岔管供水不稳定分析与处理

邵彬

（乌鲁瓦提水力发电厂，新疆 和田 848000）

岔管供水不稳定分析与处理

邵彬

（乌鲁瓦提水力发电厂，新疆 和田 848000）

通过对乌鲁瓦提水电厂的岔管供水方式进行介绍，同时对岔管供水的压力波动和引起的频率波动进行分析，采用选择机组的运行工况、调速器的运行方式、改进调节算法等方法抑制岔管供水对调速器调节所带来的影响，使机组在孤网下运行得以稳定。

岔管；孤网；调速器；参数；算法

0 引言

乌鲁瓦提水电厂位于新疆和田喀拉喀什河中游，为坝后式电站，安装有4台15MW立轴混流式水轮发电机组，设计水头78m，水库多年平均水头102m，4台机组共用一根压力钢管，为非对称Y型岔管方式[1]，如图1引水岔管示意图所示。调速器为武汉三联水电控制公司生产的BWT-80型PLC步进式调速器。于2000年投入运行，在2007年以前和田地区电网为孤立小电网，总容量约为100MW。乌鲁瓦提水电厂作为第一调频厂，一直以来担负着地区电网的调峰调频任务。由于电网较小，频率容易波动，只要波动稍稍较大就会引起电网频率在45Hz～52HZ之间来回振荡，导致低频减载装置频繁动作，给地区电网的运行安全带来极大的隐患，供电质量严重低下，严重影响电网和机组的安全运行。

1 压力波动分析

图1 引水岔管示意图

乌鲁瓦提水电厂装机容量占据了全网的60%份额，且作为第一调频厂，其频率控制不稳定，将会导致全网频率变化范围不合格。为了保证调频的速动性，四台机组运行中都处于孤网转速调节状态。调速器参数给定也较为灵敏，如表1所示。

表1 调速器参数配置表

要分析其压力波动原因，必须首先对水流进行分析。对于均质水管中水击压力波传播速度可按下式计算：

式中：E0为水的弹性系数，一般为2.1×105N/cm2；E为管壁材料的弹性系数，该处E=2.1×105N/cm2,D为管道直径，该处支管220cm，主管503cm。δ为管壁厚度，a0为声波在水中的传播速度，一般为1435m/s。一般电站钢管的 D/δ=50～200，多数情况下100左右，所以波速a通常在1000m/s左右[2]。水库取水口到第一岔管段距离L=422m。

当机组负载改变时，机组转速将发生变化，调速器动作，导叶开度发生变化，引起管道系统的水力瞬变，管壁所产生的水击波从蜗壳处一方面经过L/a=422m/1000m/s=0.422s到达水库，因水库很大，库水位不会因水击影响而变化，故取水口压力始终保持不变，于是水击波在取水口处以同样的数值发生反射，经过2L/a=0.844s返回到本机蜗壳处，同时反射到其他三台机组蜗壳处。另一方面水击波直接经过L/a=0.07s～0.05s到达相邻机组。这样直接和间接水击引起相邻机组负荷发生大幅度变化。加上前面所述，调速器参数较为灵敏，争相调整频率，再次造成大的水击，如此反复，恶性循环下去，导致4台导叶接力器来回抽动，频率处于大幅度振荡状态。

因此，可以总结出由于4台机组具有共同的压力引水总管即岔管供水，当邻近机组扰动调节，使水流产生较大的波动时，则此台机组蜗壳内的水压也相应产生波动，此波动值对低水头来说就是一较大的相对变化量［3］；对此机组转轮而言，则是大幅度的水压波动值。此大波动就迫使稳定运行的机组改变转速，此调速器就产生自动调节使之稳定，并非是调速器本身的故障。为了证实此判断的正确性，我们又特将这台稳定运行的手动运行进行观察，当邻近机组不扰动时，该机组转速在稳定范围之内；如邻近机组扰动时，则中间机组转速器就产生较大波动。

2 处理措施

通过上述分析，认为岔管下机组相互间干扰引起压力波动，导致频率波动和振荡，为了减轻这种干扰，可以通过改变压力钢管共用方式，采用单机单供方式彻底解决压力干扰问题，但这与实际不相符，也不现实，但可以通过以下几种方式进行抑制：

