线开启规律），以满足发电机和电网对调节系统的要求。1导叶开启时间对过渡过程的影响水电站过渡过程涉及到大波动、小波动和水力干扰过渡过程三个方面。而在小波动过渡过程中，调速器将自动跟踪，机组不受导叶开启时间长短的影响。因此本文仅讨论导叶开启时间对大波动和水力干扰过渡过程的影响。1.1导叶开启时间对大波动过渡过程的影响在无穷大电网条件下，增负荷，机组转速不变，调速器将不参与调节，所以增负荷时间的长短将只对机组两个调保参

4、数（蜗壳末端动水压力、尾水管进口断面压力）、管道沿程的压力分布、调压室涌浪水位及阻抗孔口压差等产生相应的影响。文献3给出了粗略估算水锤压力的计算公式：，式中、分别为压力管道水流惯性加速时间常数和导叶动作时间，、为水轮机在初始和终了时的相对流量值。由上式不难看出，在机组增负荷过程中，导叶开启越快，引起的负水锤越大，蜗壳末端的最小动水压力将越小，尾水管进口的最大动水压力也将越来越大。另外，由于沿管线压力极值通常呈线性分布，所以机组上游侧沿线最小动水压力分布线的梯度和机组下游侧沿线最大动水压力线的梯度将随着导叶开启时间减短而越来越大。由文献4调压室基本方程式对时间微分（式中、分别表示引水管道及调压室

5、断面积，表示管道中水流速度，为调压室水位，为水轮机引用流量，上游调压室取“”号，尾水调压室取“”号），可得。从该式可知，导叶开启速度的快慢（可用大小衡量）不仅影响隧洞水流惯性的变化，而且直接影响调压室涌浪水位高低。1.2导叶开启时间对水力干扰过渡过程的影响在两机一洞布置方式下，若一台机组并入有限电网正常运行，另一台机组增负荷，该动作机组增负荷时间的长短必然对正常运行机组的调节品质产生影响。将水轮发电机组的运动方程：               &

6、#160;      （1）经适当变换，有：                     （2）而                     &#

7、160;    （3）所以有：                （4）上式中，机组转动惯性矩，水轮机主动力矩和出力，发电机阻抗力矩和出力，机组转动角速度，水轮机工作水头，水轮机引用流量，水轮机效率，时间。在动作机组导叶开启过程中，由于水锤作用，水轮机进口断面压力下降而出口断面压力上升，从而导致运行机组工作水头降低。在机组效率不变的条件下，为保证运行机组出力不变，其引用流量必须增大，也就是说，运行机组导叶开度将会随着动作

8、机组导叶开启而加大。导叶开启时间越短，水锤作用越显著，工作水头降低幅度和引用流量增加的幅度也越大，因此导叶开度增加的幅度越大。在水力干扰过渡过程中，如果动作机组导叶开启太快，而此时运行机组的开度又接近某一限制开度时，调速器的开度限制机构将发挥作用，限制导叶开度不超过该限制开度，从而限制了流量的进一步增加。同时，发电机的阻力矩维持不变，于是式（4）不能保持平衡，右边小于零，运行机组的转速未达到额定值就开始下降，此后将以小于额定值的某一值为轴作摆动。该差值若超过有差调节的调差率，即085，则难以满足电网对调节系统稳定性的要求。 2实例本文选取了设有尾水调压室的常规水电站和设有上游调压室的

9、抽水蓄能水电站作为计算实例，两者均为两机一洞布置方式。为探求增负荷时间对过渡过程的影响，拟定增负荷时间范围为10100s，并以10s为间隔。2.1常规水电站实例该水电站额定水头95.0m，单机引用流量900.7m3/s，额定转速75r/min。图1图4为大波动过渡过程中各控制参数随导叶开启时间的变化曲线，图中数据点来源于10100s的数值计算结果。图1蜗壳末端动水压力控制值                  

10、0;         图2 尾水管进口压力控制值   图3尾水调压室涌浪水位控制值                          图4调压室底板压差控制值图1图4图例说明：从图中可以看出，蜗壳最大动水压力发生在导叶开启初始时刻，其大小等于恒定流压

