岔管供水不穩(wěn)定分析與處理

邵彬

（烏魯瓦提水力發(fā)電廠，新疆 和田 848000）

岔管供水不穩(wěn)定分析與處理

邵彬

（烏魯瓦提水力發(fā)電廠，新疆 和田 848000）

通過對烏魯瓦提水電廠的岔管供水方式進(jìn)行介紹，同時(shí)對岔管供水的壓力波動和引起的頻率波動進(jìn)行分析，采用選擇機(jī)組的運(yùn)行工況、調(diào)速器的運(yùn)行方式、改進(jìn)調(diào)節(jié)算法等方法抑制岔管供水對調(diào)速器調(diào)節(jié)所帶來的影響，使機(jī)組在孤網(wǎng)下運(yùn)行得以穩(wěn)定。

岔管；孤網(wǎng)；調(diào)速器；參數(shù)；算法

0 引言

烏魯瓦提水電廠位于新疆和田喀拉喀什河中游，為壩后式電站，安裝有4臺15MW立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組，設(shè)計(jì)水頭78m，水庫多年平均水頭102m，4臺機(jī)組共用一根壓力鋼管，為非對稱Y型岔管方式[1]，如圖1引水岔管示意圖所示。調(diào)速器為武漢三聯(lián)水電控制公司生產(chǎn)的BWT-80型PLC步進(jìn)式調(diào)速器。于2000年投入運(yùn)行，在2007年以前和田地區(qū)電網(wǎng)為孤立小電網(wǎng)，總?cè)萘考s為100MW。烏魯瓦提水電廠作為第一調(diào)頻廠，一直以來擔(dān)負(fù)著地區(qū)電網(wǎng)的調(diào)峰調(diào)頻任務(wù)。由于電網(wǎng)較小，頻率容易波動，只要波動稍稍較大就會引起電網(wǎng)頻率在45Hz～52HZ之間來回振蕩，導(dǎo)致低頻減載裝置頻繁動作，給地區(qū)電網(wǎng)的運(yùn)行安全帶來極大的隱患，供電質(zhì)量嚴(yán)重低下，嚴(yán)重影響電網(wǎng)和機(jī)組的安全運(yùn)行。

1 壓力波動分析

圖1 引水岔管示意圖

烏魯瓦提水電廠裝機(jī)容量占據(jù)了全網(wǎng)的60%份額，且作為第一調(diào)頻廠，其頻率控制不穩(wěn)定，將會導(dǎo)致全網(wǎng)頻率變化范圍不合格。為了保證調(diào)頻的速動性，四臺機(jī)組運(yùn)行中都處于孤網(wǎng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)狀態(tài)。調(diào)速器參數(shù)給定也較為靈敏，如表1所示。

表1 調(diào)速器參數(shù)配置表

要分析其壓力波動原因，必須首先對水流進(jìn)行分析。對于均質(zhì)水管中水擊壓力波傳播速度可按下式計(jì)算：

式中：E0為水的彈性系數(shù)，一般為2.1×105N/cm2；E為管壁材料的彈性系數(shù)，該處E=2.1×105N/cm2,D為管道直徑，該處支管220cm，主管503cm。δ為管壁厚度，a0為聲波在水中的傳播速度，一般為1435m/s。一般電站鋼管的 D/δ=50～200，多數(shù)情況下100左右，所以波速a通常在1000m/s左右[2]。水庫取水口到第一岔管段距離L=422m。

當(dāng)機(jī)組負(fù)載改變時(shí)，機(jī)組轉(zhuǎn)速將發(fā)生變化，調(diào)速器動作，導(dǎo)葉開度發(fā)生變化，引起管道系統(tǒng)的水力瞬變，管壁所產(chǎn)生的水擊波從蝸殼處一方面經(jīng)過L/a=422m/1000m/s=0.422s到達(dá)水庫，因水庫很大，庫水位不會因水擊影響而變化，故取水口壓力始終保持不變，于是水擊波在取水口處以同樣的數(shù)值發(fā)生反射，經(jīng)過2L/a=0.844s返回到本機(jī)蝸殼處，同時(shí)反射到其他三臺機(jī)組蝸殼處。另一方面水擊波直接經(jīng)過L/a=0.07s～0.05s到達(dá)相鄰機(jī)組。這樣直接和間接水擊引起相鄰機(jī)組負(fù)荷發(fā)生大幅度變化。加上前面所述，調(diào)速器參數(shù)較為靈敏，爭相調(diào)整頻率，再次造成大的水擊，如此反復(fù)，惡性循環(huán)下去，導(dǎo)致4臺導(dǎo)葉接力器來回抽動，頻率處于大幅度振蕩狀態(tài)。

