水电站水力机械过渡过程仿真计算

庞 敏

(华电金沙江上游水电开发有限公司苏洼龙分公司，四川 成都 610041)

0 引 言

动力系统运行中，不可避免地会出现不稳定状态，并从该状态变换到另一种稳定状态,这种不稳定过程即过渡过程[1-2]。水力机械过渡过程是一种复杂的非线性变化过程[3]，受到电网负荷、水流形态、水锤压力等因素的影响。在此过程中，水锤压力变化将导致水流冲量发生变化，进而造成冲量变化，变化越大，对过流部件的反作用力越大，可能造成变形破裂，甚至造成重大安全事故[4]。

为保证水电站安全经济运行，应对过渡过程进行水力分析和计算。水力机械过渡过程主要包括大波动、小波动和水力干扰过渡过程[5]，其计算的主要目的是确定水轮机转速上升值、引水管道及蜗壳水锤压力上升值等参数。研究水力机械过渡过程，对水电站具体结构设计有一定指导意义，对电站优化运行也能够提供有益的帮助，使机组运行更加稳定可靠，因此，对水电站水力机械过渡过程进行计算尤为必要。

本文以上崔树里水电站为例，基于河海大学水电站水力机械过渡过程仿真计算软件开展调节保证计算。对大波动过渡过程、小波动过渡过程、关闭规律优化、和调速器参数优化进行计算。

1 基本资料

1.1 水头损失计算

输水系统布置图(含进水口、引水隧洞、压力管道、调压井及尾水隧洞)见图1。根据水道资料计算各个计算点及管道的水头损失系数，取重力系数g=9.81，单机流量25.5 m3/s，机组台数两台，调压井截面积113.105 m2，局部水头损失系数Km统计见表1。

表1 局部水头损失系数Km统计

图1 输水系统布置图

沿程水头损失系数Kf统计见表2。

表2 沿程水头损失系数Kf统计

因此，可根据表1和表2计算出水头损失系数k=Kf+Km，根据上述分析，调压井入流系数为0.006 917 89，调压井出流系数0.003 891 31，水轮机进口到出口段不计损失，因损失已经包含在水轮机效率中。

1.2 水轮机转轮模型曲线处理

1.2.1 读取水轮机特性曲线

首先找到模型特性曲线和飞逸特性曲线，其中飞逸特性曲线不需要进行处理，模型特性曲线如图2(a)，飞逸特性曲线如图2(b)。

(a)模型特性曲线

进入计算程序选择建立数据文件——建立水轮机特性数据文件——从屏幕上读取水轮机特性后，软件即启动专用的读图程序。首先输入水轮机特性图形文件，读图时定义坐标轴，按照开度从小到大，转速由低到高的顺序逐点读取，尽量选择效率线与等开度线的交点。

1.2.2 处理和延长水轮机特性曲线

根据软件的要求进行水轮机特性曲线的延长，延伸前单位转速元素个数为5，飞逸特性导叶开度个数为8，从飞逸特性曲线中查得导叶开度，读取飞逸特性曲线上每个开度对应值，延伸后导叶开度元素个数不超过20个，选取18个，到最大开度。延伸后单位转速元素个数为13个，从飞逸特性曲线中查找转速从零到最大开度对应的转速。处理成功后的曲线见图3。

图3 处理成功后的曲线

2 数据构建

在对水电站第一次进行水力-机械过渡过程仿真计算前，应先建立数据文件，包括水电站水力-机械系统数学模型数据文件、起始工况数据文件、关闭规律数据文件、动态工况组合数据文件和水轮机模型特性数据文件。

在仿真计算时，根据数学模型数据文件自动形成大波动和小波动计算数学模型。本软件将节点分为十一种类型：上游节点、引水调压室节点、引水分叉节点、水轮机上游侧节点、水轮机下游侧节点、尾水分叉节点、尾水调压室节点、下游节点、管道中间节点、明流洞中间节点和管道-明流洞节点。建立系统数学模型数据文件时，从上游节点开始，按实际系统依次输入，直至下游节点。

选定每个节点类型，输入节点高程和输入后接管道(包括隧洞)参数，包括：ΣL/S、水力损失系数K、长度L和波速等。其中，ΣL/S为各分管段的长度/面积之和；水力损失系数K=ΔH/Q2，ΔH为流量为Q时的水头损失。输入数据后，确定计算步长和迭代计算的允许误差，在给定计算步长时，得到各管段计算波速和给定波速之间的相对误差；用户可再次修改计算步长，直到满意为止。最后输入水电站水力-机械系统数学模型数据文件名，采用水电站名的拼音缩写为数学模型数据文件名，并赋予后缀名为“dat.”。