11、力；而蜗壳最小动水压力则随增负荷时间的延长而增大(图1)，极值发生时间均在附近(图5)；且存在某一临界增负荷时间，当时压力极值变化较为显著，时压力变化则较为平缓。结果表明：该临界导叶开启时间为30s。尽管在增负荷工况下，尾水管进口压力不是过渡过程的控制值，但从图2可知，其极值随的变化趋势仍然以30s为临界值，超过60s后尾水管压力大小几乎不变。与此类似，引水发电系统的沿线压力也以30s为临界值（图7）。尾水调压室最低涌浪水位以40s为临界值，并在后最低涌浪水位与调压室初始水位保持齐平(图3)。这是因为随着的延长，调压室涌浪的第二振幅水位反而高于初始水位（见图6）。最高涌浪水位则无明显的临界值，

12、随着的延长而逐渐降低。调压室阻抗孔口的向上向下最大压差分别以30s、40s为临界值(图4)。总之，以上各控制参数的临界值均在3040s之间，与IEC的推荐值是一致的。在并入有限电网的水力干扰过渡过程中，运行机组有关参数变化过程见图8图11。作为示例，图中仅选取了10s、30s、50s、100s四种增负荷时间。结果表明：在运行机组起始开度98时，无论动作机组导叶开启时间多长，调速器参数如何整定，其转速均不能恢复到额定转速75r/min，而是收敛于一小于额定转速的数值（图8）：100时，其相对差值为10.67，大于规范规定的最大有差调差率8%；98时，相对差值为2.67，在8以内。此时若将电网自调

13、节系数由0依次增加至0.5、0.8，则前述相对差值减小（图9）。而当起始开度减小到97时，运行机组转速均能收敛到额定转速。上述结果表明水力干扰过渡过程中运行机组存在最大临界初始开度，即。另外，随着开启时间的延长，运行机组出力变化幅度减小，振荡周期略有增加（图10）。与并入大网的水力干扰（图11）相比，并入小网运行机组的出力变化幅度较大而且衰减较慢。图5 蜗壳末端动水压力变化曲线簇                  &

14、#160;    图6 调压室涌浪水位变化曲线簇图7 引水发电系统沿线压力曲线簇图8运行机组转速变化曲线簇                       图9运行机组转速变化曲线簇图10 运行机组出力变化曲线簇(并小网)            

15、;    图11运行机组出力变化曲线簇(并大网)2.2抽水蓄能水电站算例该水电站额定水头195.0m，单机引用流量185.46m3/s，额定转速250r/min。大波动计算结果表明，蜗壳末端的压力极值变化规律与前述的常规水电站一致：蜗壳最大动水压力发生在导叶开启初始时刻，最小动水压力则随增负荷时间的延长而增大，极值的发生时间均在附近，略有不同的是临界时间提前到20s左右。随导叶开启时间的增加，尾水管进口压力的变化趋势是先显著后平缓，临界时间在40s左右。与常规水电站类似，引水发电系统的沿线压力也以30s为临界值。上游调压室最高涌浪为初始值，这是因为增负荷

16、在调压室产生的第二振幅低于恒定水位，最低涌浪随增荷时间的增加呈现的规律是先减小后增加，临界时间在40s左右。总的来说，以上大波动控制参数的临界值也在3040s之间，与IEC的推荐值是一致的。对于同一抽水蓄能电站，正常运行机组分别采用不同的导叶初始开度，作为示例仅选取了97.4%、90%、88%三种初始开度值，在不同的增荷时间下（10s、30s、50s、100s）得到一系列转速和出力变化曲线。与前述常规水电站一样，只有当运行机组初始开度小于等于88%时，其转速才能恢复到额定转速250r/min；大于此开度值时，无论将导叶开启时间延长多久都不能使运行机组转速围绕额定转速波动：97.4时，与额定转速

