应用阻尼坎的大型水电机组有功振荡抑制方法

2021-09-19张海库陈启卷耿清华

振动与冲击 2021年17期

张海库, 陈启卷, 郑阳, 耿清华, 王亮

(1.武汉大学动力与机械学院,武汉 430072； 2.大唐水电科学技术研究院有限公司,成都 610074； 3.四川大学水利水电学院，成都 610065)

现代电力系统运行工况复杂多变，低频振荡事件频繁发生，是威胁电网安全稳定运行的问题之一[1]。低频振荡是指在正常运行状态下保持同步运行的电力系统，在受到突发或持续性的扰动而引起发电机转子间持续性的相对摆动。当系统缺乏阻尼时会导致持续振荡，这种振荡的振荡频率较低，一般为0.2～2.5 Hz[2]。近年来，随着大容量、远距离直流输电技术在实际电网中的广泛应用，系统中出现了一些振荡频率低于0.1 Hz的超低频振荡现象[3-8]。

引起低频振荡的原因很多，主要有励磁控制系统产生负阻尼引起无功振荡，有效解决方法是配置电力系统稳定器PSS，用附加正阻尼抑制低频振荡[9]。调速器系统产生负阻尼引起有功振荡，有效缓解方法是改变调速器，特别是一次调频参数，降低调速器所产生的负阻尼[10-11]。引起超低频振荡的另一种原因是水力因素作用，如水库水位周期性波动，引水管、蜗壳或尾水管压力脉动过大等[12]。

本研究针对两台水轮发电机组共用一条尾水渠，在某种条件下，两条尾水支管之间产生压力波动，进而引起发电机功率较大幅度振荡问题，采用水力和水工技术措施，有效抑制这种尾水压力波动。目前，解决尾水支管压力振荡最常见的措施主要有：避开引起尾水压力振荡的运行条件，比如限制水轮发电机功率输出等，破坏诱发振荡的条件，不过这只能是临时措施，极不经济。另一种方法为改造尾水流道，包括修建闸门等，提高流道水压振荡正阻尼。由于水电站尾水渠一般属于地下建筑，改造尾水流道，不仅施工难度大，而且施工时间长，也极不经济。因此，工程实践和理论都需要找寻一种新技术和新方法。

鉴于此，本文提出一种抑制水轮发电机超低频振荡的新方法，在即保证发电机运行效率的情况下，同时还可有效抑制尾水支渠的水力波动，进而解决有功振荡问题，此方法具有实施简单和经济适用的优点。

1 水力计算原理

在电站尾水渠支渠特定部位加装阻尼坎，使支渠内近似形成堰流，通过堰上产生的局部水头损失达到消能减振的目的。渠道内水流流态示意图如图1所示。

图1 渠道内水流流态示意图Fig.1 The flow pattern in channel

图1中，H1和H2分别为1-1断面、2-2断面的压力水头；v1和v2分别为1-1断面、2-2断面的水流流速；P为堰高；Z为堰前后水位降落高度。

1.1 堰流的流态类型

步骤1考虑行近流速的1-1断面总水头为

(1)

步骤2由于支渠内堰后2-2断面水深未知，首先假设支渠内水流形成自由溢流。根据堰流基本公式，由于阻尼堰安装部位过流面无侧向收缩，故该工况下自由溢流流量的理论计算值Q1_free可由式(2)计算[13]

(2)

式中:m为堰的流量系数;B为堰宽度;g为重力加速度;H0为堰前行近总水头。

步骤3判断|(Q1_free-Q1)/Q1_free|×100%的值是否达到阈值精度

若|(Q1_free-Q1)/Q1_free|×100%小于1%，则说明流量估算收敛，该条件下堰前后形成自由溢流，Q1=Q1_free；若|(Q1_free-Q1)/Q1_free|×100%大于1%，则说明流量估算不收敛，令Q1=Q1_free，v1=Q1/[B×(H1+P)]重复循环执行步骤1～步骤3，直至自由溢流流量估算收敛，记录Q1_free。

步骤4比较计算出的渠内自由溢流理论流量Q1_free和该工况的实际流量，若|(Q1_free-Q1)/Q1_free|×100%小于5%则近似认为渠内流态为自由溢流，否则认为渠内流态为淹没溢流。

1.2 坎下游淹没深度及局部水头损失

步骤1根据实际流量Q1和自由溢流理论流量Q1_free计算该工况下淹没系数的取值σs=Q1/Q1_free。

步骤2查实用堰淹没系数表[14]，如表1。通过线性差值得到堰下游淹没深度与堰上游总水头的比值hs/H0。由于H0已知，可以求得堰下游淹没深度hs，进而容易求得堰前后水位差Z、堰后2-2断面稳态流速v2。

