機組轉動慣量對水力機組過渡過程的影響分析

(華北水利水電大學電力學院，河南 鄭州 450045)

1 概述

在水力機組過渡過程中，當機組突然甩負荷時，會引起機組轉速上升。水輪機導葉的快速關閉又會引起引水系統中的水擊壓力上升[1]。為保證在甩負荷過程中的最大轉速上升值和最大水擊壓力不超過允許值，因此需要通過對甩負荷過渡過程的計算分析，對甩負荷過程中機組轉速上升和蝸殼水壓力升高值重點關注和監測[2]。水力機組轉動慣量GD2是水電站設計中重要的機組參數之一，增大GD2有利于縮短調節時間，可以減小機組轉動的加速度，在一定的意義上可以減小轉速上升值，但是GD2增大意味著需要增大機組尺寸，大大增加了機組制造、運輸及安裝的困難，同時還會增加廠房尺寸，從而增加造價。此外，增大GD2會加大機組運行時振動劇烈程度，極大可能會縮短機組運行時長，從而影響電站的經濟運行。因此，有必要對機組轉動慣量GD2取值進行分析，以便為設計選值提供合理的依據。

2 計算原理與方法

2.1 水錘基本方程

非棱柱體管道中水流的水錘基本方程是：

(1)

(2)

2.2 特征線法

特征線法是目前求解管道水力瞬變最常用的數值方法，它具有穩定性準則可以建立、邊界條件易編程，可以處理復雜的系統、適用于各種管道的水力瞬變分析、具有最好的精度[3]。

用特征線法將方程(1)和方程(2)一組擬線性雙曲型偏微分方程轉化為兩個在特征線上的常微分方程：

(3)

(4)

對于特征線AP：

(5)

對于特征線BP:

(6)

(3)式和(4)式分別為C+和C-的特征方程和相應的特征線方程。將特征方程沿特征線C+和C-積分，用流量代替斷面流速，經過整理可得到一下兩個表達式：

C+：QP=CP-CaHP

(7)

C-：QP=Cn+CaHP

(8)

圖1為X-t特征線網格：

圖1 X-t特征線網格

2.3 特性曲線數據處理

現利用RBF神經網絡模型對水輪機綜合特性曲線進行數據處理，得到水力機組過渡過程計算所需要的數據，具體步驟如下：

1)將己提取的己知水輪機運行高效率區數據點和邊界約束點作為樣本點，在邊界條件進行數據踩點加密，減少誤差。確定輸入樣本值P(x，y)和目標值T(z)，建立一個神經網絡，其中：

X=[α1，α2，α3，α4，…，α7，α8，…]；

2)經調試后，選擇適當的均方誤差參數值GOAL和徑向基函數分布參數SPREAD值，利用MATLAB軟件中神經網絡工具箱內的函數newrb(P，T，GOAL，SPREAD)建立并進行網絡培訓，進而完成水輪機綜合特性曲面的擬合和延拓；

3)由上述神經網絡法得到全區域綜合特性曲面后，利用軟件中神經網絡工具箱內的仿真函數sim(net，P)，即可導出過渡過程計算中所需的數據值和數據格式。

3 過渡過程仿真計算分析

3.1 機組轉動慣量GD2的初步取值

水力機組的轉動慣量GD2值，應滿足機組過渡過程計算、電力系統穩定及水輪發電機制造經濟合理性的要求。在電站機組型號是未知的情況下，利用已知參數，依據文獻[1]中提供的公式對GD2進行初步計算:

(7)

其中Di為定子鐵心內徑；lt為定子鐵心長度；K2為經驗系數。

GD2初步確定后，以此GD2值為基礎，選取一系列的GD2值進行過渡過程計算，以確定GD2的合理取值。研究機組GD2不同取值對水力機組過渡過程的影響，也就是研究機組轉動慣量GD2的不同取值對機組蝸殼末端水壓力、水輪機出口斷面水壓力和最大轉速上升率的影響。

3.2 實際工況計算分析

根據水力機組的基本邊界條件、岔管邊界條件、閥門邊界條件、調壓室模型和上述方法進行計算機編程，有關計算工況G1、G2、G3、G4、G5、G6的圖和結果分析如表1及圖2～圖7所示。

表1 各個計算工況的過渡過程計算分析比較

根據計算結果分析機組轉動慣量的取值對機組轉速上升率β影響較大，根據整體的變化趨勢來看對于蝸殼末端壓力和水輪機出口斷面的壓力影響較小。根據上述計算方法，擴大計算范圍，然后得到更全面的機組轉速上升率β與機組轉動慣量的關系圖，如圖8所示。

圖8 機組轉動慣量GD2與機組轉速上升率關系圖

通過上圖和表所示可以得出以下結論：

1)在機組轉動慣量GD2整個取值范圍來看，機組轉速上升率并不隨之成線性變化，但隨機組轉動慣量GD2的增大而減小，成反比關系。在實際生產中往往會適當的增加機組轉動慣量GD2的取值，來減小機組的轉速上升率。

2)加大機組轉動慣量GD2，實際上就是加大機組轉輪直徑，這樣的話就會使機組造價增加，同時還會加大運輸難度和增加廠房的基礎開挖尺寸，這樣不符合經濟性的指標。此外，機組轉動慣量GD2的增大，過大的機組轉動慣量GD2，在水輪發電機組運行過程中因轉軸偏心引起的震動會加強，不利于機組穩定運行。所以，GD2取值也不宜過大。綜合以上元素機組轉動慣量GD2的最終取值為2 000 t·m2。

4 結語

對于機組轉動慣量GD2的取值，不僅要根據過渡過程中的機組轉速上升率決定，而且還要考慮多方面的因素，根據電站的實際情況來進行選擇。選擇較小的機組轉動慣量GD2，在水力機組過渡過渡過程中，機組轉速會急速上升，對機組運行的穩定性帶來危害，所以取值不宜過小。選擇較大的機組轉動慣量GD2，實際上是加大了機組轉輪體尺寸，這樣造價就會增加，同時也增加廠房的基礎開挖和尺寸，給機組的制造、運輸和安裝帶來了極大的困難，這樣的做法是不經濟的。GD2過大，在運行過程中水力機組轉軸偏心引起的振動會加強，不利于機組的安全、穩定運行，所以取值也不宜過大。隨著調速設備的設計水平的提高，機組最大轉速上升率的允許值有了較大的提高，以過大的GD2換取較小的機組轉速上升率是不科學的。