带有调压阀的水轮机控制系统过渡过程计算

天津电气科学研究院有限公司

一、概述

“替代调压井的新型调压阀及其控制系统研究与电站示范应用项目”是国家发展改革委2015年能源自主创新及重点产业振兴和技术改造(能源装备)项目。依托该项目，天津电气科学研究院有限公司（天津电气院）开发了《水轮机控制系统通用仿真程序》。

基于Simulink开发的水轮机调节系统通用仿真程序，可满足工程建设对水轮机调节系统仿真计算的需求。Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中，本研究的总体目标是针对调压阀代替调压井的核心问题展开研发水轮机实时仿真系统。

二、计算结果与水电站试验对比

项目组通过南奔水电站甩100%负荷试验来考核水轮机调节系统动态特性实验，通过与计算结果比对以说明数学模型、计算方法的合理性与可信性。

2.1南奔水电站概况

南奔水电站位于老挝人民民主共和国乌多姆赛省北本县境内的南奔河下游河段上。电站装设三台立轴混流式水轮发电机组。引水方式为一管三机，设有调压阀。每台机组设置进水主阀，进水主阀采用液压操作蝶阀。机组调速系统选用天津电气院具有PID调节规律的微机电液调速器。基本参数见表1：

2.2南奔水电站基本特性

图1所示为南奔水电站调压阀。根据水轮机制造厂提供的水轮机综合特性曲线，有图1的南奔电站单位流量及单位力矩特性曲线；按我们独立开发的描述水轮机非线性特性的数据文件有单位流量及单位力矩表。

图1  南奔电站调压阀

图2  南奔电站单位流量特性曲线

图3  南奔电站单位力矩特性曲线

可计算出南奔电站水轮机单位流量、单位力矩特性参数矩阵

   2.3 南奔电站大波动计算对比

为检验计算所用数学方法、描述水轮机非线性特性的准确性，我们开展了实测数据与计算结果的比对，以找出可能的误差范围，评估计算分析的准确性。

南奔大波动计算的输入导叶接力器位移和调压阀接力器位移，在电站给定参数：电站 Tw=15，Tr=10,Ta=4.57，及调压阀条件下，利用我们的通用程序，可单机甩100%负荷时过渡过程计算结果如图2和图3所示。

图4  南奔甩100%负荷计算结果(压力)对比图

图5  南奔甩100%负荷计算结果(转速)对比图

比较图4上在甩100%负荷后，计算水压力和实测水压力在波形和峰值均很相近峰值相差3%-4%范围之内；比较图5上在甩100%负荷后，计算频率和实测频率在波形和峰值更相近峰值相差3%，频率在更广的范围之内相近的波动由此得出结论是我们在计算带调压阀的水轮机过渡过程采用分析的数学方法获得满意的精度；使我们的研发的实时仿真计算分析建立在扎实的基础上。

三、小结

1. 项目组开发的《水轮机调节系统通用仿真程序》，适用于混流式和转浆式水轮机过渡过程调节系统计算，具有：甩负荷、机组启动、空载扰动和增减负荷等功能，包含刚性水锤计算、近似弹性水锤计算、弹性水锤计算、带调压井和调压阀的计算。

2. 该程序的技术核心之一就是研发能真实反映水轮机动态特性、调用方便、包含水轮机型谱及其他常用水轮机特性、数学方法先进、在计算中总体耗时小、利于推广的数据文件。软件对流量和力矩的计算分别采用了水轮机流量特征矩阵和力矩特征矩阵的非线性运算方式，提高了计算速度和准确度。该数据文件内容丰富、调用方便、采用的数学方法先进，值得推广。

3，经过现场试验资料的校核，模型、方法、结果和精度都达到了理想效果，压力计算和转速计算与现场实测的误差在5%以内，形态与现场实测形态一致；应强调在水轮机小开度下的模型试验资料严重缺失的状况下，证明我们采取的特殊数学处理方法可行、有效；满足工程计算的精度要求。为实时仿真装置的开发及过渡过程计算提供了坚实的基础。