因此，可以總結(jié)出由于4臺機(jī)組具有共同的壓力引水總管即岔管供水，當(dāng)鄰近機(jī)組擾動調(diào)節(jié)，使水流產(chǎn)生較大的波動時(shí)，則此臺機(jī)組蝸殼內(nèi)的水壓也相應(yīng)產(chǎn)生波動，此波動值對低水頭來說就是一較大的相對變化量［3］；對此機(jī)組轉(zhuǎn)輪而言，則是大幅度的水壓波動值。此大波動就迫使穩(wěn)定運(yùn)行的機(jī)組改變轉(zhuǎn)速，此調(diào)速器就產(chǎn)生自動調(diào)節(jié)使之穩(wěn)定，并非是調(diào)速器本身的故障。為了證實(shí)此判斷的正確性，我們又特將這臺穩(wěn)定運(yùn)行的手動運(yùn)行進(jìn)行觀察，當(dāng)鄰近機(jī)組不擾動時(shí)，該機(jī)組轉(zhuǎn)速在穩(wěn)定范圍之內(nèi)；如鄰近機(jī)組擾動時(shí)，則中間機(jī)組轉(zhuǎn)速器就產(chǎn)生較大波動。

2 處理措施

通過上述分析，認(rèn)為岔管下機(jī)組相互間干擾引起壓力波動，導(dǎo)致頻率波動和振蕩，為了減輕這種干擾，可以通過改變壓力鋼管共用方式，采用單機(jī)單供方式徹底解決壓力干擾問題，但這與實(shí)際不相符，也不現(xiàn)實(shí)，但可以通過以下幾種方式進(jìn)行抑制：

2.1 合理選擇機(jī)組的運(yùn)行工況

機(jī)組運(yùn)行在大網(wǎng)下，調(diào)速器一般處于功率調(diào)節(jié)或者開度調(diào)節(jié)狀態(tài)，而在孤網(wǎng)下時(shí)，調(diào)速器處于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)狀態(tài)，但經(jīng)過現(xiàn)場的實(shí)際觀察，發(fā)現(xiàn)該調(diào)速器大網(wǎng)轉(zhuǎn)孤網(wǎng)時(shí)間較長為40s，也就是說調(diào)速器在大網(wǎng)下判斷頻率下降或升高超過頻率死區(qū)40s才進(jìn)行調(diào)節(jié)。而在孤網(wǎng)下，40s也就意味著頻率下降到很大數(shù)值，因此，此時(shí)再進(jìn)行調(diào)整將會導(dǎo)致頻率偏差極大，引起超調(diào)現(xiàn)象，而超調(diào)就可能引起壓力波動較大。因此，合理的選擇大網(wǎng)轉(zhuǎn)孤網(wǎng)時(shí)間，將會使調(diào)速器處于合適的運(yùn)行工況下運(yùn)行，對調(diào)速器程序中將該時(shí)間改為5s。

2.2 合理選擇調(diào)速器參數(shù)

原有調(diào)速器參數(shù)選擇如表1所示，4臺機(jī)組頻率人工死區(qū)設(shè)置均相差不大，而在地區(qū)孤網(wǎng)中，一般頻率變化范圍較大，處于±0.5Hz范圍，當(dāng)遇有大負(fù)荷投退時(shí)將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過該值，且bP值一致，無法形成全廠機(jī)組的有差調(diào)節(jié)，一旦頻率波動較大時(shí)，將會輕易引起4臺調(diào)速器共同調(diào)節(jié)，導(dǎo)致調(diào)節(jié)力度過大而產(chǎn)生超調(diào)現(xiàn)象，因此，需要重新對參數(shù)進(jìn)行選擇，使各機(jī)組形成有差調(diào)節(jié)，呈階梯調(diào)節(jié)方式，也就是當(dāng)頻率較小變動時(shí)，由一臺機(jī)組或兩臺機(jī)組擔(dān)任調(diào)節(jié)任務(wù)，其他幾臺機(jī)組待命，逐漸減小頻率的波動范圍，即使遇有大波動的情況下，4臺機(jī)組同時(shí)調(diào)節(jié)，由于合理設(shè)置了永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bp，使調(diào)節(jié)力度不至于過度。見表2。

