水電站水力機(jī)械過渡過程仿真計(jì)算

龐 敏

(華電金沙江上游水電開發(fā)有限公司蘇洼龍分公司，四川 成都 610041)

0 引 言

動力系統(tǒng)運(yùn)行中，不可避免地會出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，并從該狀態(tài)變換到另一種穩(wěn)定狀態(tài),這種不穩(wěn)定過程即過渡過程[1-2]。水力機(jī)械過渡過程是一種復(fù)雜的非線性變化過程[3]，受到電網(wǎng)負(fù)荷、水流形態(tài)、水錘壓力等因素的影響。在此過程中，水錘壓力變化將導(dǎo)致水流沖量發(fā)生變化，進(jìn)而造成沖量變化，變化越大，對過流部件的反作用力越大，可能造成變形破裂，甚至造成重大安全事故[4]。

為保證水電站安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，應(yīng)對過渡過程進(jìn)行水力分析和計(jì)算。水力機(jī)械過渡過程主要包括大波動、小波動和水力干擾過渡過程[5]，其計(jì)算的主要目的是確定水輪機(jī)轉(zhuǎn)速上升值、引水管道及蝸殼水錘壓力上升值等參數(shù)。研究水力機(jī)械過渡過程，對水電站具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有一定指導(dǎo)意義，對電站優(yōu)化運(yùn)行也能夠提供有益的幫助，使機(jī)組運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠，因此，對水電站水力機(jī)械過渡過程進(jìn)行計(jì)算尤為必要。

本文以上崔樹里水電站為例，基于河海大學(xué)水電站水力機(jī)械過渡過程仿真計(jì)算軟件開展調(diào)節(jié)保證計(jì)算。對大波動過渡過程、小波動過渡過程、關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化、和調(diào)速器參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行計(jì)算。

1 基本資料

1.1 水頭損失計(jì)算

輸水系統(tǒng)布置圖(含進(jìn)水口、引水隧洞、壓力管道、調(diào)壓井及尾水隧洞)見圖1。根據(jù)水道資料計(jì)算各個計(jì)算點(diǎn)及管道的水頭損失系數(shù)，取重力系數(shù)g=9.81，單機(jī)流量25.5 m3/s，機(jī)組臺數(shù)兩臺，調(diào)壓井截面積113.105 m2，局部水頭損失系數(shù)Km統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 局部水頭損失系數(shù)Km統(tǒng)計(jì)

圖1 輸水系統(tǒng)布置圖

沿程水頭損失系數(shù)Kf統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 沿程水頭損失系數(shù)Kf統(tǒng)計(jì)

因此，可根據(jù)表1和表2計(jì)算出水頭損失系數(shù)k=Kf+Km，根據(jù)上述分析，調(diào)壓井入流系數(shù)為0.006 917 89，調(diào)壓井出流系數(shù)0.003 891 31，水輪機(jī)進(jìn)口到出口段不計(jì)損失，因損失已經(jīng)包含在水輪機(jī)效率中。

1.2 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪模型曲線處理

1.2.1 讀取水輪機(jī)特性曲線

首先找到模型特性曲線和飛逸特性曲線，其中飛逸特性曲線不需要進(jìn)行處理，模型特性曲線如圖2(a)，飛逸特性曲線如圖2(b)。

(a)模型特性曲線

進(jìn)入計(jì)算程序選擇建立數(shù)據(jù)文件——建立水輪機(jī)特性數(shù)據(jù)文件——從屏幕上讀取水輪機(jī)特性后，軟件即啟動專用的讀圖程序。首先輸入水輪機(jī)特性圖形文件，讀圖時(shí)定義坐標(biāo)軸，按照開度從小到大，轉(zhuǎn)速由低到高的順序逐點(diǎn)讀取，盡量選擇效率線與等開度線的交點(diǎn)。

1.2.2 處理和延長水輪機(jī)特性曲線

根據(jù)軟件的要求進(jìn)行水輪機(jī)特性曲線的延長，延伸前單位轉(zhuǎn)速元素個數(shù)為5，飛逸特性導(dǎo)葉開度個數(shù)為8，從飛逸特性曲線中查得導(dǎo)葉開度，讀取飛逸特性曲線上每個開度對應(yīng)值，延伸后導(dǎo)葉開度元素個數(shù)不超過20個，選取18個，到最大開度。延伸后單位轉(zhuǎn)速元素個數(shù)為13個，從飛逸特性曲線中查找轉(zhuǎn)速從零到最大開度對應(yīng)的轉(zhuǎn)速。處理成功后的曲線見圖3。

