機(jī)組甩負(fù)荷過程分析

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1、在水電站中甩負(fù)荷是一種常見的現(xiàn)象。水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)生甩負(fù)荷后，巨大的剩余能量使機(jī)組轉(zhuǎn)速上升很快，調(diào)速器迅速關(guān)閉導(dǎo)葉并經(jīng)過一段時(shí)間的調(diào)整，重新穩(wěn)定在空載工況下運(yùn)行。在甩負(fù)荷過程中，除了調(diào)節(jié)保證計(jì)算所關(guān)心的最大轉(zhuǎn)速上升值和最大水擊壓力上升值外，還要對甩負(fù)荷動態(tài)過程品質(zhì)指標(biāo)的優(yōu)劣進(jìn)行考核。??我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T9652.1—1997“水輪機(jī)調(diào)速器與油壓裝置技術(shù)條件”［2］和國際電工委員會IEC61362(1998)“水輪機(jī)控制系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程”［1］中對水輪發(fā)電機(jī)組甩100%額定負(fù)荷后動態(tài)品質(zhì)均有規(guī)定，其中IEC規(guī)定如下：①調(diào)節(jié)時(shí)間tE—從甩負(fù)荷開始到進(jìn)入空載轉(zhuǎn)速的相

2、對偏差小于±1%為止的時(shí)間；②最高轉(zhuǎn)速nmax—甩負(fù)荷后的最大轉(zhuǎn)速(在tm時(shí)刻)；③最底轉(zhuǎn)速nmin—甩負(fù)荷后的最小轉(zhuǎn)速；④推薦值—tE/tM=2.5～4.0(對于轉(zhuǎn)速自由緩慢下降的水斗式機(jī)組和高水頭混流式水輪機(jī)，其數(shù)值可達(dá)15)，nmin/nr＝0.85～0.95(僅適用于與電網(wǎng)解列后提供廠用電的機(jī)組)，如圖1所示。圖1甩負(fù)荷過程曲線????為了討論問題方便起見，本文將調(diào)節(jié)時(shí)間tE分解為轉(zhuǎn)速上升時(shí)間tM、轉(zhuǎn)速下降時(shí)間tD、轉(zhuǎn)速調(diào)整時(shí)間tR三部分之和，即tE=tM+tD+tR。1甩負(fù)荷動態(tài)過程的品質(zhì)指標(biāo)分析????1.1轉(zhuǎn)速上升時(shí)間(tM)機(jī)組甩100%額

3、定負(fù)荷后，由于剩余能量巨大，轉(zhuǎn)速上升很快。正常情況下，調(diào)速器以最大速度關(guān)閉導(dǎo)葉到零開度，轉(zhuǎn)速上升時(shí)間tM=tc+tn，其中：tc為調(diào)速器遲滯時(shí)間，取決于調(diào)速器的死區(qū)大小、機(jī)組轉(zhuǎn)速的上升速率以及運(yùn)行工況等，調(diào)速器在非限制條件下，tc一般大約在0.2s～0.3s。????tn為調(diào)保計(jì)算中的升速時(shí)間，被定義為自導(dǎo)葉開始動作到最大轉(zhuǎn)速所經(jīng)歷的時(shí)間。升速時(shí)間tn與取決于水輪機(jī)主動力矩和機(jī)組慣性力矩之比，即與機(jī)組特性有關(guān)。采用比轉(zhuǎn)速(ns)統(tǒng)計(jì)法有：tn=τn·T′s，τn為相對升速時(shí)間，τn=0.9-0.00063·ns［5］?？梢钥闯?，相對升速時(shí)間τn隨比轉(zhuǎn)速的增加

4、而減少，即低比轉(zhuǎn)速、高水頭水輪機(jī)相對升速時(shí)間大，高比轉(zhuǎn)速、低水頭水輪機(jī)相對升速時(shí)間小。T′s為導(dǎo)葉直線關(guān)閉時(shí)間。????由于遲滯時(shí)間tc較升速時(shí)間tn小得多，一般情況下，可將轉(zhuǎn)速上升時(shí)間tM等同于調(diào)保計(jì)算中的升速時(shí)間tn看待。根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料大多機(jī)組的tM=(2～6)s［３］。????1.2轉(zhuǎn)速下降時(shí)間(tD)它表示機(jī)組甩負(fù)荷后，導(dǎo)葉直線關(guān)閉到零并一直保持到零開度(相當(dāng)于機(jī)組緊急停機(jī))情況下，自最高轉(zhuǎn)速下降到空載轉(zhuǎn)速區(qū)域?yàn)橹沟臅r(shí)間，或稱為最快轉(zhuǎn)速下降時(shí)間。在最高轉(zhuǎn)速之前，機(jī)組處于水輪機(jī)工況，之后，進(jìn)入制動和反水泵工況，轉(zhuǎn)輪區(qū)的水起阻力作用，再加上機(jī)械摩擦阻力矩及

