水輪發電機組大波動過渡過程計算模擬仿真研究

余國鋒　王煜　葉文波

摘要： 針對云南某水電站，在優化導葉關閉規律的基礎上，對兩臺水輪發電機組在額定水頭、額定出力、全部甩負荷運行時的大波動過渡過程進行了計算.通過建立數學模型，采用特征線法，運用Matlab/Simulink軟件對機組大波動過渡過程進行了模擬仿真，計算結果基本是可行的.研究為該水電站安全穩定運行提供了參考，同時為同類型電站在設計施工時計算大波動過渡過程提供了依據.

關鍵詞：

水輪發電機組； 大波動； 仿真

中圖分類號： TV 136文獻標志碼： A

水輪發電機組大波動過渡過程的計算是指結合水利—機械系統布置優化以及調壓室的設置分析和體型優化，在優化機組導葉關閉規律和機組轉動慣量基礎上，采用特征線法，進行水利—機械系統整體布置的合理性和強度評價.主要內容包括：機組在各種正常工況和組合工況下，蝸殼進口處最大內水壓力﹑尾水管進口處最小內水壓力（尾水管真空度）和機組最大轉速上升值，以及相應的過渡過程曲線[1].

機組突然甩去或增加全部負荷時的大波動過渡過程是對水電站水輪發電機組安全運行最大的威脅.在甩負荷過程中導葉迅速關閉，導致引水系統中將產生較大的水錘壓力，同時因發電機負荷減至零，較大的水流力矩使機組轉速上升，此時水壓和轉速的過大變化將威脅機組和水工建筑物的安全，同時會因系統可能存在的不穩定性問題而引起系統的震蕩.本文研究的云南省某水電站采用的是壩后式的開發方式，2臺混流式水輪發電機組，型號為HLA551-LJ-265.對2臺機組在額定水頭和額定出力全部甩負荷時的大波動過渡過程進行計算，分析蝸殼進口處最大內水壓力、尾水管進口處最小內水壓力（尾水管真空度）和機組最大轉速上升值等.

1計算方法

本文采用特征線法，該方法是目前求解管道系統水利瞬變最常用的的數值計算方法，其優點為：可建立穩定性準則；邊界條件易編成程序，可處理復雜系統；適用于各種管道水利瞬變分析.

2大波動過渡過程的計算

2.1工程概況

本文研究的水電站布置結構如圖3所示.其上游引水系統由進水口、引水隧洞和壓力管道組成.采用一管二機Y型分岔方式供水，水庫水位為1 461.80 m，尾水位為1 425.4 m，水輪機額定水頭為30.0 m，額定流量為44.97 m3·s-1，額定轉速為166.7 r·min-1，額定出力為12.5 MW，機組飛逸轉速為335.6 r·min-1，機組轉動慣量為1 000 N·m2[3].選擇合適的調壓閥，其位置設在蝸殼進口處的前端.要求機組在任何工況甩負荷時，鋼管允許的最大壓力為100 m水頭；蝸殼允許的最大壓力≤50 m水頭；機組轉速上升值≤55%nr，nr為額定轉速；尾水管進口最大真空度不得大于8 m水柱.

2.2計算結果分析

導葉開啟規律采用直線開啟，單機增加負荷時總時間為20 s，雙機增加負荷時為52 s；導葉采用直線關閉規律，總時間為13 s；調壓閥采用直線開啟，總時間為13 s[4].當兩臺機組在額定轉速、額定水頭、額定出力運行時同時甩負荷，大波動過渡過程的主要參數變化如圖4所示.

由圖4分析可知，兩臺機組額定水頭、額定出力運行，并同時甩負荷，導葉正常關閉，調壓閥正常開啟至設計相對行程0.75，有：

（1） 蝸殼進口最大內水壓力為47.81 m水頭，小于允許值50.0 m水頭.

（2） 機組最大轉速為247.97 r·min-1，小于允許值258.4 r·min-1.