圖3 處理成功后的曲線

2 數(shù)據(jù)構(gòu)建

在對水電站第一次進(jìn)行水力-機(jī)械過渡過程仿真計(jì)算前，應(yīng)先建立數(shù)據(jù)文件，包括水電站水力-機(jī)械系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型數(shù)據(jù)文件、起始工況數(shù)據(jù)文件、關(guān)閉規(guī)律數(shù)據(jù)文件、動態(tài)工況組合數(shù)據(jù)文件和水輪機(jī)模型特性數(shù)據(jù)文件。

在仿真計(jì)算時(shí)，根據(jù)數(shù)學(xué)模型數(shù)據(jù)文件自動形成大波動和小波動計(jì)算數(shù)學(xué)模型。本軟件將節(jié)點(diǎn)分為十一種類型：上游節(jié)點(diǎn)、引水調(diào)壓室節(jié)點(diǎn)、引水分叉節(jié)點(diǎn)、水輪機(jī)上游側(cè)節(jié)點(diǎn)、水輪機(jī)下游側(cè)節(jié)點(diǎn)、尾水分叉節(jié)點(diǎn)、尾水調(diào)壓室節(jié)點(diǎn)、下游節(jié)點(diǎn)、管道中間節(jié)點(diǎn)、明流洞中間節(jié)點(diǎn)和管道-明流洞節(jié)點(diǎn)。建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型數(shù)據(jù)文件時(shí)，從上游節(jié)點(diǎn)開始，按實(shí)際系統(tǒng)依次輸入，直至下游節(jié)點(diǎn)。

選定每個節(jié)點(diǎn)類型，輸入節(jié)點(diǎn)高程和輸入后接管道(包括隧洞)參數(shù)，包括：ΣL/S、水力損失系數(shù)K、長度L和波速等。其中，ΣL/S為各分管段的長度/面積之和；水力損失系數(shù)K=ΔH/Q2，ΔH為流量為Q時(shí)的水頭損失。輸入數(shù)據(jù)后，確定計(jì)算步長和迭代計(jì)算的允許誤差，在給定計(jì)算步長時(shí)，得到各管段計(jì)算波速和給定波速之間的相對誤差；用戶可再次修改計(jì)算步長，直到滿意為止。最后輸入水電站水力-機(jī)械系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型數(shù)據(jù)文件名，采用水電站名的拼音縮寫為數(shù)學(xué)模型數(shù)據(jù)文件名，并賦予后綴名為“dat.”。

起始工況是指過渡過程開始前的機(jī)組工況，首先輸入水電站上游水位、下游水位和每臺機(jī)組的起始轉(zhuǎn)速、起始功率、起始導(dǎo)葉開度等參數(shù)。如起始功率不為零，起始導(dǎo)葉開度由軟件確定，輸入的起始導(dǎo)葉開度只作為軟件計(jì)算起始工況的初始值；如起始功率為零，軟件按起始開度確定起始功率。

關(guān)閉規(guī)律是機(jī)組在事故甩負(fù)荷后的關(guān)閉規(guī)律。首先選取需要的關(guān)閉規(guī)律，然后輸入數(shù)據(jù)。分段關(guān)閉規(guī)律可有兩段關(guān)閉和三段關(guān)閉，對兩段關(guān)閉規(guī)律要給出第一段關(guān)閉時(shí)間、第二段關(guān)閉時(shí)間和第一分段點(diǎn)導(dǎo)葉開度，同時(shí)應(yīng)將第三段關(guān)閉時(shí)間設(shè)為與第二段關(guān)閉時(shí)間相同，第二分段點(diǎn)導(dǎo)葉開度設(shè)為與第一分段點(diǎn)導(dǎo)葉開度相同；對三段關(guān)閉規(guī)律要給出第一段、第二段和第三段關(guān)閉時(shí)間以及兩個分段點(diǎn)的導(dǎo)葉開度。

3 仿真計(jì)算

3.1 大波動計(jì)算

大波動過渡過程計(jì)算是在給定初始工況、給定動態(tài)工況組合和給定關(guān)閉規(guī)律下的水力-機(jī)械過渡過程。

首先輸入水電站水力-機(jī)械系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型數(shù)據(jù)文件。輸入起始工況文件名。如有多臺機(jī)組，在修改完當(dāng)前機(jī)組數(shù)據(jù)后，單擊“下一臺”，軟件顯示下一臺機(jī)組的參數(shù)，用戶可進(jìn)行修改。單擊“繼續(xù)”后，輸入動態(tài)工況組合數(shù)據(jù)文件名。根據(jù)輸入的關(guān)閉規(guī)律估算機(jī)組仿真計(jì)算所需時(shí)間長度。仿真計(jì)算結(jié)束后軟件將顯示起始工況、關(guān)閉規(guī)律和計(jì)算結(jié)果。

