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前言

在水電站運(yùn)行中，從空載增至全負(fù)荷的導(dǎo)葉開(kāi)啟時(shí)間，國(guó)內(nèi)外規(guī)范有不同的規(guī)定：文獻(xiàn)[1]中對(duì)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的要求：導(dǎo)葉開(kāi)度的全行程動(dòng)作時(shí)間應(yīng)符合設(shè)計(jì)規(guī)范，一般為10～40s。國(guó)際電工技術(shù)委員會(huì)IEC(InternationalElectrotechnicalCommission)標(biāo)準(zhǔn)[2]則規(guī)定開(kāi)啟時(shí)間為20～80s，推薦值30～40s。上述規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)給出的取值范圍雖有重疊部分，但整體范圍并不一致，而導(dǎo)葉開(kāi)啟時(shí)間的取值問(wèn)題一直未進(jìn)行深入的研究。本文將結(jié)合兩機(jī)一洞常規(guī)水電站和抽水蓄能水電站兩個(gè)代表性實(shí)例，探討不同的導(dǎo)葉開(kāi)啟時(shí)間對(duì)水電站過(guò)渡過(guò)程的影響，尋找恰當(dāng)?shù)拈_(kāi)啟時(shí)間（直線(xiàn)開(kāi)啟規(guī)律），以滿(mǎn)足發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)對(duì)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的要求。

1導(dǎo)葉開(kāi)啟時(shí)間對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響

水電站過(guò)渡過(guò)程涉及到大波動(dòng)、小波動(dòng)和水力干擾過(guò)渡過(guò)程三個(gè)方面。而在小波動(dòng)過(guò)渡過(guò)程中，調(diào)速器將自動(dòng)跟蹤，機(jī)組不受導(dǎo)葉開(kāi)啟時(shí)間長(zhǎng)短的影響。因此本文僅討論導(dǎo)葉開(kāi)啟時(shí)間對(duì)大波動(dòng)和水力干擾過(guò)渡過(guò)程的影響。

1.1導(dǎo)葉開(kāi)啟時(shí)間對(duì)大波動(dòng)過(guò)渡過(guò)程的影響

在無(wú)窮大電網(wǎng)條件下，增負(fù)荷，機(jī)組轉(zhuǎn)速不變，調(diào)速器將不參與調(diào)節(jié)，所以增負(fù)荷時(shí)間的長(zhǎng)短將只對(duì)機(jī)組兩個(gè)調(diào)保參數(shù)（蝸殼末端動(dòng)水壓力、尾水管進(jìn)口斷面壓力）、管道沿程的壓力分布、調(diào)壓室涌浪水位及阻抗孔口壓差等產(chǎn)生相應(yīng)的影響。文獻(xiàn)[3]給出了粗略估算水錘壓力的計(jì)算公式：，式中、分別為壓力管道水流慣性加速時(shí)間常數(shù)和導(dǎo)葉動(dòng)作時(shí)間，、為水輪機(jī)在初始和終了時(shí)的相對(duì)流量值。由上式不難看出，在機(jī)組增負(fù)荷過(guò)程中，導(dǎo)葉開(kāi)啟越快，引起的負(fù)水錘越大，蝸殼末端的最小動(dòng)水壓力將越小，尾水管進(jìn)口的最大動(dòng)水壓力也將越來(lái)越大。另外，由于沿管線(xiàn)壓力極值通常呈線(xiàn)性分布，所以機(jī)組上游側(cè)沿線(xiàn)最小動(dòng)水壓力分布線(xiàn)的梯度和機(jī)組下游側(cè)沿線(xiàn)最大動(dòng)水壓力線(xiàn)的梯度將隨著導(dǎo)葉開(kāi)啟時(shí)間減短而越來(lái)越大。由文獻(xiàn)[4]調(diào)壓室基本方程式對(duì)時(shí)間微分（式中、分別表示引水管道及調(diào)壓室斷面積，表示管道中水流速度，為調(diào)壓室水位，為水輪機(jī)引用流量，上游調(diào)壓室取“＋”號(hào)，尾水調(diào)壓室取“－”號(hào)），可得。從該式可知，導(dǎo)葉開(kāi)啟速度的快慢（可用大小衡量）不僅影響隧洞水流慣性的變化，而且直接影響調(diào)壓室涌浪水位高低。

