水轮机导叶关闭过程的探讨研究

为了充分揭示水轮机导叶不同关闭过程对水轮机甩负荷过渡过程的影响,选择导叶两段关闭规律,针对第一段关闭时间、第二段关闭时间和导叶位置拐点开度,探讨这3个关键参数对机组转速变化和蜗壳水压力变化的影响,对工程实例进行计算分析,得出了导叶两段关闭过程的规律并进行了优化。合理的水轮机导叶两段关闭过程可以有效的解决机组甩负荷时转速升高和蜗壳水压上升这一矛盾,从而更有利于提高水电站运行的稳定性和安全性。     

天荒坪机组突甩负荷试验工况蜗壳进口压力的统计特性剖析

本文从天荒坪抽水蓄能电站水轮机突甩负荷工况蜗壳进口压力的真机测试资料统计结果着手，利用特征线原理对其双峰特性进行分析和理论上的延伸，最终得出如下结论：(1)当机组采用先快后慢的两段折线式导叶关闭规律，且其拐点位置没有进入机组特性曲线的反“s”区域，蜗壳进口压力将呈双峰现象：第一峰对应于导叶关闭规律的拐点位置，第二峰出现在当机组单位转速为反水泵区域内的第一个最小值的瞬时，且其值大于第一个峰值。若机组关闭规律不变而拐点位置已经进入反“s”区域，蜗壳进口压力将呈现为单峰形态。(2)当机组采用先慢后快的两段折线式导叶关闭规律时，蜗壳进口压力只有单峰。     

遗传算法在水轮机非固定模式导叶关闭规律中的应用

水轮机非固定模式导叶关闭规律是指按水轮机初始工况参数适时地确定最佳导叶关闭方式。这种适时的水轮机导叶关闭方式对于水电站大波动过渡过程具有较好的参数控制作用,能在不改变任何基础设施的前提下降低水电站过水系统最高水锤压力和机组转速,给水电站的运行带来较大的经济效益。在对非固定模式导叶关闭规律的优化中遗传算法有较高的优化效率,其中主要表现在算法简单、全局搜索性好、收敛性高、优化结果稳定。     

水轮机导叶接力器关闭端节流孔的计算

1问题的提出与计算依据众所周知,在水轮机调节过渡过程中,由于引水管内水流速度的变化,因水流惯性而引起管内水压变化的现象称为水锤。当产生水锤时,水锤波由引水管末端传至水库,再由水库反回到引水管末端所经历的时间称为管道反射时间。只有当导叶接力器的关闭时间大于管道反射时间时,引水管内才不会产生直接水锤,这一论点就是本文提出的导叶接力器关闭端节流孔尺寸计算方法的依据。当水轮发电机组甩去额定负荷的情况下,一般在电站设备设计和在水轮机调节保证计算中都会考虑和计算引管内的水压上升问题,使其最大瞬间水压上升不超…     

水轮机反水泵工况下导叶异常回开分析

文章介绍800MW巨型水轮发电机组在低于最低工作水头下进行过速试验时,导叶在关闭过程中发生异常回开现象。通过对试验中接力器开关腔压力及水轮机无叶区压力变化进行分析,认为试验中导叶异常回开现象与机组意外进入反水泵工况有直接关系。因反水泵工况在活动导叶的入口和出口处存在大量的回流涡结构,导致导叶异常回开。当高于最低工作水头时,异常现象消失。     

水泵水轮机反S特性对甩负荷过程压强的影响

基于长龙山抽水蓄能电站输水发电系统,采用两套不同比转速的水泵水轮机全特性曲线,模拟了电站同时甩负荷工况,结合机组工况点的迁移轨迹,总结了水泵水轮机过渡过程的规律性特征。给出了S特性角的定义,可用于评价水泵水轮机特性曲线反S区域对过渡过程的影响,比较了不同反S形特性曲线对过渡过程参数的影响,验证了给出的S特性角,同时也分析了导致过渡过程参数差异的原因。结果表明,甩负荷过渡过程参数极值均发生在机组飞逸点和零流量点附近的区间,该区域特性曲线的S特性角越小,其压强极值工况点越远离反水泵区,对应时刻的流量更大,流量变化率更小,过渡过程中压强极值得到较大改善。     

水电机组有功波动分析及处理

针对水电机组普遍存在的由于输(引)水系统"水锤效应"及水轮机非线性特性而造成的负荷调节过程中机组功率反调现象,通过理论分析及仿真得出了影响水电机组功率反调的主要因素为水轮机时间常数Tw、导叶关闭时间和综合调节系数e。据此对某水电厂3号机组有功功率波动现象进行了系统检查及原因分析,进行了一系列参数敏感性分析实验,最终优化了调速器导叶关闭速率。实验结果表明,机组有功反调幅值大幅降低,调节品质大幅改善。     