2.1 合理选择机组的运行工况

机组运行在大网下，调速器一般处于功率调节或者开度调节状态，而在孤网下时，调速器处于转速调节状态，但经过现场的实际观察，发现该调速器大网转孤网时间较长为40s，也就是说调速器在大网下判断频率下降或升高超过频率死区40s才进行调节。而在孤网下，40s也就意味着频率下降到很大数值，因此，此时再进行调整将会导致频率偏差极大，引起超调现象，而超调就可能引起压力波动较大。因此，合理的选择大网转孤网时间，将会使调速器处于合适的运行工况下运行，对调速器程序中将该时间改为5s。

2.2 合理选择调速器参数

原有调速器参数选择如表1所示，4台机组频率人工死区设置均相差不大，而在地区孤网中，一般频率变化范围较大，处于±0.5Hz范围，当遇有大负荷投退时将远远超过该值，且bP值一致，无法形成全厂机组的有差调节，一旦频率波动较大时，将会轻易引起4台调速器共同调节，导致调节力度过大而产生超调现象，因此，需要重新对参数进行选择，使各机组形成有差调节，呈阶梯调节方式，也就是当频率较小变动时，由一台机组或两台机组担任调节任务，其他几台机组待命，逐渐减小频率的波动范围，即使遇有大波动的情况下，4台机组同时调节，由于合理设置了永态转差系数bp，使调节力度不至于过度。见表2。

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2.3 改进调节算法

调速器采用增量式PID调节规律，其算法表达式如下：

由式可见其 PID调节中与频差△f（i）有着重要的联系，机组静态稳定状态下的等效表达式yc-y=（fc-fg）/50bp[5]，式中：fc为频率给定，单位是 Hz；fg为机组频率，单位是Hz；bp永态转差系数；y为导叶接力器相对值，值范围0～1；y为导叶接力器开度给定相对值，取值范围0～1。根据表达式可模拟频率在4种情况下即50±0.3和50±0.8变动下调速器的静态特性数据见表3。

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由表3可以看出，在电网或机组频率超出频率人工死区后，调速器将会参与调节，其开度与超出频率死区的频差成正比，电网频率发生小波动时，一台或两台调速器以较小的调节力度调节频率，可以保证频率在正常范围之内。当电网突然发生大负荷投退或切除时，对于孤网运行的机组来说，频率将会发生大幅度变化，导致更多机组参与调节，造成超调的现象，同时由于岔管的原因，使调节品质更加恶化。为了保证多台机组调节的情况下不发生频率变动较大的现象，对调节规律进行修改，将PID中计算的频差减去频率死区，这样就可以减少其调节力度，即△f（i）=△f（i）-E。

具体做法是在原调速器PLC负载子程序中增加一段程序：当调速器为负载运行状态时，且为开度调节或功率调节状态（频率调节状态时不执行该段程序），首先判断频差是否大于频率死区，若大于，则△f（i）＝△f（i）-E，反之则△f（i）=0。 见图 3。

图3 调速器PLC梯形修改图

根据新的算法，仍然按照原来模拟频率得到开度变化数据，见表4。从表中数据可以看出，在同样的频率变动范围之下，更改程序后的开度变化范围明显比未修改前的小，这就可以减小机组在孤网运行状态下四台机组同时调节的超调量。

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3 结束语

乌鲁瓦提水电厂通过对岔管水力情况的分析，找到了孤网状态下调节不稳定的根本原因，通过对调速器工况转换的调整，参数的修改、调节算法的改进，解决了困扰多年孤网状态下调节不稳定的问题，为地区电网的安全稳定运行提供了有力的保证。

[1]陈可一.水电站概论[M].北京：水利电力出版社，1996.8-9.

[2]刘玉祥，许维忠.高水头电站引水管压力波动分析与调节[J].水电自动化与大坝监测，2008，32（6）：26-27.

[3]李永国.调速器的调试与故障处理[M].南京：河海大学出版社，1999.94-96.

[4]魏守平.现代水轮机调节技术[M].武汉：华中理工大学出版社，2002.

[5]魏守平.水轮机调节[M].武汉：华中理工大学出版社，2009.

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1672-5387（2011）02-0061-03

2010-10-11

邵彬（1982-），助理工程师，从事水电站生产技术管理工作。