1.2導(dǎo)葉開(kāi)啟時(shí)間對(duì)水力干擾過(guò)渡過(guò)程的影響

在兩機(jī)一洞布置方式下，若一臺(tái)機(jī)組并入有限電網(wǎng)正常運(yùn)行，另一臺(tái)機(jī)組增負(fù)荷，該動(dòng)作機(jī)組增負(fù)荷時(shí)間的長(zhǎng)短必然對(duì)正常運(yùn)行機(jī)組的調(diào)節(jié)品質(zhì)產(chǎn)生影響。將水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)動(dòng)方程：

（1）

經(jīng)適當(dāng)變換，有：

（2）

而

（3）

所以有：

（4）

上式中，－機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣性矩，－水輪機(jī)主動(dòng)力矩和出力，－發(fā)電機(jī)阻抗力矩和出力，－機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，－水輪機(jī)工作水頭，－水輪機(jī)引用流量，－水輪機(jī)效率，－時(shí)間。

在動(dòng)作機(jī)組導(dǎo)葉開(kāi)啟過(guò)程中，由于水錘作用，水輪機(jī)進(jìn)口斷面壓力下降而出口斷面壓力上升，從而導(dǎo)致運(yùn)行機(jī)組工作水頭降低。在機(jī)組效率不變的條件下，為保證運(yùn)行機(jī)組出力不變，其引用流量必須增大，也就是說(shuō)，運(yùn)行機(jī)組導(dǎo)葉開(kāi)度將會(huì)隨著動(dòng)作機(jī)組導(dǎo)葉開(kāi)啟而加大。導(dǎo)葉開(kāi)啟時(shí)間越短，水錘作用越顯著，工作水頭降低幅度和引用流量增加的幅度也越大，因此導(dǎo)葉開(kāi)度增加的幅度越大。在水力干擾過(guò)渡過(guò)程中，如果動(dòng)作機(jī)組導(dǎo)葉開(kāi)啟太快，而此時(shí)運(yùn)行機(jī)組的開(kāi)度又接近某一限制開(kāi)度時(shí)，調(diào)速器的開(kāi)度限制機(jī)構(gòu)將發(fā)揮作用，限制導(dǎo)葉開(kāi)度不超過(guò)該限制開(kāi)度，從而限制了流量的進(jìn)一步增加。同時(shí)，發(fā)電機(jī)的阻力矩維持不變，于是式（4）不能保持平衡，右邊小于零，運(yùn)行機(jī)組的轉(zhuǎn)速未達(dá)到額定值就開(kāi)始下降，此后將以小于額定值的某一值為軸作擺動(dòng)。該差值若超過(guò)有差調(diào)節(jié)的調(diào)差率，即0～8％[5]，則難以滿(mǎn)足電網(wǎng)對(duì)調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求。

2實(shí)例

本文選取了設(shè)有尾水調(diào)壓室的常規(guī)水電站和設(shè)有上游調(diào)壓室的抽水蓄能水電站作為計(jì)算實(shí)例，兩者均為兩機(jī)一洞布置方式。為探求增負(fù)荷時(shí)間對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響，擬定增負(fù)荷時(shí)間范圍為10～100s，并以10s為間隔。

2.1常規(guī)水電站實(shí)例

該水電站額定水頭95.0m，單機(jī)引用流量900.7m3/s，額定轉(zhuǎn)速75r/min。圖1～圖4為大波動(dòng)過(guò)渡過(guò)程中各控制參數(shù)隨導(dǎo)葉開(kāi)啟時(shí)間的變化曲線(xiàn)，圖中數(shù)據(jù)點(diǎn)來(lái)源于10～100s的數(shù)值計(jì)算結(jié)果。