水泵水轮机甩负荷过渡过程中脉动压力的模拟

水泵水轮机甩负荷过渡过程中脉动压力幅值较大,甚至可达近百米,但一维数学模型计算所得为均值压力,即水击压力,无法模拟脉动压力。工程设计中通常依据经验确定脉动压力极值的变化范围,但无从考虑不同水泵水轮机、甩负荷不同工况轨迹线的对脉动压力的影响。为此本文利用水泵水轮机模型试验脉动压力等值线图,并结合甩负荷工况轨迹线对脉动压力的幅值进行预测,结果表明预测值与实测值的波形基本一致。该方法不仅能较准确地模拟由水击压力和脉动压力构成的总动水压力,而且有利于导叶关闭规律的优化,即优化甩负荷工况轨迹线,避开脉动压力最严重的区域(大开度飞逸点附近区域),使得总动水压力极值最小。     

水轮机导叶“先快后慢”关闭规律适用性研究

导叶关闭规律的优化是水电站调节保证计算的重要研究内容，采用合理的关闭规律降低水锤压强与限制机组转速升高，是一种经济有效的措施。本文基于某实际水电站，建立了引水发电系统过渡过程数学模型，模拟了电站控制工况下的过渡过程，研究了导叶关闭规律对输水系统的影响，结论表明先快后慢的导叶关闭规律适用于水锤极值和转速极值出现在不同工况的水电站。先快后慢分段关闭规律解决了该类电站一段直线关闭无法满足调保计算要求的问题。     

导叶不同步装置降低蜗壳进口压力的机理研究

利用基于特征线原理的蜗壳进口压力的表达式，结合含导叶不同步装置的水泵水轮机的全特性曲线，对高水头抽水蓄能电站中，低比转速水泵水轮机甩负荷时，导叶不同步装置降低蜗壳进口压力的机理进行了理论分析和探讨。导叶不同步装置的及时投入，增大了流量特性曲线在“S”特性影响区内的正斜率，减小了水轮机甩负荷时每一时间步长内的蜗壳进口压力的上升幅值，从而在一定程度上降低了蜗壳进口压力的最大值，但并不改变蜗壳进口压力的双峰特性。另外，在水轮机甩负荷工况的同时，MGV装置的延时投入时间越短，预开启导叶的附加开度的增加速率越快，蜗壳进口压力的最大值就降低的越多。     

交流励磁抽水蓄能机组快速功率响应控制策略

基于交流励磁抽水蓄能机组运行特点,分别建立可逆水泵水轮机和交流励磁电机数学模型;针对可逆水泵水轮机在不同运行模式下的输出特性,分别建立水轮机工况和水泵工况下的负荷特性优化流程;结合电动和发电运行工况,提出功率由交流励磁调节,转速或导叶由可逆水泵水轮机控制的抽水蓄能机组快速功率响应控制策略。通过与传统转速励磁控制策略进行仿真比较,结果表明所提控制策略能够同时提高机组的功率响应速率和可逆水泵水轮机运行效率。     

负载工况水轮机变速运行仿真研究

针对变速水电机组调节控制的研究需求,本文在研究可变速水轮机调速控制系统动态模型和控制策略的基础上,搭建了可变速水电机组的MATLAB/Simulink仿真平台,开展了变速水轮机组大幅度增/减负荷动态过程仿真,分析了电液随动系统接力器动作速度限制、电液随动系统滞后时间对变速机组减负荷过程的影响。仿真研究表明：（1）本文提出的基于接力器行程误差、转速误差的双闭环PID控制器能够同时实现水轮机转速、导叶开度的无差调节;（2）变速机组大幅度减负荷过程对水轮机而言相当于常规水电机组的甩负荷过程,伴随着转速、水压过高/低的情况;（3）电液随动系统滞后时间、动作速度对变速水轮机负载工况下转速、接力器行程、水轮机水压、单位参数的动态响应过程影响显著,限制了负载工况一次调频、负荷调节的幅度。     

抽水蓄能机组泵工况分阶段启动及经济运行

在仙游抽蓄电站机组调相转抽水的过程中,由于导叶开启过快,使得电机功率改变量较大,导致电网频率波动较大。对此,本文提出了在泵工况采用导叶分阶段线性启动的解决方法。基于高扬程水泵水轮机模型转轮特性数据,研究了不同导叶开度时机组运行的稳定性;分析了水泵流量、轴功率、效率与扬程和导叶开度的关系,提出了确定泵工况高效经济运行最大导叶开度的方法。通过对水泵和水轮机工况区压力脉动的比较分析,得出水轮机工况的压力脉动比水泵工况相同位置的大得多,所以水泵工况也可以采用导叶开度分阶段开启方式的重要结论。对水泵零流量工况的分析表明,当水泵启动时,采用缓慢开启导叶的方式有利于避免发生较大的零流量压力脉动现象。同时,选择较小的导叶开启目标开度有利于减小零流量压力脉动强度。最后,水力过渡过程计算示例表明,在水泵启动过程每个阶段导叶保持不变的过程中,水压和轴功率波动幅度较小且很快衰减,机组能够稳定运行,发生超过水轮机工况压力脉动的风险微小。由于高水头或高扬程水泵水轮机转轮单位流量和力矩特性及压力脉动具有类似特点,上述结论也可供其它抽蓄电站参考。     