5、電磁阻力矩等，機(jī)組轉(zhuǎn)速開始下降。????轉(zhuǎn)速下降時(shí)間tD大小取決于水輪機(jī)阻力矩和機(jī)組慣性力矩之比。當(dāng)水輪機(jī)力矩特性近似為線性時(shí)，水力降速阻力矩與升速主動力矩基本對稱(如一些可逆式水泵水輪機(jī))，并且導(dǎo)葉關(guān)閉不受限制時(shí)，tD≈tM。但由于導(dǎo)葉開度只能關(guān)閉到零位，水對轉(zhuǎn)輪的阻力作用受到限制，轉(zhuǎn)速下降減緩，因此tD＞tM。對于低水頭、大流量、高比速的水輪機(jī)，空載開度較大，在甩負(fù)荷過程中，水力升速主動力矩作用時(shí)間縮短，水力降速阻力矩作用時(shí)間延長。同時(shí)由于機(jī)組尺寸大、機(jī)械摩擦阻力矩亦較大。因而，相對升速時(shí)間τn較小。相反，對于高水頭、小流量、低比速的水輪機(jī)，空載開度較小

6、，水力降速阻力矩作用時(shí)間遠(yuǎn)小于升速主動力矩作用時(shí)間，再加上尺寸小、機(jī)械摩擦阻力矩較小，相對升速時(shí)間τn較大，此時(shí)tDtM。????由于轉(zhuǎn)速進(jìn)入大波動范圍，主配壓閥限幅限制了主接力器的關(guān)閉與開啟速度，主接力器限幅限制了調(diào)速器對水輪機(jī)的控制能力的發(fā)揮等等?？砂阉ω?fù)荷過程劃分為大波動和小波動兩個(gè)階段分別對待。大波動過渡過程階段(轉(zhuǎn)速上升時(shí)間tM和轉(zhuǎn)速下降時(shí)間tD時(shí)段內(nèi))與調(diào)節(jié)保證計(jì)算結(jié)果有關(guān)，而與調(diào)速器的調(diào)節(jié)控制性能無關(guān)，這一階段只要求調(diào)速器能正常關(guān)閉和開啟。轉(zhuǎn)速從大波動到小波動的過渡階段、以及進(jìn)入到小波動階段，甩負(fù)荷過程的動態(tài)品質(zhì)才取決于調(diào)速器的調(diào)節(jié)控制性能。?

7、???1.3轉(zhuǎn)速調(diào)整時(shí)間(tR)轉(zhuǎn)速調(diào)整時(shí)間tR是指轉(zhuǎn)速以最快速率第一次下降到進(jìn)入空載區(qū)域開始到最終進(jìn)入空載穩(wěn)定區(qū)域所經(jīng)歷的時(shí)間。理想情況是當(dāng)轉(zhuǎn)速以最快速度下降到空載轉(zhuǎn)速區(qū)域時(shí)，迅速打開導(dǎo)葉到空載開度，使轉(zhuǎn)速不再超出空載穩(wěn)定區(qū)域，此時(shí)tR=0。但是，導(dǎo)葉從全關(guān)位置開大到空載開度需要一定的時(shí)間，在導(dǎo)葉打開的過程中，轉(zhuǎn)速將繼續(xù)下降，轉(zhuǎn)速必然存在超調(diào)現(xiàn)象，即nmin/nr<1，并隨著打開時(shí)間越長，超調(diào)量越大。實(shí)際上可能達(dá)到的最佳情況是當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到接近空載轉(zhuǎn)速時(shí)，提前以設(shè)定的最大速度即以最短時(shí)間打開導(dǎo)葉，并在導(dǎo)葉開到空載開度時(shí)，轉(zhuǎn)速也正好進(jìn)入空載轉(zhuǎn)速區(qū)域。此時(shí)，nm

8、in/nr≈1，轉(zhuǎn)速調(diào)整時(shí)間tR最小。如果調(diào)速器的