（3） 尾水管進口的最大內水壓力為-1.67 m水頭，滿足真空度小于8 m水柱的要求，并且余度很大.

（4） 調壓閥出現的最大壓力為44.08 m水頭，小于允許值60 m水頭，且余度較大[5]

3結語

大波動過渡過程的計算分析是檢驗和校核已建或新建水電站的合理布置和設計可靠性的重要手段，可對水電站的設計方案進行合理有效的評估，同時為水電站的設計和運行提供可靠的依據.本文對云南某水電站大波動過渡過程進行計算，計算結果可為電站的運行提供參考.但是模擬的結果和實際運行情況有所不同，對水電站中大波動過渡過程還要結合水電站的具體情況進行分析，以確保電站安全穩定運行.

參考文獻：

[1]鄭源，張健.水力機組的過渡過程[M].北京：北京大學出版社，2008.

[2]常近時.水力機械過渡過程[M].北京：機械工業出版社，1991.

[3]樊紅剛，陳乃祥，孔慶蓉，等.沖擊式水電站過渡過程數值模擬[J].水力發電學報，2007，26（2）：133-136.

[4]王丹，楊建東，高志芹.導葉開啟時間對水電站過渡過程的影響[J].水力學報，2005，36（1）：73-75.

[5]楊雷，王子成. 云南萬家口子水電站工程水力過渡過程的計算分析[J].吉林水力，2008（S1）：76-79.

摘要： 針對云南某水電站，在優化導葉關閉規律的基礎上，對兩臺水輪發電機組在額定水頭、額定出力、全部甩負荷運行時的大波動過渡過程進行了計算.通過建立數學模型，采用特征線法，運用Matlab/Simulink軟件對機組大波動過渡過程進行了模擬仿真，計算結果基本是可行的.研究為該水電站安全穩定運行提供了參考，同時為同類型電站在設計施工時計算大波動過渡過程提供了依據.

關鍵詞：

水輪發電機組； 大波動； 仿真

中圖分類號： TV 136文獻標志碼： A

水輪發電機組大波動過渡過程的計算是指結合水利—機械系統布置優化以及調壓室的設置分析和體型優化，在優化機組導葉關閉規律和機組轉動慣量基礎上，采用特征線法，進行水利—機械系統整體布置的合理性和強度評價.主要內容包括：機組在各種正常工況和組合工況下，蝸殼進口處最大內水壓力﹑尾水管進口處最小內水壓力（尾水管真空度）和機組最大轉速上升值，以及相應的過渡過程曲線[1].

機組突然甩去或增加全部負荷時的大波動過渡過程是對水電站水輪發電機組安全運行最大的威脅.在甩負荷過程中導葉迅速關閉，導致引水系統中將產生較大的水錘壓力，同時因發電機負荷減至零，較大的水流力矩使機組轉速上升，此時水壓和轉速的過大變化將威脅機組和水工建筑物的安全，同時會因系統可能存在的不穩定性問題而引起系統的震蕩.本文研究的云南省某水電站采用的是壩后式的開發方式，2臺混流式水輪發電機組，型號為HLA551-LJ-265.對2臺機組在額定水頭和額定出力全部甩負荷時的大波動過渡過程進行計算，分析蝸殼進口處最大內水壓力、尾水管進口處最小內水壓力（尾水管真空度）和機組最大轉速上升值等.

1計算方法

本文采用特征線法，該方法是目前求解管道系統水利瞬變最常用的的數值計算方法，其優點為：可建立穩定性準則；邊界條件易編成程序，可處理復雜系統；適用于各種管道水利瞬變分析.

