02 -会议以阀代井

新疆卡依尔特水电站

“以阀代井”研究中国水利水电科学研究院天津电气科学研究院有限公司新疆水利水电勘测设计研究院2023/1/1811:36:17“以阀代井”可行性研究2/70

内容结构概述1探讨“以阀代井”问题全新的技术基础2若干“以阀代井”的典型工程实例3卡依尔特电站动力学计算及其基本结论4结论及建议52023/1/1811:36:17“以阀代井”可行性研究3/70电站基本参数额定水头

：158.5m最大水头

：173.46m最小水头

：150.58m额定流量

：2×31.75m3/s+1×14.19m3/s额定转速

：333r/min+500r/min装机容量

：2×45MW+1×20MW机组惯量

：1100t.m2+135t.m2电站投资方：新疆连合电力开发公司2023/1/1811:36:17“以阀代井”可行性研究4/70项目基本依据2023/1/1811:36:17“以阀代井”可行性研究5/70项目基本依据《水利电力部文件(77)水电技字第83号》指出“以阀代井”技术在中小型水电站中推广应用；龙源水电站主要参数：1973年列为“以阀代井”试点工程，1976年通过验收。其中：引水隧洞和钢管全长1950米,设计水头83米,安装3台HL638-WJ-60型1.6Mw水轮发电机组及3台国产TFW-400型调压阀,单机额定流量为2.2m3/s。2023/1/1811:36:17“以阀代井”可行性研究6/70项目基本依据西耳河水电站主要参数：1973年列为“以阀代井”试点工程；1981年正式并网发电，装机4*12.5Mw，调压阀从瑞士引进。水电站Hp=109米；洞长L=2.4Km，原设计调压井直径D=9米。2023/1/1811:36:17“以阀代井”可行性研究7/70探讨“以阀代井”问题全新的技术基础我国水轮机控制技术已达到国际先进水平(1)采用国际知名品牌的工业控制机(IPC)；(2)采用了电子调节器加电液随动系统的结构模式；(3)采用比例伺服阀作为调速器电液转换部件；(4)步进电机、交、直流伺服电机作为调速器的电/机转换部件；(5)我国具有独立知识产权的水轮机控制设备试验用实时仿真系统成功研制并得到普遍应用。2023/1/1811:36:17“以阀代井”可行性研究8/70探讨“以阀代井”问题全新的技术基础行业的标准化工作是这个行业发展的最生动的标志。在技术标准上较好地实现国际接轨，指导和推动行业的技术发展。国际著名仿真软件Matlab工具得到较广泛的应用。三峡地下厂房、溪洛渡、向家坝等大型骨干水电厂调速设备实现国产化，并通过验收鉴定更是这个领域典型标志。综上所述，整体行业的这些十分雄厚的学术积淀，构成现在积极解决新疆卡依尔特水电站“以阀代井”问题的坚实技术基础。2023/1/1811:36:17“以阀代井”可行性研究9/70若干“以阀代井”的典型工程实例1杨村水电站G1调速器现场试验研究杨村水电站基本参数电站形式：引水式额定转速：500rpm机组单机容量：22.68MW机组台数：3设计水头：119.0m最大水头：132.9m最小水头：115.8m水流惯性时间常数25s2023/1/1811:36:17“以阀代井”可行性研究10/70若干“以阀代井”的典型工程实例1杨村水电站水轮机基本参数型号HLA630-LJ-152设计流量20.514m3/s导叶接力器型式直缸式导叶接力器活塞直径80mm导叶接力器行程140mm个数2调压阀接力器型式直缸式调压阀接力器活塞直径400mm调压阀接力器行程148mm调压阀制造厂家哈尔滨电机厂2023/1/1811:36:17“以阀代井”可行性研究11/70若干“以阀代井”的典型工程实例1杨村水电站发电机基本参数型号SF22—12/3480励磁方式自并励机组飞轮力矩200t·m2机组惯性时间常数6s制造厂家哈尔滨电机厂2023/1/1811:36:17“以阀代井”可行性研究12/70若干“以阀代井”的典型工程实例1杨村水电站调速器基本参数测频方式残压测频+齿盘测速电