水電站水力機械過渡過程仿真計算

龐 敏

(華電金沙江上游水電開發有限公司蘇洼龍分公司，四川 成都 610041)

0 引 言

動力系統運行中，不可避免地會出現不穩定狀態，并從該狀態變換到另一種穩定狀態,這種不穩定過程即過渡過程[1-2]。水力機械過渡過程是一種復雜的非線性變化過程[3]，受到電網負荷、水流形態、水錘壓力等因素的影響。在此過程中，水錘壓力變化將導致水流沖量發生變化，進而造成沖量變化，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濟運行，應對過渡過程進行水力分析和計算。水力機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]，其計算的主要目的是確定水輪機轉速上升值、引水管道及蝸殼水錘壓力上升值等參數。研究水力機械過渡過程，對水電站具體結構設計有一定指導意義，對電站優化運行也能夠提供有益的幫助，使機組運行更加穩定可靠，因此，對水電站水力機械過渡過程進行計算尤為必要。

本文以上崔樹里水電站為例，基于河海大學水電站水力機械過渡過程仿真計算軟件開展調節保證計算。對大波動過渡過程、小波動過渡過程、關閉規律優化、和調速器參數優化進行計算。

1 基本資料

1.1 水頭損失計算

輸水系統布置圖(含進水口、引水隧洞、壓力管道、調壓井及尾水隧洞)見圖1。根據水道資料計算各個計算點及管道的水頭損失系數，取重力系數g=9.81，單機流量25.5 m3/s，機組臺數兩臺，調壓井截面積113.105 m2，局部水頭損失系數Km統計見表1。

表1 局部水頭損失系數Km統計

圖1 輸水系統布置圖

沿程水頭損失系數Kf統計見表2。

表2 沿程水頭損失系數Kf統計

因此，可根據表1和表2計算出水頭損失系數k=Kf+Km，根據上述分析，調壓井入流系數為0.006 917 89，調壓井出流系數0.003 891 31，水輪機進口到出口段不計損失，因損失已經包含在水輪機效率中。

1.2 水輪機轉輪模型曲線處理

1.2.1 讀取水輪機特性曲線

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

進入計算程序選擇建立數據文件——建立水輪機特性數據文件——從屏幕上讀取水輪機特性后，軟件即啟動專用的讀圖程序。首先輸入水輪機特性圖形文件，讀圖時定義坐標軸，按照開度從小到大，轉速由低到高的順序逐點讀取，盡量選擇效率線與等開度線的交點。

1.2.2 處理和延長水輪機特性曲線

根據軟件的要求進行水輪機特性曲線的延長，延伸前單位轉速元素個數為5，飛逸特性導葉開度個數為8，從飛逸特性曲線中查得導葉開度，讀取飛逸特性曲線上每個開度對應值，延伸后導葉開度元素個數不超過20個，選取18個，到最大開度。延伸后單位轉速元素個數為13個，從飛逸特性曲線中查找轉速從零到最大開度對應的轉速。處理成功后的曲線見圖3。

圖3 處理成功后的曲線

2 數據構建

在對水電站第一次進行水力-機械過渡過程仿真計算前，應先建立數據文件，包括水電站水力-機械系統數學模型數據文件、起始工況數據文件、關閉規律數據文件、動態工況組合數據文件和水輪機模型特性數據文件。

在仿真計算時，根據數學模型數據文件自動形成大波動和小波動計算數學模型。本軟件將節點分為十一種類型：上游節點、引水調壓室節點、引水分叉節點、水輪機上游側節點、水輪機下游側節點、尾水分叉節點、尾水調壓室節點、下游節點、管道中間節點、明流洞中間節點和管道-明流洞節點。建立系統數學模型數據文件時，從上游節點開始，按實際系統依次輸入，直至下游節點。

選定每個節點類型，輸入節點高程和輸入后接管道(包括隧洞)參數，包括：ΣL/S、水力損失系數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K=ΔH/Q2，ΔH為流量為Q時的水頭損失。輸入數據后，確定計算步長和迭代計算的允許誤差，在給定計算步長時，得到各管段計算波速和給定波速之間的相對誤差；用戶可再次修改計算步長，直到滿意為止。最后輸入水電站水力-機械系統數學模型數據文件名，采用水電站名的拼音縮寫為數學模型數據文件名，并賦予后綴名為“dat.”。