17、相对差值为2.28；90时，为0.52，均在8以内。增大时，转速相对差值也有减小的趋势。运行机组转速及出力变化规律与常规水电站一致，在此不一一赘述。3结语结合理论推导和计算实例，探讨了导叶开启时间对水电站过渡过程的影响。对大波动而言，主要是蜗壳末端最小动水压力、上游管道最小压力沿线分布、下游管道最大压力沿线分布以及调压室阻抗孔口压差对导叶开启时间较为敏感，但可以找到某一临界时间，使调保参数及上述控制值在合理范围以内，同时也验证了IEC推荐的增负荷时间3040s是合理的。对并入小网的水力干扰过渡过程而言，若运行机组初始导叶开度接近限制开度时，无论将增负荷时间延长多久都不能使运行机组转速围绕额定转

18、速波动，此时与额定转速相对差值有可能超过有差调节最大调差率的允许值8，会对电网产生一定的冲击。因此需要将运行机组最大初始开度限制在最大临界开度之内，该开度为运行机组转速收敛于额定转速的最大初始开度，以满足发电机和电网对调节系统的要求。 数字阀PCC可编程智能调速器在漾头水电站的应用来源：中国论文下载中心     06-02-19 16:20:00     作者：刘忠良 米建国 王仲    编辑：studa9ngns 摘要：数字阀PCC可编程智能调速器是国家科技部创新

19、基金支持项目，电气部分以PCC可编程计算机控制器为核心，软件采用高级语言；电气液压转换部件采用电磁球阀，机械放大元件采用二通插装阀，采用无杠杆，无明管路结构。实际应用结果表明，该型调速器调试简单，维护方便，具有先进的技术性能和高可靠性。 关键词：智能调速器 PCC 数字阀 电磁球阀 插装阀  1前言 漾头水电站位于贵州省铜仁市附近，装机容量为2 X 8000KW，水轮机为轴流转桨式，设计水头为18M。原调速器为某厂生产的模拟电液调速器，机械控制部分采用电液转换器，二级放大部分采用主配压阀，接力器与主配压阀开环无反馈；在电气上采用模拟电子调节器，抗干扰性能差；自动运行时，常误动作。自投

20、入运行以来，随着长时间的运行，机械的磨损，电气分立元件的老化严重地影响机组的安全运行。原调速器存在的主要问题是：1)   抗卡阻效果差。调速器对油质要求较高，常卡阻，不能保证长期自动运行。2)   运行操作不方便。由于机械磨损主配压阀渗漏造成接力器漂移，且手动运行时无反馈，运行人员总要不断的调整，劳动强度较大。 3)   抗干扰能力差。任何电磁干扰都可能造成调速器误动作。4)   检修维护不方便。调整环节太多，每次检修后，仅调整各个节流阀就需要几天时间。2改造方案 针对漾头水电站的具体情况，拟定如下改造方案：方案一

21、. 用ZFST100型数字阀PCC可编程智能调速器整机替换原调速器。采用机电合柜形式。方案二.保留原调速器主配压阀，去掉原调速器中除主配压阀以外的其他部分，采用步进电机替代电液转换器，采用PCC可编程智能调节器替换原电子调节器。模拟采用机电合柜形式。由于主配压阀的结构形式为滑阀，主配压阀活塞与衬套之间的间隙所造成的渗漏就不可避免，为了减少主配压阀活塞与衬套之间的渗漏，就要在主配压阀活塞阀盘与衬套与窗口之间加大搭叠量，而搭叠量加大了调速器机械死区。由于主配压阀活塞与衬套之间的间隙所造成的渗漏不可避免，因此在手动运行时就需要机械反馈来补偿，否则，接力器就要漂移。由于漾头水电站原调速系统没有采用机械

