水电站调节保证计算中导叶关闭规律探讨

水电站调节保证计算中导叶关闭规律探讨
齐学义;周俊;汪玮华;周慧利;晁文雄;郑琦
【摘要】调节保证计算是水电站设计中的重要内容之一.水电站运行的过程中,为了最大限度的减少水压上升值与转速上升值,通过优化导叶折线关闭方式来解决过渡过程中水电站的运行安全问题是最经济的有效措施,而且技术上也容易实现.目前,普遍采用的两段或三段关闭规律.但是,理论上来讲,不管是两段还是三段关闭规律,都不是最优关闭规律.笔者从微积分的思想出发,提出了根据水轮机工作参数的变化实时地改变导叶关闭方式的非固定模式的导叶关闭方式,能更有效地提高水电站运行的稳定性和安全性.%The guaranty calculation of regulation is one of the important contents in the design of hydropower plant. During a hydropower operation, in order to minimize the water pressure and the hydraulic units' run-speed rising, optimizing the wicket gate closing law is the most economic way to solve the station operation security problem during the process of transient, and can be easily realized technically. At present, most hydropower plants close the wicket gate by using the closing law with two or three slopes. However, the closing law with two or three slopes that is not the best closing law. So, by the calculus way, the authors present a way that by using the unfixed wicket gate closing manner, which changes the closing law according to the turbine working parameters so as to greatly improve the units' stability and security in hydropower stations.
【期刊名称】《价值工程》
【年(卷),期】2012(031)026
【总页数】2页(P97-98)
【关键词】水轮机;折线关闭方式;调保计算;微积分
【作者】齐学义;周俊;汪玮华;周慧利;晁文雄;郑琦
【作者单位】兰州理工大学能源与动力工程学院,兰州730050;兰州理工大学能源与动力工程学院,兰州730050;兰州理工大学能源与动力工程学院,兰州730050;兰州理工大学能源与动力工程学院,兰州730050;兰州理工大学能源与动力工程学院,兰州730050;兰州理工大学能源与动力工程学院,兰州730050
【正文语种】中文
【中图分类】TV734.4
0 引言
调节保证计算是水锤和机组转速变化的计算，每个水电站在引水系统设计时都必须进行这一项重要工作，其目的是正确合理地解决导叶启闭时间、水锤压力和机组转速上升值三者之间的关系。

限制水锤压力升高和限制机组转速升高的要求往往是相互制约的，矛盾的焦点是需要找到一个合适的导叶关闭时间Ts，使转速上升和压力上升都符合设计规程的要求。

但是当水电站找不到一个合适的Ts值时，就要采取一系列调保措施来保证转速上升和压力上升都符合规程的要求。

目前一般采用的调保措施主要有改变导叶关闭规律、设置调压室或调压井、设置调压阀、设置爆破膜、增大引水管道的管径和壁厚等等。

但是，除了改变导叶关闭规律外的其他措施都需要或多或少的建设投资，而采用改变导叶关闭规律这种措施最
经济，也容易实现，运行与维护也可靠、方便。

它在各种水电站的运行中效益都较明显。

常规的导叶关闭方式是，导叶随时间做近似直线的等速关闭。

1950年苏联就提出导叶最有利关闭方式（即最优关闭方式），但在工程实施中，还有一定困难，大多是采用导叶折线关闭方式，使其尽可能接近最优关闭方式。

20世纪50年代后期，各国较多采用导叶两段直线关闭方式。

日本于上世纪60年代初期，将两段直线关闭用到调保计算中，并于1968年在国家规程中得到肯定，70年代日本开始采用
导叶三段关闭。

然而，导叶关闭规律的不同将直接影响调保计算的结果，同时也会影响水轮发电机组运行稳定性和安全性。

所以如何确定一个最优的导叶关闭规律是现代水力机组大波动过渡过程研究中的重要目标之一。

1 导叶关闭规律
调节元件的运动规律，对水压上升与转速上升值都有着决定性的影响。

调节保证计算的水锤相对压强ζ与转速变化率β除了和导叶关闭时间有关外，导
水机构的启闭规律对它们也有着重要的影响。

导水机构可通过调节保证计算选定合理的启闭规律和关闭时间，使最大水锤相对压强ζmax和最大转速变化率βmax
都控制在限定的安全值之内，这样以保证压力引水系统和机组的安全稳定运行。