圖1蝸殼末端動(dòng)水壓力控制值圖2尾水管進(jìn)口壓力控制值

圖3尾水調(diào)壓室涌浪水位控制值圖4調(diào)壓室底板壓差控制值

圖1～圖4圖例說(shuō)明：

從圖中可以看出，蝸殼最大動(dòng)水壓力發(fā)生在導(dǎo)葉開(kāi)啟初始時(shí)刻，其大小等于恒定流壓力；而蝸殼最小動(dòng)水壓力則隨增負(fù)荷時(shí)間的延長(zhǎng)而增大(圖1)，極值發(fā)生時(shí)間均在附近(圖5)；且存在某一臨界增負(fù)荷時(shí)間，當(dāng)時(shí)壓力極值變化較為顯著，時(shí)壓力變化則較為平緩。結(jié)果表明：該臨界導(dǎo)葉開(kāi)啟時(shí)間為30s。盡管在增負(fù)荷工況下，尾水管進(jìn)口壓力不是過(guò)渡過(guò)程的控制值，但從圖2可知，其極值隨的變化趨勢(shì)仍然以30s為臨界值，超過(guò)60s后尾水管壓力大小幾乎不變。與此類(lèi)似，引水發(fā)電系統(tǒng)的沿線(xiàn)壓力也以30s為臨界值（圖7）。尾水調(diào)壓室最低涌浪水位以40s為臨界值，并在后最低涌浪水位與調(diào)壓室初始水位保持齊平(圖3)。這是因?yàn)殡S著的延長(zhǎng)，調(diào)壓室涌浪的第二振幅水位反而高于初始水位（見(jiàn)圖6）。最高涌浪水位則無(wú)明顯的臨界值，隨著的延長(zhǎng)而逐漸降低。調(diào)壓室阻抗孔口的向上向下最大壓差分別以30s、40s為臨界值(圖4)?？傊陨细骺刂茀?shù)的臨界值均在30～40s之間，與IEC的推薦值是一致的。

在并入有限電網(wǎng)的水力干擾過(guò)渡過(guò)程中，運(yùn)行機(jī)組有關(guān)參數(shù)變化過(guò)程見(jiàn)圖8～圖11。作為示例，圖中僅選取了＝10s、30s、50s、100s四種增負(fù)荷時(shí)間。

結(jié)果表明：在運(yùn)行機(jī)組起始開(kāi)度≥98％時(shí)，無(wú)論動(dòng)作機(jī)組導(dǎo)葉開(kāi)啟時(shí)間多長(zhǎng)，調(diào)速器參數(shù)如何整定，其轉(zhuǎn)速均不能恢復(fù)到額定轉(zhuǎn)速75r/min，而是收斂于一小于額定轉(zhuǎn)速的數(shù)值（圖8）：＝100％時(shí)，其相對(duì)差值為10.67％，大于規(guī)范規(guī)定的最大有差調(diào)差率8%；＝98％時(shí)，相對(duì)差值為2.67％，在8％以?xún)?nèi)。此時(shí)若將電網(wǎng)自調(diào)節(jié)系數(shù)由0依次增加至0.5、0.8，則前述相對(duì)差值減?。▓D9）。而當(dāng)起始開(kāi)度減小到97％時(shí)，運(yùn)行機(jī)組轉(zhuǎn)速均能收斂到額定轉(zhuǎn)速。上述結(jié)果表明水力干擾過(guò)渡過(guò)程中運(yùn)行機(jī)組存在最大臨界初始開(kāi)度，即。

另外，隨著開(kāi)啟時(shí)間的延長(zhǎng)，運(yùn)行機(jī)組出力變化幅度減小，振蕩周期略有增加（圖10）。與并入大網(wǎng)的水力干擾（圖11）相比，并入小網(wǎng)運(yùn)行機(jī)組的出力變化幅度較大而且衰減較慢。

圖5蝸殼末端動(dòng)水壓力變化曲線(xiàn)簇圖6調(diào)壓室涌浪水位變化曲線(xiàn)簇

圖7引水發(fā)電系統(tǒng)沿線(xiàn)壓力曲線(xiàn)簇

圖8運(yùn)行機(jī)組轉(zhuǎn)速變化曲線(xiàn)簇圖9運(yùn)行機(jī)組轉(zhuǎn)速變化曲線(xiàn)簇

圖10運(yùn)行機(jī)組出力變化曲線(xiàn)簇(并小網(wǎng))圖11運(yùn)行機(jī)組出力變化曲線(xiàn)簇(并大網(wǎng))