起始工況是指過渡過程開始前的機組工況，首先輸入水電站上游水位、下游水位和每臺機組的起始轉速、起始功率、起始導葉開度等參數。如起始功率不為零，起始導葉開度由軟件確定，輸入的起始導葉開度只作為軟件計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。

關閉規律是機組在事故甩負荷后的關閉規律。首先選取需要的關閉規律，然后輸入數據。分段關閉規律可有兩段關閉和三段關閉，對兩段關閉規律要給出第一段關閉時間、第二段關閉時間和第一分段點導葉開度，同時應將第三段關閉時間設為與第二段關閉時間相同，第二分段點導葉開度設為與第一分段點導葉開度相同；對三段關閉規律要給出第一段、第二段和第三段關閉時間以及兩個分段點的導葉開度。

3 仿真計算

3.1 大波動計算

大波動過渡過程計算是在給定初始工況、給定動態工況組合和給定關閉規律下的水力-機械過渡過程。

首先輸入水電站水力-機械系統數學模型數據文件。輸入起始工況文件名。如有多臺機組，在修改完當前機組數據后，單擊“下一臺”，軟件顯示下一臺機組的參數，用戶可進行修改。單擊“繼續”后，輸入動態工況組合數據文件名。根據輸入的關閉規律估算機組仿真計算所需時間長度。仿真計算結束后軟件將顯示起始工況、關閉規律和計算結果。

3.2 關閉規律優化計算

關閉規律優化計算是在給定初始工況時對事故甩負荷后關閉規律進行優化計算。

首先輸入水電站水力-機械系統數學模型數據文件名，讀入數學模型數據文件后，輸入起始工況文件名，即進行起始工況計算，并顯示計算結果。在顯示和修改最后一臺機組的數據后，輸入關閉規律數據文件名和需要進行優化計算的機組號，優化計算結束后，軟件將顯示優化計算結果。用戶在分析優化計算結果后，軟件將對最優關閉規律下的過渡過程進行計算。

3.3 小波動過渡過程計算

小波動過渡過程計算是在給定初始工況和給定調速器參數時的階躍擾動或負荷擾動過渡過程。

輸入數學模型數據文件，待讀入后，再輸入起始工況文件名，即進行起始工況計算，并顯示計算結果。

仿真計算結束后將顯示當前機組過渡過程計算結果-調節時間和最大轉速超調量。

3.4 調速器參數優化計算

調速器參數優化計算是計算在給定初始工況時調速器最優參數。

調速器參數有比例增益Kp、積分增益Ki、微分增益Kd和永態轉差系數bp、空載開度和起動開度。軟件采用排列組合法進行優化計算，在選定Kd值條件下對Kp和Ki排列組合，對每一組均進行階躍擾動過渡過程仿真計算，并求出目標函數，按目標函數最小求出在Kd給定時的Kp和Ki組合。軟件便在左上角顯示正在計算Kp和Ki值，計算結束后顯示給定Kd時的最優Kp和Ki組合以及相應目標函數。對不同Kd值進行上述計算，最后求出調速器參數最優整定。軟件還計算出最優參數時的階躍擾動過渡過程。

仿真計算時，為了便于計算文件的輸入、整理、查找，取名盡量簡單。計算機組的大波動、小波動時，時間大約取60 s內；調壓井大波動及小波動計算時間大約取1 000 s，如果時間取得都一樣會導致圖形文件比例失調嚴重影響直觀觀察，則計算過程應與水工設計進行背靠背計算，分別核算機組及調壓井的大、小波動。

經過計算，本電站：

(1) 機組甩負荷最大轉速升高率小于50%。

(2)機組甩負荷的蝸殼最大壓力升高率小于50%。

(3) 尾水管進口最大真空度值小于0.08 MPa。

4 結 語

應用水電站水力機械過渡過程仿真軟件，基于模型和數據對上崔樹里水電站大波動過渡過程、小波動過渡過程、關閉規律優化、和調速器參數優化進行計算，有利于進一步理解水電站過渡過程原理及軟件計算步驟和方法，在工程實際中提高應用效率。

仿真計算結果表明，仿真軟件可靠性高，結果準確，能較好地反映水電站運行特性，符合工程應用實際。

結合水電站數據收集和仿真計算，在電站運行維護中能更好地了解機組動態參數和運行狀態，有利于減少事故、消除隱患，增強了電站運行維護工作的安全性，又提高了運行維護人員的專業技術。