机组甩负荷过程分析

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1、在水电站中甩负荷是一种常见的现象。水轮发电机组发生甩负荷后，巨大的剩余能量使机组转速上升很快，调速器迅速关闭导叶并经过一段时间的调整，重新稳定在空载工况下运行。在甩负荷过程中，除了调节保证计算所关心的最大转速上升值和最大水击压力上升值外，还要对甩负荷动态过程品质指标的优劣进行考核。  我国国家标准GB/T9652.1—1997“水轮机调速器与油压装置技术条件”［2］和国际电工委员会IEC61362(1998)“水轮机控制系统技术规程”［1］中对水轮发电机组甩100%额定负荷后动态品质均有规定，其中

2、IEC规定如下：①调节时间tE—从甩负荷开始到进入空载转速的相对偏差小于±1%为止的时间；②最高转速nmax—甩负荷后的最大转速(在tm时刻)；③最底转速nmin—甩负荷后的最小转速；④推荐值—tE/tM=2.5～4.0(对于转速自由缓慢下降的水斗式机组和高水头混流式水轮机，其数值可达15)，nmin/nr＝0.85～0.95(仅适用于与电网解列后提供厂用电的机组)，如图1所示。图1甩负荷过程曲线    为了讨论问题方便起见，本文将调节时间tE分解为转速上升时间tM、转速下降时间tD、转速调整时间

3、tR三部分之和，即tE=tM+tD+tR。1甩负荷动态过程的品质指标分析    1.1转速上升时间(tM)机组甩100%额定负荷后，由于剩余能量巨大，转速上升很快。正常情况下，调速器以最大速度关闭导叶到零开度，转速上升时间tM=tc+tn，其中：tc为调速器迟滞时间，取决于调速器的死区大小、机组转速的上升速率以及运行工况等，调速器在非限制条件下，tc一般大约在0.2s～0.3s。    tn为调保计算中的升速时间，被定义为自导叶开始动作到最大转速所经历的时间。升速时间tn与取决于水轮机主动力矩和

4、机组惯性力矩之比，即与机组特性有关。采用比转速(ns)统计法有：tn=τn·T′s，τn为相对升速时间，τn=0.9-0.00063·ns［5］。可以看出，相对升速时间τn随比转速的增加而减少，即低比转速、高水头水轮机相对升速时间大，高比转速、低水头水轮机相对升速时间小。T′s为导叶直线关闭时间。    由于迟滞时间tc较升速时间tn小得多，一般情况下，可将转速上升时间tM等同于调保计算中的升速时间tn看待。根据统计资料大多机组的tM=(2～6)s［３］。    1.2转速下降时间(tD)它表示机

5、组甩负荷后，导叶直线关闭到零并一直保持到零开度(相当于机组紧急停机)情况下，自最高转速下降到空载转速区域为止的时间，或称为最快转速下降时间。在最高转速之前，机组处于水轮机工况，之后，进入制动和反水泵工况，转轮区的水起阻力作用，再加上机械摩擦阻力矩及电磁阻力矩等，机组转速开始下降。    转速下降时间tD大小取决于水轮机阻力矩和机组惯性力矩之比。当水轮机力矩特性近似为线性时，水力降速阻力矩与升速主动力矩基本对称(如一些可逆式水泵水轮机)，并且导叶关闭不受限制时，tD≈tM。但由于导叶开度只能关闭到零

6、位，水对转轮的阻力作用受到限制，转速下降减缓，因此tD＞tM。对于低水头、大流量、高比速的水轮机，空载开度较大，在甩负荷过程中，水力升速主动力矩作用时间缩短，水力降速阻力矩作用时间延长。同时由于机组尺寸大、机械摩擦阻力矩亦较大。因而，相对升速时间τn较小。相反，对于高水头、小流量、低比速的水轮机，空载开度较小，水力降速阻力矩作用时间远小于升速主动力矩作用时间，再加上尺寸小、机械摩擦阻力矩较小，相对升速时间τn较大，此时tDtM。    由于转速进入大波动范围，主配压阀限幅限制了主接力器的关闭与开启

7、速度，主接力器限幅限制了调速器对水轮机的控制能力的发挥等等。可把甩负荷过程划分为大波动和小波动两个阶段分别对待。大波动过渡过程阶段(转速上升时间tM和转速下降时间tD时段内)与调节保证计算结果有关，而与调速器的调节控制性能无关，这一阶段只要求调速器能正常关闭和开启。转速从大波动到小波动的过渡阶段、以及进入到小波动阶段，甩负荷过程的动态品质才取决于调速器的调节控制性能。    1.3转速调整时间(tR)转速调整时间tR是指转速以最快速率第一次下降到进入空载区域开始到最终进入空载稳定区域所经历的时间。

8、理想情况是当转速以最快速度下降到空载转速区域时，迅速打开导叶到空载开度，使转速不再超出空载稳定区域，此时tR=0。但是，导叶从全关位置开大到空载开度需要一定的时间，在导叶打开的过程中，转速将继续下降，转速必然存在超调现象，即nmin/nr<1，并随着打开时间越长，超调量越大。实际上可能达到的最佳情况是当转速下降到接近空载转速时，提前以设定的最大速度即以最短时间打开导叶，并在导叶开到空载开度时，转速也正好进入空载转速区域。此时，nmin/nr≈1，转速调整时间tR最小。如果调速器的