2.2抽水蓄能水電站算例

該水電站額定水頭195.0m，單機(jī)引用流量185.46m3/s，額定轉(zhuǎn)速250r/min。大波動(dòng)計(jì)算結(jié)果表明，蝸殼末端的壓力極值變化規(guī)律與前述的常規(guī)水電站一致：蝸殼最大動(dòng)水壓力發(fā)生在導(dǎo)葉開(kāi)啟初始時(shí)刻，最小動(dòng)水壓力則隨增負(fù)荷時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，極值的發(fā)生時(shí)間均在附近，略有不同的是臨界時(shí)間提前到20s左右。隨導(dǎo)葉開(kāi)啟時(shí)間的增加，尾水管進(jìn)口壓力的變化趨勢(shì)是先顯著后平緩，臨界時(shí)間在40s左右。與常規(guī)水電站類(lèi)似，引水發(fā)電系統(tǒng)的沿線(xiàn)壓力也以30s為臨界值。上游調(diào)壓室最高涌浪為初始值，這是因?yàn)樵鲐?fù)荷在調(diào)壓室產(chǎn)生的第二振幅低于恒定水位，最低涌浪隨增荷時(shí)間的增加呈現(xiàn)的規(guī)律是先減小后增加，臨界時(shí)間在40s左右?？偟膩?lái)說(shuō)，以上大波動(dòng)控制參數(shù)的臨界值也在30～40s之間，與IEC的推薦值是一致的。

對(duì)于同一抽水蓄能電站，正常運(yùn)行機(jī)組分別采用不同的導(dǎo)葉初始開(kāi)度，作為示例僅選取了97.4%、90%、88%三種初始開(kāi)度值，在不同的增荷時(shí)間下（10s、30s、50s、100s）得到一系列轉(zhuǎn)速和出力變化曲線(xiàn)。與前述常規(guī)水電站一樣，只有當(dāng)運(yùn)行機(jī)組初始開(kāi)度小于等于88%時(shí)，其轉(zhuǎn)速才能恢復(fù)到額定轉(zhuǎn)速250r/min；大于此開(kāi)度值時(shí)，無(wú)論將導(dǎo)葉開(kāi)啟時(shí)間延長(zhǎng)多久都不能使運(yùn)行機(jī)組轉(zhuǎn)速?lài)@額定轉(zhuǎn)速波動(dòng)：＝97.4％時(shí)，與額定轉(zhuǎn)速相對(duì)差值為2.28％；＝90％時(shí)，為0.52％，均在8％以?xún)?nèi)。增大時(shí)，轉(zhuǎn)速相對(duì)差值也有減小的趨勢(shì)。運(yùn)行機(jī)組轉(zhuǎn)速及出力變化規(guī)律與常規(guī)水電站一致，在此不一一贅述。

3結(jié)語(yǔ)

結(jié)合理論推導(dǎo)和計(jì)算實(shí)例，探討了導(dǎo)葉開(kāi)啟時(shí)間對(duì)水電站過(guò)渡過(guò)程的影響。對(duì)大波動(dòng)而言，主要是蝸殼末端最小動(dòng)水壓力、上游管道最小壓力沿線(xiàn)分布、下游管道最大壓力沿線(xiàn)分布以及調(diào)壓室阻抗孔口壓差對(duì)導(dǎo)葉開(kāi)啟時(shí)間較為敏感，但可以找到某一臨界時(shí)間，使調(diào)保參數(shù)及上述控制值在合理范圍以?xún)?nèi)，同時(shí)也驗(yàn)證了IEC推薦的增負(fù)荷時(shí)間30～40s是合理的。對(duì)并入小網(wǎng)的水力干擾過(guò)渡過(guò)程而言，若運(yùn)行機(jī)組初始導(dǎo)葉開(kāi)度接近限制開(kāi)度時(shí)，無(wú)論將增負(fù)荷時(shí)間延長(zhǎng)多久都不能使運(yùn)行機(jī)組轉(zhuǎn)速?lài)@額定轉(zhuǎn)速波動(dòng)，此時(shí)與額定轉(zhuǎn)速相對(duì)差值有可能超過(guò)有差調(diào)節(jié)最大調(diào)差率的允許值8％，會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生一定的沖擊。因此需要將運(yùn)行機(jī)組最大初始開(kāi)度限制在最大臨界開(kāi)度之內(nèi)，該開(kāi)度為運(yùn)行機(jī)組轉(zhuǎn)速收斂于額定轉(zhuǎn)速的最大初始開(kāi)度，以滿(mǎn)足發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)對(duì)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的要求。

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