源电压交流：220V直流：220V供电方式交/直流互为备用人工转速死区范围0～0.7%协联方式液压同步额定输出流量560L/min配压阀直径80mm配压阀最大行程±18mm额定油压4.0MPa2023/1/1811:36:17“以阀代井”可行性研究13/70若干“以阀代井”的典型工程实例1导叶接力器关闭时间、调压阀接力器开启、关闭时间测定2023/1/1811:36:17“以阀代井”可行性研究14/70若干“以阀代井”的典型工程实例1开机过程试验2023/1/1811:36:17“以阀代井”可行性研究15/70若干“以阀代井”的典型工程实例1空载频率扰动试验2023/1/1811:36:17“以阀代井”可行性研究16/70若干“以阀代井”的典型工程实例1甩25%负荷试验2023/1/1811:36:17“以阀代井”可行性研究17/70若干“以阀代井”的典型工程实例1甩75%负荷试验2023/1/1811:36:17“以阀代井”可行性研究18/70若干“以阀代井”的典型工程实例1甩100%负荷试验2023/1/1811:36:17“以阀代井”可行性研究19/70若干“以阀代井”的典型工程实例1孤网调节模拟试验2023/1/1811:36:17“以阀代井”可行性研究20/70若干“以阀代井”的典型工程实例2巴基斯坦PEHUR电站基本参数描述单位参数混凝土钢衬内径及长度m3.1/4690主压力钢管内径及长度m2.0/108岔管直径及长度m1.5/5.0(1#,2#机)2.0/6.0(3#机)最大引用流量m3/s28.32前池最高水位masl472.57前池最低水位masl421.412023/1/1811:36:17“以阀代井”可行性研究21/70若干“以阀代井”的典型工程实例2巴基斯坦PEHUR电站基本参数描述单位参数尾水最高水位masl381.95尾水最低水位masl379.18水机安装高程masl382.87厂房尺寸(LxW)m×m51.3×15.6额定净水头m68m(1#,2#机)44m(3#机)最高水头m85最低水头m292023/1/1811:36:17“以阀代井”可行性研究22/70若干“以阀代井”的典型工程实例2巴基斯坦PEHUR电站基本参数描述单位参数装机容量MW18水轮发电机组型号1#,2#机HLA384-WJ-114SFW-J6000-10/21503#机HLA551-WJ-140SFW-J6000-16/28402023/1/1811:36:17“以阀代井”可行性研究23/70若干“以阀代井”的典型工程实例2巴基斯坦PEHUR电站基本参数额定转速rpm600（1#,2#机）375（3#机）机组GD2T-m225（1#,2#机）67（3#机）机组惯性时间Ta1s3.97机组惯性时间Ta2s4.18水流惯性时间Tw1s20.86水流惯性时间Tw2s24.952023/1/1811:36:17“以阀代井”可行性研究24/70若干“以阀代井”的典型工程实例2巴基斯坦PEHUR电站基本参数调压阀型号TFL750/220(1#,2#机)TFL850/220(3#机)调压阀通径mm750mm(1#,2#机)850mm(3#机)调压阀行程mm220mm调压阀泄流量m3/s8.0m3/s(1#,2#机)10.2m3/s(3#机)2023/1/1811:36:17“以阀代井”可行性研究25/70若干“以阀代井”的典型工程实例2调压阀结构2023/1/1811:36:17“以阀代井”可行性研究26/70若干“以阀代井”的典型工程实例2甩全负荷时，导叶和调压阀关闭过程特性图2023/1/1811:36:17“以阀代井”可行性研究27/70巴基斯坦PEHUR水电站甩部分负荷时，导叶和调压阀关闭过程特性图2023/1/1811:36:17“以阀代井”可行性研究28/70若干“以阀代井”的典型工程实例2巴基斯坦PEHUR电站调速器甩25%负荷试验曲线2023/1/1811:36:17“以阀代井”可行性研究29/70若干“以阀代井”的典型工程实例2