22、反馈。因此，在设备改造时，必须采用无钢丝绳反馈（或杠杆反馈）结构，只采用电气反馈。如采用方案二即保留原调速器主配压阀，手动运行时溜负荷。由于溜负荷，增加了运行人员的劳动强度。而采用方案一数字阀调速器则能解决这一难题。综上所述采用方案一最为理想。为了适应机组安全稳定运行要求，实现水电站“无人值班”（少人值守），铜仁市地方电力公司漾头水电站经过调查研究，选用天津市科音自控设备有限公司研制的新一代调速器：ZFST-100型数字阀PCC可编程智能调速器，对原调速器进行了整机更换改造，率先实现了在轴流转浆式水轮发电机组上应用数字阀+可编程计算机控制器的智能调速器。3数字阀PCC可编程智能调速器结合水轮机

23、调速器的特殊性，ZFST-100型数字阀PCC可编程智能调速器，选用不同于常规PLC的新一代可编程控制产品PCC，即从贝加莱公司（B&R）进口的可编程计算机控制器B&R2003。它面向自动化过程，而不是面向继电器逻辑电路仿真，这就是B&R2003的理念。PCC代表着一个全新的控制概念，它集成了可编程逻辑控制器(PLC)的标准控制功能和工业计算机的分时多任务操作系统功能。它能方便地处理开关量，模拟量，进行回路调节。并能用高级语言编程，具备大型机的分析运算能力。其硬件具有独特新颖的插拔式模块结构，可使系统得到灵活多样的扩展和组合。软件也具备模块结构，系统扩展时只需在原有基础

24、上叠加运用软件模块。CPU运行效率高，用户存储器容量大。这些优越性都为智能式水轮机调速器提供了强有力的资源保证。在电气机械转换方面，采用电磁球阀替代电液转换器；在放大级采用二通插装阀替代主配压阀。调速器从总体上降低了对油质的要求，从根本上避免了电液转换器发卡的弊病。由于数字阀技术是采用高速电磁球阀为先导阀，以二通插装阀为主阀，而且插装阀的密封形式为锥阀，因此数字阀又具有液压锁的功能，有效地避免了接力器的漂移，因此主接力器无需机械反馈。所以数字阀调速器在漾头水电站的应用，可以以最小的改动，达到整机改造的目的。由于该系统的先导电磁球阀又具有手动阀及事故阀的功能，减化了调速器内部结构，从结构上减化了

25、整个调速系统。所以该型调速器实现了真正意义上的无杠杆，无管路；在结构上采用集成块的形式，外形简洁明快，可靠性极高，性能优良。由于无需机械反馈，该型调速器在机组的布置上可不受任何限制，厂房整齐，美观。 3.1 主要特点1) 全新的控制理念。采用不同于常规PLC的新一代可编程计算机控制器-PCC，面向控制过程，能采用高级语言，分析运算能力强，在同一CPU中能同时运行不同程序。程序运行时仅扫描部分程序，效率很高。2) 全PCC化，具有极高的可靠性。从输入到输出,从测频到控制脉冲等各环节均实现了PCC化。PCC的平均无故障时间MTBF高达50万小时，即57年。常规PLC的平均无故障时间MTBF为30万

26、小时。3）多任务的优点。在传统PLC中，并行处理是靠程序扫描来完成的。但事实上多任务才是并行处理的逻辑表达式，更简单直接的方法就是采用多任务技术。PCC恰恰可以满足这种需求，当某一任务在等待时，其他任务仍可继续执行，非其他常规PLC可以比拟。 4）智能型调速器。采用自适应式变结构，变参数并联PID调节。自动识别电网的性质，并自动适应电站的各种特殊运行方式，如孤网运行，及由大电网解列为小电网运行的突变负荷等特殊情况，均可保证机组稳定运行。人性化设计，具有很强的自诊断、防错、纠错及容错功能。5）采用PCC高速计数模块(HSC)测频。PCC高达6.3MHz的计数频率，具有很高的测频精度和可靠性，从而