当导叶关闭时，若不考虑某些情况下关闭末了时活塞运动速度的减慢，接力器活塞的运动速度不变，这种关闭规律为一段直线关闭。

但是，导叶一段直线关闭方式，对改善水轮机过渡过程品质的作用是有限的。

当机组转动惯量GD2与压力引水系统已经被确定后，如果调节保证计算仍不能满足限定值要求时，可以采用导叶分段关闭规律，如图1所示，即导叶首先以较快的速度等速关闭到某一点g，然后再以较慢的速度等速关闭至零。

先快有利于降低机组转速上升值；后慢能限制引水系统的压力上升值。

此外，只要两段关闭拐点g的所在位置和两段关闭的速度选择适
当，这种关闭方式不论对于限制转速上升，还是对于限制压力上升，都有好处。

采用导叶分段关闭规律适合于导叶关闭后期水锤压力过大的情况，在允许速率上升值的条件下，可较好地减小水锤压力升高值，而且可防止或减轻抬机现象，尤其是对于轴流式水轮机。

图1 导水机构两段直线关闭规律
2 非固定模式导叶关闭方式探讨
开度的变化规律不同，水锤压强的过程也不同。

如图2，在图2a中绘出了三种比较有代表性的关闭规律曲线，它们有相同的关闭时间；图2b绘出了与之相对应的三种水锤压强变化过程线。

从图上可以看出，关闭规律的不同对水锤压强的变化有很大的影响。

合理的关闭规律是，在一定的关闭时间情况下，在调速器的可调范围内，获得尽可能小的水压强。

图2 不同的导叶关闭规律及其水锤压强的变化情况
在导叶关闭的过渡过程中，最重要的是其最大的水锤压强；因为它直接关系到系统的安全。

从图2b中的曲线图来看，关闭规律Ⅰ相对较为合理；最不利的是关闭规律Ⅲ，其最大水锤相对压强约为关闭规律Ⅰ的三倍。

但是，关闭规律Ⅰ仍然有潜力可挖，因为它在第一个相里水锤上升值较慢，而关闭规律Ⅱ在第一个相里却较之更好，所以可以采取先用较快的速度关闭到某一个合适的时间点后然后再采取较慢的关闭速度，这样可以让最大水锤压强值更小。

也就是说，采取先快后慢点两段式关闭规律，如果g点位置选择得恰当，那么最大水锤压强值就可以变得更小。

假设不计摩阻，并忽略水体和管壁弹性变形的影响，则在调节时间Ts内，水管末端的水锤压强（以相对值表示）过程线与时间轴所包围的面积为
从上式可以看出，其面积决定于水电站的水头、水压力管道的长度和起始流速，而与关闭时间Ts无关。

关闭规律虽然不能改变由水管末端的水锤压强过程线与时间轴所包围的面积，但是在调节时间Ts一定的情况下，却决定着水锤曲线的形状，
因此也决定着水锤压强的最大值。

水锤常数σ则为调节时间Ts内水锤压强的平均值，即。

显然，合理的关闭规律是在调速器能够做到的条件下，使最大水锤压强尽可能地接近平均值。

理论上，如果能够让最大水锤压强值从关闭时间的一开始一直到关闭结束都处在水锤压强平均值上是最好的，但是，这在实际上几乎是不可能的，从目前的形式来看，最大的发展空间在导水机构关闭的初期，让最大水锤压强值
ζmax在尽可能短的时间里到达水锤压强的平均值，然后，让后面时间段的水锤压强尽可能的处于水平直线上。

3 非固定模式导叶关闭规律的实施
导叶关闭规律的实施条件取决于调速器的类型。

现代微机型调速器可利用编程板块很方便地实现导叶关闭规律的改变，只是非固定模式导叶关闭规律的时间分段Δt
可能受到调速器的限制，Δt越小，优化的效果就越好。

4 结论
现在一般的水电站都采用的是两段或者三段固定的导叶关闭方式，虽然在控制机组水力过渡过程的压力上升和转速上升方面起到了一定的作用，但是这种固定的关闭方式并不是最优的关闭方式。

如果遇到调保参数出现大的变动，还有可能破坏机组运行的稳定性和安全性。

因此，采用非固定模式导叶关闭方式来代替传统两段、三段折线关闭方式是大势所向。

水电站，特别是水头变化幅度较大的水电站，采用非固定模式导叶关闭方式不但可以较好地控制过渡过程中的压力上升和转速上升，还可以保证过渡过程中水轮发电机组运行的稳定性和安全性。

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