表1 实用堰淹没系数表Tab.1 The submergence coefficient of practical weir

步骤3根据式(3)解出水流通过堰产生的局部水头损失ΔH。

(3)

1.3 阻尼坎水力计算

通过流体力学中明渠内堰流淹没溢流的基本原理，对下游尾水闸门室水位分别在1 403 m水位下的共3种典型设计工况加装阻尼坎后的支渠内流态进行计算仿真，探寻阻尼坎在不同工况下通过局部水力损失进行消能减振的适应规律奠定基础。

(1) 计算工况1：当机组发电水头Ht=72 m，发电功率为额定功率N=200 MW时，尾水支渠内水深为10 m，各支渠内流量Q1=310 m3/s。

支渠内加装的梯型阻尼坎高度为P=1 m，该工况下堰流水力计算结果如表2所示。

表2 计算工况1的水力计算结果Tab.2 The hydraulic calculation results of calculation condition 1

(2) 计算工况2：当机组发电水头Ht=72 m，发电功率为额定功率N=120 MW时，尾水支渠内水深为10 m，各支渠内流量Q1=186 m3/s。

支渠内加装的梯型阻尼坎高度为P=1 m，该工况下堰流水力计算结果如表3所示。

表3 计算工况2的水力计算结果Tab.3 The hydraulic calculation results of calculation condition 2

(3) 计算工况3：当机组发电水头Ht=72 m，发电功率为额定功率N=200 MW时，尾水支渠内水深为10 m，各支渠内流量Q1=310 m3/s。

支渠内加装的梯型阻尼坎高度为P=2 m，该工况下堰流水力计算结果如表4所示。

表4 计算工况3的水力计算结果Tab.4 The hydraulic calculation results of calculation condition 3

2 阻尼坎设计

2.1 结构设计

通过改变尾水渠的水力阻尼，可达到消减机组稳态运行时水力振荡，稳定电站尾水流态的目的。考虑到具有淹没消能作用的尾水支渠型衬砌段中流态复杂，如图2所示，初步设计在尾水闸门室后的尾水支渠型衬砌段上设置挡水建筑物，取名阻尼坎，以增加水头损失。

图2 尾水支渠结构和阻尼坎位置布置图Fig.2 The layout of tailrace branch canal structure and damping sil

如图3所示，阻尼坎截面为梯形，迎水面为斜坡式进水口，斜边与底部之间的夹角为锐角。安装在两台水轮发电机共用尾水渠之前的某一台尾水支渠底部，并且与尾水支渠的宽度相等。在设定的高度值的情况下，所产生的局部水头损失能够降低尾水支渠压力振荡幅值。

图3 阻尼坎设计图Fig.3 The design drawing of damping sil

2.2 阻尼坎建模仿真

2.2.1 模型构建

为进一步探究上述设计方案的合理性，根据某大型电站尾水支渠尺寸，通过Fluent软件[15]进行明渠网格搭建和三维动力学仿真计算，仿真中阻尼坎结构形状分别如图4所示。

2.2.2 多工况仿真

利用FLUENT软件，采用标准的k-ε模型与VOF多相流模型，进行仿真计算，边界条件为：

(1) 入口处：根据自由水面高度，水面以下为液相，设为速度入口；自由水面以上气相，设为和液相同样的速度入口。速度入口条件中，给定初速度，选择湍动能k和紊流耗散率，具体值由公式计算可得出。

(2) 出口处：电站尾水出口为明渠出口，出流边界定为明渠边界，出口边界条件设置为压力出口。

(3) 壁面边界条件：壁面采用标准壁面函数，定义为无滑动边界条件，设置壁面粗糙常数为0.014。

考虑到在渠道内增设宽顶堰具有一定的工程可实现性，因此拟建议在尾水支渠中增设一定高度的阻尼坎，使得渠内局部水头损失在原设计基础上增加。

按照水深10 m，分别对应尾水闸门室水位1 400 m和1 403 m，阻尼堰高度分别为1 m和2 m，进行了2组仿真试验。

试验1 当水深为10 m，堰高为1 m时，前后取两断面，压强分布如图5、图6所示。

图5 水深10 m，堰高1 m时堰前断面压力分布Fig.5 The pressure distribution in front of weir when water depth is 10 m and weir height is 1 m

图6 水深10 m，堰高1 m时堰后断面压力分布Fig.6 The pressure distribution of cross section behind weir when water depth is 10 m and weir height is 1 m

试验2 当水深为10 m，堰高为2 m时，前后取两断面，压强分布如图7、图8所示。

图7 水深10 m，堰高2 m时堰前断面压力分布Fig.7 The pressure distribution in front of weir when water depth is 10 m and weir height is 2 m

图8 水深10 m，堰高2 m时堰后断面压力分布Fig.8 The pressure distribution of cross section behind weir when water depth is 10 m and weir height is 2 m