2大波動過渡過程的計算

2.1工程概況

本文研究的水電站布置結構如圖3所示.其上游引水系統由進水口、引水隧洞和壓力管道組成.采用一管二機Y型分岔方式供水，水庫水位為1 461.80 m，尾水位為1 425.4 m，水輪機額定水頭為30.0 m，額定流量為44.97 m3·s-1，額定轉速為166.7 r·min-1，額定出力為12.5 MW，機組飛逸轉速為335.6 r·min-1，機組轉動慣量為1 000 N·m2[3].選擇合適的調壓閥，其位置設在蝸殼進口處的前端.要求機組在任何工況甩負荷時，鋼管允許的最大壓力為100 m水頭；蝸殼允許的最大壓力≤50 m水頭；機組轉速上升值≤55%nr，nr為額定轉速；尾水管進口最大真空度不得大于8 m水柱.

2.2計算結果分析

導葉開啟規律采用直線開啟，單機增加負荷時總時間為20 s，雙機增加負荷時為52 s；導葉采用直線關閉規律，總時間為13 s；調壓閥采用直線開啟，總時間為13 s[4].當兩臺機組在額定轉速、額定水頭、額定出力運行時同時甩負荷，大波動過渡過程的主要參數變化如圖4所示.

由圖4分析可知，兩臺機組額定水頭、額定出力運行，并同時甩負荷，導葉正常關閉，調壓閥正常開啟至設計相對行程0.75，有：

（1） 蝸殼進口最大內水壓力為47.81 m水頭，小于允許值50.0 m水頭.

（2） 機組最大轉速為247.97 r·min-1，小于允許值258.4 r·min-1.

（3） 尾水管進口的最大內水壓力為-1.67 m水頭，滿足真空度小于8 m水柱的要求，并且余度很大.

（4） 調壓閥出現的最大壓力為44.08 m水頭，小于允許值60 m水頭，且余度較大[5]

3結語

大波動過渡過程的計算分析是檢驗和校核已建或新建水電站的合理布置和設計可靠性的重要手段，可對水電站的設計方案進行合理有效的評估，同時為水電站的設計和運行提供可靠的依據.本文對云南某水電站大波動過渡過程進行計算，計算結果可為電站的運行提供參考.但是模擬的結果和實際運行情況有所不同，對水電站中大波動過渡過程還要結合水電站的具體情況進行分析，以確保電站安全穩定運行.

參考文獻：

[1]鄭源，張健.水力機組的過渡過程[M].北京：北京大學出版社，2008.

[2]常近時.水力機械過渡過程[M].北京：機械工業出版社，1991.

[3]樊紅剛，陳乃祥，孔慶蓉，等.沖擊式水電站過渡過程數值模擬[J].水力發電學報，2007，26（2）：133-136.

[4]王丹，楊建東，高志芹.導葉開啟時間對水電站過渡過程的影響[J].水力學報，2005，36（1）：73-75.

[5]楊雷，王子成. 云南萬家口子水電站工程水力過渡過程的計算分析[J].吉林水力，2008（S1）：76-79.

摘要： 針對云南某水電站，在優化導葉關閉規律的基礎上，對兩臺水輪發電機組在額定水頭、額定出力、全部甩負荷運行時的大波動過渡過程進行了計算.通過建立數學模型，采用特征線法，運用Matlab/Simulink軟件對機組大波動過渡過程進行了模擬仿真，計算結果基本是可行的.研究為該水電站安全穩定運行提供了參考，同時為同類型電站在設計施工時計算大波動過渡過程提供了依據.

關鍵詞：

水輪發電機組； 大波動； 仿真

中圖分類號： TV 136文獻標志碼： A

水輪發電機組大波動過渡過程的計算是指結合水利—機械系統布置優化以及調壓室的設置分析和體型優化，在優化機組導葉關閉規律和機組轉動慣量基礎上，采用特征線法，進行水利—機械系統整體布置的合理性和強度評價.主要內容包括：機組在各種正常工況和組合工況下，蝸殼進口處最大內水壓力﹑尾水管進口處最小內水壓力（尾水管真空度）和機組最大轉速上升值，以及相應的過渡過程曲線[1].