冲击式水轮机两段折线关闭的临界折点与最大水锤

冲击式水轮机喷针两段折线关闭规律的折点以往只通过优化额定工况的水锤确定,未考虑冲击式水轮机在甩部分负荷时发生最大水锤的问题。针对该问题,应用冲击式水轮机喷针直线关闭规律下的最大水锤规律,分析得到适用于喷针关闭规律为一般情形时的两个推论:其一,喷针关闭规律图上某一大于等于一个相长直线段的区域性最大水锤总发生在该直线段末端时刻;其二,如果任意工况下喷嘴完全关闭前,喷嘴末端均无负水锤出现,喷针全工作范围全关闭时间范围内最大水锤压力等于所有工况下最大的第一相末水锤压力。基于两个推论,推导了冲击式水轮机两段折线关闭时临界折点公式,得出当三个判别公式成立时,临界折点公式推导所依据的两个区域性最大水锤也是全工作区域时间区域上最大水锤的结论。     

活动导叶开度对水泵水轮机泵工况的影响研究

为了解水泵水轮机泵工况活动导叶启闭过程中的性能,参考某抽蓄电站的水泵水轮机建立数值计算模型,对导叶不同开度时的流动特征进行分析。采用SIMPLEC算法和SST k-ω模型详细分析了泵工况不同导叶开启角度下转轮、导叶附近的流场,结合实验数据对各操作工况下的性能进行分析。结果表明,当活动导叶开启角度γ小于18°时,涡的强度大能量损失多,并且出现平面射流,扬程随着γ减小而迅速降低;当γ大于21°时,涡量分布均匀,涡结构产生的能量损失小,同一流量下不同γ的扬程和效率基本保持不变;操作工况下不同γ的扬程均与流量呈线性关系。结论为水泵水轮机的操作工况选择提供依据,也可以指导水泵水轮机的优化设计。     

混流式水泵水轮机小开度S特性区内流特性分析

混流式水泵水轮机普遍存在S特性区,严重影响蓄能机组的安全稳定运行,其产生的内在原因和解决方法是目前研究重点。本文以模型水泵水轮机为研究对象,对小导叶开度下的水轮机及反水泵运行的多个工况进行了整体流道的三维数值计算,探讨小导叶开度下S特性区机组内部的三维流动特性。选取了性能曲线在S形区域的不同运行工况点进行内流特性分析,发现在飞逸附近工况导叶和转轮内主要表现为漩涡流;在制动工况活动导叶和转轮间的无叶区内表现为明显的"水环"状流态,仅有少部分水流能流入转轮;反水泵工况的流动则更加复杂,整个流道中均有大量的漩涡流存在。综合S特性区的三维流动特性发现,当机组运行在小流量制动工况时,无叶区内的回流会堵塞通道,造成转轮不能在更高的转速下维持该小流量状态的运行,表现为在特性曲线飞逸点附近开始发生S形的弯折。     

水轮机在甩负荷过渡过程中导叶分段关闭的研究

本文对水轮机在甩负荷过渡过程中导叶关闭规律进行了一些初步探讨,研制了一种分段关闭装置,可他调速器和事故配压阀在事故关闭机组时能改变关闭性能。     

含导叶不同步装置的水泵水轮机全特性的内特性解析

利用叶片式水力机械内特性解析理论,建立了含导叶不同步装置的水泵水轮机的水轮机区和反水泵区的全特性曲线的数学表达式,得出了求解这两种工况下当量开度的方法。结合水泵水轮机生产厂家所提供的原始模型全特性曲线,对水轮机飞逸工况特征点和水轮机零流量工况特征点给出经验计算公式。含导叶不同步装置机组的理论全特性曲线与实测全特性曲线的对比验证了该理论的工程实用性。     

灯泡贯流式机组调速器的特点及应用

以泰国NARESUANA电站灯泡贯流式水轮发电机组及其调速器为例证,着重说明了灯泡贯流机组的特点,阐述了调速器的步进电机系统研制和应用:1采用适应式、变结构、变参数、并联PID调节模式,使机组在不同状态下均能稳定运行;2采用变参数导叶分段关闭装置,根据水头、负荷、频率等机组工况自动改变导叶分段关闭投入点,减少了快速关闭时造成水击压力的升高,并防止涌浪、低频及水锤的发生;3桨叶根据机组频率自动改变关闭速度,防止涌浪、低频及水锤的发生。     

改善水轮机过渡过程品质的导叶异步关闭方式

水电站运行实际表明,甩负荷过渡过程中,机组发生转速上升和系统水压力上升有可能诱发重大事故,特别是水头较高的水电站,压力上升过高对水力机械装置的安全性影响重大。为了降低压力上升值,本文提出了水轮发电机组甩负荷过渡过程的一种合理关闭方式,经与常规关闭方式的数据相比较,可以显著改善水轮机装置甩负荷过渡过程的动态品质,显著降低水轮机引水系统的水压上升值。