3.2 關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化計(jì)算

關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化計(jì)算是在給定初始工況時(shí)對事故甩負(fù)荷后關(guān)閉規(guī)律進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。

首先輸入水電站水力-機(jī)械系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型數(shù)據(jù)文件名，讀入數(shù)學(xué)模型數(shù)據(jù)文件后，輸入起始工況文件名，即進(jìn)行起始工況計(jì)算，并顯示計(jì)算結(jié)果。在顯示和修改最后一臺機(jī)組的數(shù)據(jù)后，輸入關(guān)閉規(guī)律數(shù)據(jù)文件名和需要進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算的機(jī)組號，優(yōu)化計(jì)算結(jié)束后，軟件將顯示優(yōu)化計(jì)算結(jié)果。用戶在分析優(yōu)化計(jì)算結(jié)果后，軟件將對最優(yōu)關(guān)閉規(guī)律下的過渡過程進(jìn)行計(jì)算。

3.3 小波動過渡過程計(jì)算

小波動過渡過程計(jì)算是在給定初始工況和給定調(diào)速器參數(shù)時(shí)的階躍擾動或負(fù)荷擾動過渡過程。

輸入數(shù)學(xué)模型數(shù)據(jù)文件，待讀入后，再輸入起始工況文件名，即進(jìn)行起始工況計(jì)算，并顯示計(jì)算結(jié)果。

仿真計(jì)算結(jié)束后將顯示當(dāng)前機(jī)組過渡過程計(jì)算結(jié)果-調(diào)節(jié)時(shí)間和最大轉(zhuǎn)速超調(diào)量。

3.4 調(diào)速器參數(shù)優(yōu)化計(jì)算

調(diào)速器參數(shù)優(yōu)化計(jì)算是計(jì)算在給定初始工況時(shí)調(diào)速器最優(yōu)參數(shù)。

調(diào)速器參數(shù)有比例增益Kp、積分增益Ki、微分增益Kd和永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bp、空載開度和起動開度。軟件采用排列組合法進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，在選定Kd值條件下對Kp和Ki排列組合，對每一組均進(jìn)行階躍擾動過渡過程仿真計(jì)算，并求出目標(biāo)函數(shù)，按目標(biāo)函數(shù)最小求出在Kd給定時(shí)的Kp和Ki組合。軟件便在左上角顯示正在計(jì)算Kp和Ki值，計(jì)算結(jié)束后顯示給定Kd時(shí)的最優(yōu)Kp和Ki組合以及相應(yīng)目標(biāo)函數(shù)。對不同Kd值進(jìn)行上述計(jì)算，最后求出調(diào)速器參數(shù)最優(yōu)整定。軟件還計(jì)算出最優(yōu)參數(shù)時(shí)的階躍擾動過渡過程。

仿真計(jì)算時(shí)，為了便于計(jì)算文件的輸入、整理、查找，取名盡量簡單。計(jì)算機(jī)組的大波動、小波動時(shí)，時(shí)間大約取60 s內(nèi)；調(diào)壓井大波動及小波動計(jì)算時(shí)間大約取1 000 s，如果時(shí)間取得都一樣會導(dǎo)致圖形文件比例失調(diào)嚴(yán)重影響直觀觀察，則計(jì)算過程應(yīng)與水工設(shè)計(jì)進(jìn)行背靠背計(jì)算，分別核算機(jī)組及調(diào)壓井的大、小波動。

經(jīng)過計(jì)算，本電站：

(1) 機(jī)組甩負(fù)荷最大轉(zhuǎn)速升高率小于50%。

(2)機(jī)組甩負(fù)荷的蝸殼最大壓力升高率小于50%。

(3) 尾水管進(jìn)口最大真空度值小于0.08 MPa。

4 結(jié) 語

應(yīng)用水電站水力機(jī)械過渡過程仿真軟件，基于模型和數(shù)據(jù)對上崔樹里水電站大波動過渡過程、小波動過渡過程、關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化、和調(diào)速器參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行計(jì)算，有利于進(jìn)一步理解水電站過渡過程原理及軟件計(jì)算步驟和方法，在工程實(shí)際中提高應(yīng)用效率。

仿真計(jì)算結(jié)果表明，仿真軟件可靠性高，結(jié)果準(zhǔn)確，能較好地反映水電站運(yùn)行特性，符合工程應(yīng)用實(shí)際。

結(jié)合水電站數(shù)據(jù)收集和仿真計(jì)算，在電站運(yùn)行維護(hù)中能更好地了解機(jī)組動態(tài)參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)，有利于減少事故、消除隱患，增強(qiáng)了電站運(yùn)行維護(hù)工作的安全性，又提高了運(yùn)行維護(hù)人員的專業(yè)技術(shù)。