機組突然甩去或增加全部負荷時的大波動過渡過程是對水電站水輪發電機組安全運行最大的威脅.在甩負荷過程中導葉迅速關閉，導致引水系統中將產生較大的水錘壓力，同時因發電機負荷減至零，較大的水流力矩使機組轉速上升，此時水壓和轉速的過大變化將威脅機組和水工建筑物的安全，同時會因系統可能存在的不穩定性問題而引起系統的震蕩.本文研究的云南省某水電站采用的是壩后式的開發方式，2臺混流式水輪發電機組，型號為HLA551-LJ-265.對2臺機組在額定水頭和額定出力全部甩負荷時的大波動過渡過程進行計算，分析蝸殼進口處最大內水壓力、尾水管進口處最小內水壓力（尾水管真空度）和機組最大轉速上升值等.

1計算方法

本文采用特征線法，該方法是目前求解管道系統水利瞬變最常用的的數值計算方法，其優點為：可建立穩定性準則；邊界條件易編成程序，可處理復雜系統；適用于各種管道水利瞬變分析.

2大波動過渡過程的計算

2.1工程概況

本文研究的水電站布置結構如圖3所示.其上游引水系統由進水口、引水隧洞和壓力管道組成.采用一管二機Y型分岔方式供水，水庫水位為1 461.80 m，尾水位為1 425.4 m，水輪機額定水頭為30.0 m，額定流量為44.97 m3·s-1，額定轉速為166.7 r·min-1，額定出力為12.5 MW，機組飛逸轉速為335.6 r·min-1，機組轉動慣量為1 000 N·m2[3].選擇合適的調壓閥，其位置設在蝸殼進口處的前端.要求機組在任何工況甩負荷時，鋼管允許的最大壓力為100 m水頭；蝸殼允許的最大壓力≤50 m水頭；機組轉速上升值≤55%nr，nr為額定轉速；尾水管進口最大真空度不得大于8 m水柱.

2.2計算結果分析

導葉開啟規律采用直線開啟，單機增加負荷時總時間為20 s，雙機增加負荷時為52 s；導葉采用直線關閉規律，總時間為13 s；調壓閥采用直線開啟，總時間為13 s[4].當兩臺機組在額定轉速、額定水頭、額定出力運行時同時甩負荷，大波動過渡過程的主要參數變化如圖4所示.

由圖4分析可知，兩臺機組額定水頭、額定出力運行，并同時甩負荷，導葉正常關閉，調壓閥正常開啟至設計相對行程0.75，有：

（1） 蝸殼進口最大內水壓力為47.81 m水頭，小于允許值50.0 m水頭.

（2） 機組最大轉速為247.97 r·min-1，小于允許值258.4 r·min-1.

（3） 尾水管進口的最大內水壓力為-1.67 m水頭，滿足真空度小于8 m水柱的要求，并且余度很大.

（4） 調壓閥出現的最大壓力為44.08 m水頭，小于允許值60 m水頭，且余度較大[5]

3結語

大波動過渡過程的計算分析是檢驗和校核已建或新建水電站的合理布置和設計可靠性的重要手段，可對水電站的設計方案進行合理有效的評估，同時為水電站的設計和運行提供可靠的依據.本文對云南某水電站大波動過渡過程進行計算，計算結果可為電站的運行提供參考.但是模擬的結果和實際運行情況有所不同，對水電站中大波動過渡過程還要結合水電站的具體情況進行分析，以確保電站安全穩定運行.

參考文獻：

[1]鄭源，張健.水力機組的過渡過程[M].北京：北京大學出版社，2008.

[2]常近時.水力機械過渡過程[M].北京：機械工業出版社，1991.

[3]樊紅剛，陳乃祥，孔慶蓉，等.沖擊式水電站過渡過程數值模擬[J].水力發電學報，2007，26（2）：133-136.

[4]王丹，楊建東，高志芹.導葉開啟時間對水電站過渡過程的影響[J].水力學報，2005，36（1）：73-75.

[5]楊雷，王子成. 云南萬家口子水電站工程水力過渡過程的計算分析[J].吉林水力，2008（S1）：76-79.