岔管供水不穩定分析與處理

邵彬

（烏魯瓦提水力發電廠，新疆 和田 848000）

岔管供水不穩定分析與處理

邵彬

（烏魯瓦提水力發電廠，新疆 和田 848000）

通過對烏魯瓦提水電廠的岔管供水方式進行介紹，同時對岔管供水的壓力波動和引起的頻率波動進行分析，采用選擇機組的運行工況、調速器的運行方式、改進調節算法等方法抑制岔管供水對調速器調節所帶來的影響，使機組在孤網下運行得以穩定。

岔管；孤網；調速器；參數；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立軸混流式水輪發電機組，設計水頭78m，水庫多年平均水頭102m，4臺機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。調速器為武漢三聯水電控制公司生產的BWT-80型PLC步進式調速器。于2000年投入運行，在2007年以前和田地區電網為孤立小電網，總容量約為100MW。烏魯瓦提水電廠作為第一調頻廠，一直以來擔負著地區電網的調峰調頻任務。由于電網較小，頻率容易波動，只要波動稍稍較大就會引起電網頻率在45Hz～52HZ之間來回振蕩，導致低頻減載裝置頻繁動作，給地區電網的運行安全帶來極大的隱患，供電質量嚴重低下，嚴重影響電網和機組的安全運行。

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容量占據了全網的60%份額，且作為第一調頻廠，其頻率控制不穩定，將會導致全網頻率變化范圍不合格。為了保證調頻的速動性，四臺機組運行中都處于孤網轉速調節狀態。調速器參數給定也較為靈敏，如表1所示。

表1 調速器參數配置表

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

式中：E0為水的彈性系數，一般為2.1×105N/cm2；E為管壁材料的彈性系數，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。

當機組負載改變時，機組轉速將發生變化，調速器動作，導葉開度發生變化，引起管道系統的水力瞬變，管壁所產生的水擊波從蝸殼處一方面經過L/a=422m/1000m/s=0.422s到達水庫，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值發生反射，經過2L/a=0.844s返回到本機蝸殼處，同時反射到其他三臺機組蝸殼處。另一方面水擊波直接經過L/a=0.07s～0.05s到達相鄰機組。這樣直接和間接水擊引起相鄰機組負荷發生大幅度變化。加上前面所述，調速器參數較為靈敏，爭相調整頻率，再次造成大的水擊，如此反復，惡性循環下去，導致4臺導葉接力器來回抽動，頻率處于大幅度振蕩狀態。

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

2 處理措施

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

2.1 合理選擇機組的運行工況

機組運行在大網下，調速器一般處于功率調節或者開度調節狀態，而在孤網下時，調速器處于轉速調節狀態，但經過現場的實際觀察，發現該調速器大網轉孤網時間較長為40s，也就是說調速器在大網下判斷頻率下降或升高超過頻率死區40s才進行調節。而在孤網下，40s也就意味著頻率下降到很大數值，因此，此時再進行調整將會導致頻率偏差極大，引起超調現象，而超調就可能引起壓力波動較大。因此，合理的選擇大網轉孤網時間，將會使調速器處于合適的運行工況下運行，對調速器程序中將該時間改為5s。

2.2 合理選擇調速器參數

原有調速器參數選擇如表1所示，4臺機組頻率人工死區設置均相差不大，而在地區孤網中，一般頻率變化范圍較大，處于±0.5Hz范圍，當遇有大負荷投退時將遠遠超過該值，且bP值一致，無法形成全廠機組的有差調節，一旦頻率波動較大時，將會輕易引起4臺調速器共同調節，導致調節力度過大而產生超調現象，因此，需要重新對參數進行選擇，使各機組形成有差調節，呈階梯調節方式，也就是當頻率較小變動時，由一臺機組或兩臺機組擔任調節任務，其他幾臺機組待命，逐漸減小頻率的波動范圍，即使遇有大波動的情況下，4臺機組同時調節，由于合理設置了永態轉差系數bp，使調節力度不至于過度。見表2。

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2.3 改進調節算法

調速器采用增量式PID調節規律，其算法表達式如下：

由式可見其 PID調節中與頻差△f（i）有著重要的聯系，機組靜態穩定狀態下的等效表達式yc-y=（fc-fg）/50bp[5]，式中：fc為頻率給定，單位是 Hz；fg為機組頻率，單位是Hz；bp永態轉差系數；y為導葉接力器相對值，值范圍0～1；y為導葉接力器開度給定相對值，取值范圍0～1。根據表達式可模擬頻率在4種情況下即50±0.3和50±0.8變動下調速器的靜態特性數據見表3。

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由表3可以看出，在電網或機組頻率超出頻率人工死區后，調速器將會參與調節，其開度與超出頻率死區的頻差成正比，電網頻率發生小波動時，一臺或兩臺調速器以較小的調節力度調節頻率，可以保證頻率在正常范圍之內。當電網突然發生大負荷投退或切除時，對于孤網運行的機組來說，頻率將會發生大幅度變化，導致更多機組參與調節，造成超調的現象，同時由于岔管的原因，使調節品質更加惡化。為了保證多臺機組調節的情況下不發生頻率變動較大的現象，對調節規律進行修改，將PID中計算的頻差減去頻率死區，這樣就可以減少其調節力度，即△f（i）=△f（i）-E。

具體做法是在原調速器PLC負載子程序中增加一段程序：當調速器為負載運行狀態時，且為開度調節或功率調節狀態（頻率調節狀態時不執行該段程序），首先判斷頻差是否大于頻率死區，若大于，則△f（i）＝△f（i）-E，反之則△f（i）=0。 見圖 3。

圖3 調速器PLC梯形修改圖

根據新的算法，仍然按照原來模擬頻率得到開度變化數據，見表4。從表中數據可以看出，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，這就可以減小機組在孤網運行狀態下四臺機組同時調節的超調量。

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3 結束語

烏魯瓦提水電廠通過對岔管水力情況的分析，找到了孤網狀態下調節不穩定的根本原因，通過對調速器工況轉換的調整，參數的修改、調節算法的改進，解決了困擾多年孤網狀態下調節不穩定的問題，為地區電網的安全穩定運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節[J].水電自動化與大壩監測，2008，32（6）：26-27.

[3]李永國.調速器的調試與故障處理[M].南京：河海大學出版社，1999.94-96.

[4]魏守平.現代水輪機調節技術[M].武漢：華中理工大學出版社，2002.

[5]魏守平.水輪機調節[M].武漢：華中理工大學出版社，2009.

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1672-5387（2011）02-0061-03

2010-10-11

邵彬（1982-），助理工程師，從事水電站生產技術管理工作。