导叶开启时间对水电站过渡过程的影响(1)解析

导叶开启时间对水电站过渡过程的影响(1)

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30～40s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10～40s。国际电工技术委员会iec(international electrotechnical commission)标准[2]则规定开启时间为20～80s，推荐值30～40s。上述规程标准给出的取值范围虽有重叠部分，但整体范围并不一致，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：

（1）

经适当变换，有：

（2）

而

（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0～8％[5]，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10～100s，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10～100s的数值计算结果。

图1蜗壳末端动水压力控制值

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，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30～40s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

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)

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30～40s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：