2.2.3 仿真结果分析

利用FLUENT软件读取各断面底部压强平均值，前后两断面相减即为水力损失，数据汇总如下：

进行10 m水深计算时，液面以上气体给定了与液相速度入口相同的初速度，液面上部气体运动产生碰撞，部分气体向顶部壁面运动积压，故顶部压力亦大于中部。两者在自由液面处压强相同，区别在于对上部气体运动的考虑，不影响自由液面下部水流运动。

当明渠内水深为10 m，堰高为1 m时，水流流经明渠后造成的水力损失折合成水头为0.24 m；堰高为2 m时，水流流经明渠后造成的水力损失折合成水头为0.43 m；

由流体力学知识可知，当水深更大时，相同流量下水流流速较小，坎造成的水力损失应更小[16]，上述结果符合此规律。因此，三维仿真与水力计算中阻尼坎起局部水力损失随明渠水深及堰高的变化规律一致，从而进一步说明所建立模型的正确性。

3 控制效果对比分析

3.1 某电站基本概况及存在问题

3.1.1 电站基本概况

某电站安装4台200 MW水电机组，采用“一洞一室两机”及“单管单机供水”布置,每两台机组组成一个水力单元，如图9所示。每个水力单元采用“一压力引水道、一上游调压室、二压力管道、两台机、一尾水闸门室、一尾水洞”的布置格局。引水发电系统由进水口、2条长约2 642.33/2 680.81 m、内径14.5 m的压力引水道、2个阻抗长廊式引水调压室、4条长约140.79 m、内径9.2 m的压力管道、4条尾水连接管、2个尾水闸门室、2条无压尾水隧洞和出口组成。调压室下部用隔墙分为2室，上部连通。2条尾水隧洞为城门洞型。

图9 某电站厂房布置图Fig.9 The layout of a power plant

3.1.2 运行存在问题

2018年5月，西南电网和华中电网开展异步联网试验，发现该电站1～4号机组存在：有功低频振荡。

(1) 振荡幅值：最大为7.8 MW；

(2) 振荡周期：16 s(与西南电网异步联网后的固有振荡频率一致)。

电网要求：改变振荡幅值达到3 MW以下或者改变振荡频率。如该问题不能得到有效解决，机组将存在退出电网的风险。

通过对试验结果进行分析，由于机组运行时引用流量一定，机组上游水位没有明显波动的情况下，机组尾水闸门室处水压波动会传递至机组尾水管，导致机组工作水头同周期振荡，进而引起振荡。

3.2 工程解决方案对比分析

3.2.1 增加1 m高阻尼坎

根据测试及仿真结果，采用工程措施抬高尾水水位可消除有功振荡，但直接抬高尾水位会引起较大的水头损失，进而引起较大的出力损失，且抬高尾水位的永久性工程措施，不仅施工难度较大，工程量较大，而且工期较长，经济性较差。综合考虑，采用在尾水支管前，增设阻尼坎，增大水力阻尼，减小水力波动，进而控制功率振荡。

2019年4月，在二号水力单元3、4号机组尾水支管总长的2/3处各安装一个底长3 m，顶长1 m，高1 m，与尾水支管同宽的梯形阻尼坎。

2019年5月，完成了阻尼坎安装后的验证试验，其有功振荡情况如表5所示。

表5 3、4号机组第一次实际工程处理措施前后有功振荡对比Tab.5 The comparison of active power oscillation before and after the first practical engineering treatment measures of unit 3 and unit 4

加装1 m高阻尼坎后的有功振荡的最大幅值为4.6 MW和4.8 MW，比加装前的7.8 MW和7.9 MW有较大幅度的减小，说明尾水支管阻尼坎的增加对机组有功振荡起到了明显的抑制作用。

3.2.2 增加2 m高阻尼坎

2019年11月，利用两次测试取得的数据，进行进一步的仿真计算，确定二次处理时梯形坎的具体尺寸为底长5 m，顶长1 m，高2 m，与尾水支管同宽，即在原来的基础上高度增加1 m。

2020年1月，完成了二次加高后的验证试验，加装阻尼坎后的有功振荡情况如表6所示。

表6 3、4号机组第二次实际加高后措施前后有功振荡对比Tab.6 The comparison of active power oscillation before and after the measures after the second actual heightening of unit 3 and unit 4

加装2 m高阻尼坎后的有功振荡的最大幅值为2.1 MW和2.2 MW，比加装阻尼坎的7.8 MW和7.9 MW有更大幅度的减小，小于调度侧系统推送低频振荡信号3 MW要求，且除最恶劣工况外，原来的超低周期16 s振荡消失。说明第二次坎的增加，进一步对机组有功振荡起到了明显抑制作用，该电厂3、4号机组有功功率振荡问题圆满得到解决。