27、使调速器的输入通道测频环节的可靠性有了根本的保证。6）由PCC实现信号综合及控制脉冲的输出。调节器的电气开度（数字信号），和转换为数字信号的接力器实际位移由PCC内部进行综合比较，输出控制脉冲信号，经功率放大后，直接驱动先导电磁阀。充分发挥了PCC多任务的功能。7）联网方便。具有RS232或RS485通讯接口，可以方便地实现人机对话，及与上位机通讯，提高电站的自动化水平。8）调节模式灵活。可实现频率调节，开度调节，功率调节，并可实现调节模式间的无扰动切换。9）PCC的大内存，为智能型调速器提供了资源保证。用户内存：1.5 MB FLASH PROM，远大于常规 PLC 10KB左右的内存。10

28、) 采用电磁球阀做为电液转换元件。彻底解决了常规调速器电液转换元件油污发卡的问题，使电站可以实现完全可靠的自动运行。11) 可以适应电站的各种特殊运行方式。如孤网运行，及由大电网解列为小电网运行的突变负荷等特殊情况，均可保证机组稳定运行。12) 具有故障锁锭的功能。由于数字阀只有通/断两个状态，且数字阀采用锥阀密封可以保证在31.5MPa下无泄漏，所以，数字阀又具有液压锁的功能，因此该系列调速器在测频信号消失及断电等情况下，具有故障锁锭的功能。13) 无杠杆结构。该系列调速器采用了数字阀液压随动系统，自动时有电气返馈，手动无需反馈，因此取消了杠杆，消除了因为杠杆造成的死区，提高了调速系统的精度

29、，而且无管路，结构简单，美观。14) 友好的人机界面。采用触摸屏做为人机界面，画面美观逼真，全中文显示，操作方便，可以同时显示很多信息。15) 维护简单调试方便。由于PCC的高度集成化和高可靠性，对于运行维护人员没有太高的特殊要求，调试只需设定有关数字，没有太多的电位器等可rhah调元件。16) 采用数字协联方式。 桨叶随动系统准确度高。17) 零扰动手/自动 切换。由于自动运行时，电磁球阀每次动作后都处于失电状态；而切断电源即为手动运行。手动运行时，电子调节器跟踪接力器的实际开度。因此数字阀调速器实现了零扰动手/自动切换转32 主要功能ZFST-100型数字阀PCC可编程智能调速器具有自动、

30、电手动、手动三种操作方式，且可无条件无扰动切换。具有很多功能，实用性智能性很强，除常规功能外具有如下主要功能。1）空载运行时，能自动跟踪系统频率,实现快速并网。2）具有频率调节、开度调节、功率调节三种模式，并可实现调节模式间的无扰动切换。功率调节模式下，可接受上位机控制指令，实现发电自动控制功能(AGC)。3）具有很强的自诊断、防错、纠错及容错功能，并可将有关故障信息显示在屏幕上，或发出报警信号。4）与上位机通讯的功能，接受上位机的控制命令，给上位机传送有关信息。 5）开停机智能控制。6）具有参数记忆功能。当电源失电时，PCC可保存数据存储器的内容，使运行人员可以方便地修改有关参数并被记忆。7

31、）具有水位调节功能。8）多级密码保护功能。持有密码级别的高低，决定了对系统行使权利的大小。运行人员只能观察到常规显示画面并进行常规操作，检修人员或管理人员可对调节参数等进行修改。9) 采用交直流双重供电，当交流电源故障时，直流电源自动投入，直流电源故障时，保持当前开度不变。10) 空载运行，当机频信号消失时，自动将开度保持在空载开度以下，以防过速。并网运行，当机频信号消失时，自动切换为网频测量回路，保持正常发电运行，同时发出机频故障信号。3.3 调速器工作过程数字阀PCC智能调速器的结构框图如图1所示。调速器自动运行时，接收到开机令后，按照预先设定好的开机规律开机。当网频测量正常时，调速器自动选择频率调节模式， PCC按照机频与网频的差值进行PID运算，为实现快速并网作好准备；当网频测量故障时，自动切换为开度调节模式，PCC按照机频与频率给定的差值进行PID运算。PCC根据电气开度和实际开度的差值输出脉宽调制（PWM）信号，经功率放大后驱动电磁球阀，调节导叶开度，使机组自动运行于空载工况。并网后，如为并大电网运行，自动切换为开度调节模式