起始工况是指过渡过程开始前的机组工况，首先输入水电站上游水位、下游水位和每台机组的起始转速、起始功率、起始导叶开度等参数。如起始功率不为零，起始导叶开度由软件确定，输入的起始导叶开度只作为软件计算起始工况的初始值；如起始功率为零，软件按起始开度确定起始功率。

关闭规律是机组在事故甩负荷后的关闭规律。首先选取需要的关闭规律，然后输入数据。分段关闭规律可有两段关闭和三段关闭，对两段关闭规律要给出第一段关闭时间、第二段关闭时间和第一分段点导叶开度，同时应将第三段关闭时间设为与第二段关闭时间相同，第二分段点导叶开度设为与第一分段点导叶开度相同；对三段关闭规律要给出第一段、第二段和第三段关闭时间以及两个分段点的导叶开度。

3 仿真计算

3.1 大波动计算

大波动过渡过程计算是在给定初始工况、给定动态工况组合和给定关闭规律下的水力-机械过渡过程。

首先输入水电站水力-机械系统数学模型数据文件。输入起始工况文件名。如有多台机组，在修改完当前机组数据后，单击“下一台”，软件显示下一台机组的参数，用户可进行修改。单击“继续”后，输入动态工况组合数据文件名。根据输入的关闭规律估算机组仿真计算所需时间长度。仿真计算结束后软件将显示起始工况、关闭规律和计算结果。

3.2 关闭规律优化计算

关闭规律优化计算是在给定初始工况时对事故甩负荷后关闭规律进行优化计算。

首先输入水电站水力-机械系统数学模型数据文件名，读入数学模型数据文件后，输入起始工况文件名，即进行起始工况计算，并显示计算结果。在显示和修改最后一台机组的数据后，输入关闭规律数据文件名和需要进行优化计算的机组号，优化计算结束后，软件将显示优化计算结果。用户在分析优化计算结果后，软件将对最优关闭规律下的过渡过程进行计算。

3.3 小波动过渡过程计算

小波动过渡过程计算是在给定初始工况和给定调速器参数时的阶跃扰动或负荷扰动过渡过程。

输入数学模型数据文件，待读入后，再输入起始工况文件名，即进行起始工况计算，并显示计算结果。

仿真计算结束后将显示当前机组过渡过程计算结果-调节时间和最大转速超调量。

3.4 调速器参数优化计算

调速器参数优化计算是计算在给定初始工况时调速器最优参数。

调速器参数有比例增益Kp、积分增益Ki、微分增益Kd和永态转差系数bp、空载开度和起动开度。软件采用排列组合法进行优化计算，在选定Kd值条件下对Kp和Ki排列组合，对每一组均进行阶跃扰动过渡过程仿真计算，并求出目标函数，按目标函数最小求出在Kd给定时的Kp和Ki组合。软件便在左上角显示正在计算Kp和Ki值，计算结束后显示给定Kd时的最优Kp和Ki组合以及相应目标函数。对不同Kd值进行上述计算，最后求出调速器参数最优整定。软件还计算出最优参数时的阶跃扰动过渡过程。

仿真计算时，为了便于计算文件的输入、整理、查找，取名尽量简单。计算机组的大波动、小波动时，时间大约取60 s内；调压井大波动及小波动计算时间大约取1 000 s，如果时间取得都一样会导致图形文件比例失调严重影响直观观察，则计算过程应与水工设计进行背靠背计算，分别核算机组及调压井的大、小波动。

经过计算，本电站：

(1) 机组甩负荷最大转速升高率小于50%。

(2)机组甩负荷的蜗壳最大压力升高率小于50%。

(3) 尾水管进口最大真空度值小于0.08 MPa。

4 结 语

应用水电站水力机械过渡过程仿真软件，基于模型和数据对上崔树里水电站大波动过渡过程、小波动过渡过程、关闭规律优化、和调速器参数优化进行计算，有利于进一步理解水电站过渡过程原理及软件计算步骤和方法，在工程实际中提高应用效率。

仿真计算结果表明，仿真软件可靠性高，结果准确，能较好地反映水电站运行特性，符合工程应用实际。

结合水电站数据收集和仿真计算，在电站运行维护中能更好地了解机组动态参数和运行状态，有利于减少事故、消除隐患，增强了电站运行维护工作的安全性，又提高了运行维护人员的专业技术。