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2.3 改進(jìn)調(diào)節(jié)算法

調(diào)速器采用增量式PID調(diào)節(jié)規(guī)律，其算法表達(dá)式如下：

由式可見其 PID調(diào)節(jié)中與頻差△f（i）有著重要的聯(lián)系，機(jī)組靜態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)下的等效表達(dá)式y(tǒng)c-y=（fc-fg）/50bp[5]，式中：fc為頻率給定，單位是 Hz；fg為機(jī)組頻率，單位是Hz；bp永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)；y為導(dǎo)葉接力器相對值，值范圍0～1；y為導(dǎo)葉接力器開度給定相對值，取值范圍0～1。根據(jù)表達(dá)式可模擬頻率在4種情況下即50±0.3和50±0.8變動下調(diào)速器的靜態(tài)特性數(shù)據(jù)見表3。

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由表3可以看出，在電網(wǎng)或機(jī)組頻率超出頻率人工死區(qū)后，調(diào)速器將會參與調(diào)節(jié)，其開度與超出頻率死區(qū)的頻差成正比，電網(wǎng)頻率發(fā)生小波動時(shí)，一臺或兩臺調(diào)速器以較小的調(diào)節(jié)力度調(diào)節(jié)頻率，可以保證頻率在正常范圍之內(nèi)。當(dāng)電網(wǎng)突然發(fā)生大負(fù)荷投退或切除時(shí)，對于孤網(wǎng)運(yùn)行的機(jī)組來說，頻率將會發(fā)生大幅度變化，導(dǎo)致更多機(jī)組參與調(diào)節(jié)，造成超調(diào)的現(xiàn)象，同時(shí)由于岔管的原因，使調(diào)節(jié)品質(zhì)更加惡化。為了保證多臺機(jī)組調(diào)節(jié)的情況下不發(fā)生頻率變動較大的現(xiàn)象，對調(diào)節(jié)規(guī)律進(jìn)行修改，將PID中計(jì)算的頻差減去頻率死區(qū)，這樣就可以減少其調(diào)節(jié)力度，即△f（i）=△f（i）-E。

具體做法是在原調(diào)速器PLC負(fù)載子程序中增加一段程序：當(dāng)調(diào)速器為負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，且為開度調(diào)節(jié)或功率調(diào)節(jié)狀態(tài)（頻率調(diào)節(jié)狀態(tài)時(shí)不執(zhí)行該段程序），首先判斷頻差是否大于頻率死區(qū)，若大于，則△f（i）＝△f（i）-E，反之則△f（i）=0。 見圖 3。

圖3 調(diào)速器PLC梯形修改圖

根據(jù)新的算法，仍然按照原來模擬頻率得到開度變化數(shù)據(jù)，見表4。從表中數(shù)據(jù)可以看出，在同樣的頻率變動范圍之下，更改程序后的開度變化范圍明顯比未修改前的小，這就可以減小機(jī)組在孤網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下四臺機(jī)組同時(shí)調(diào)節(jié)的超調(diào)量。

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3 結(jié)束語

烏魯瓦提水電廠通過對岔管水力情況的分析，找到了孤網(wǎng)狀態(tài)下調(diào)節(jié)不穩(wěn)定的根本原因，通過對調(diào)速器工況轉(zhuǎn)換的調(diào)整，參數(shù)的修改、調(diào)節(jié)算法的改進(jìn)，解決了困擾多年孤網(wǎng)狀態(tài)下調(diào)節(jié)不穩(wěn)定的問題，為地區(qū)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力的保證。

[1]陳可一.水電站概論[M].北京：水利電力出版社，1996.8-9.

[2]劉玉祥，許維忠.高水頭電站引水管壓力波動分析與調(diào)節(jié)[J].水電自動化與大壩監(jiān)測，2008，32（6）：26-27.

[3]李永國.調(diào)速器的調(diào)試與故障處理[M].南京：河海大學(xué)出版社，1999.94-96.

[4]魏守平.現(xiàn)代水輪機(jī)調(diào)節(jié)技術(shù)[M].武漢：華中理工大學(xué)出版社，2002.

[5]魏守平.水輪機(jī)調(diào)節(jié)[M].武漢：華中理工大學(xué)出版社，2009.

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1672-5387（2011）02-0061-03

2010-10-11

邵彬（1982-），助理工程師，從事水電站生產(chǎn)技術(shù)管理工作。