巴基斯坦PEHUR电站调速器甩100%负荷试验曲线2023/1/1811:36:17“以阀代井”可行性研究30/70若干“以阀代井”的典型工程实例3澳大利亚阿莱蒙舒曼水电站基本参数工况换算前换算后上游水位1267ft(发洪水时)386.1816m1250ft(水量充满)381m1240ft(水量最低)377.952m放水工况760ft(发洪水时)231.648m724ft(全负荷运行)220.6752m718ft(停止工作时)218.8464m最大静落差532ft162.15m水压管长度25556ft7789.47m2023/1/1811:36:17“以阀代井”可行性研究31/70若干“以阀代井”的典型工程实例3水轮机自动操作说明图2023/1/1811:36:17“以阀代井”可行性研究32/70若干“以阀代井”的典型工程实例4澳大利亚阿莱蒙舒曼水电站基本参数工况换算前换算后上游水位1572ft(发洪水时)479.1456m1550ft(水量充满)472.44m1510ft(水量最低)460.248m放水工况755ft(发洪水时)230.124m725ft(水量充满)220.98m711ft(水量最低)216.7128m最大静落差825ft251.46m水压管长度15150ft4617.12m2023/1/1811:36:17“以阀代井”可行性研究33/70“以阀代井”水电站水轮机控制系统

动力学计算计算用水轮机特性参数表额定工况空载工况ey0.6361.27ex-1.251-0.91eh1.6260.46eqy0.6921.18eqx-0.366-0.04eqh0.6820.082023/1/1811:36:17“以阀代井”可行性研究34/70“以阀代井”水电站水轮机控制系统

动力学计算引水系统及机组特性参数表特性系统数值单位Ta7.44sTr14.44sTw111.920sTw22.616sTe410s2023/1/1811:36:17燕山大学硕士学位论文答辩35/70“以阀代井”水电站水轮机控制系统动力学计算带有调压井的系统仿真框图2023/1/1811:36:17“以阀代井”可行性研究36/70“以阀代井”水电站水轮机控制系统动力学计算带有调压井(直径16m)负载工况系统响应索引图2023/1/1811:36:17“以阀代井”可行性研究37/70“以阀代井”水电站水轮机控制系统动力学计算10%负荷扰动转速、水头、转矩、接力器位移响应过程图2023/1/1811:36:17“以阀代井”可行性研究38/70“以阀代井”水电站水轮机控制系统动力学计算刚性水锤情况下系统仿真框图2023/1/1811:36:17“以阀代井”可行性研究39/70“以阀代井”水电站水轮机控制系统动力学计算刚性水锤、负载工况下系统响应索引图2023/1/1811:36:17“以阀代井”可行性研究40/70“以阀代井”水电站水轮机控制系统动力学计算10%负荷扰动转速、水头、转矩、接力器位移响应过程图2023/1/1811:36:17“以阀代井”可行性研究41/70“以阀代井”水电站水轮机控制系统动力学计算以接力器开度为目标的一次调频2023/1/1811:36:17“以阀代井”可行性研究42/70“以阀代井”水电站水轮机控制系统动力学计算水轮机调节系统一次调频p(t)过程(a)2023/1/1811:36:17“以阀代井”可行性研究43/70“以阀代井”水电站水轮机控制系统动力学计算水轮机调节系统一次调频p(t)过程(b)2023/1/1811:36:17“以阀代井”可行性研究44/70“以阀代井”水电站水轮机控制系统动力学计算水轮机调节系统一次调频p(t)过程(c)2023/1/1811:36:17“以阀代井”可行性研究45/70“以阀代井”水电站水轮机控制系统动力学计算水轮机调节系统一次调频p(t)过程(d)2023/1/1811:36:17“以阀代井”可行性研究46/70“以阀代井”水电站水轮机控制系统动力学计算弹性水锤与刚性水锤计算对比所用参数bp0eqy(空载)1.18bt1eqy(负载)0.692Tn1en(空载)0.91Td12en(负载)1.251Ta7.44eh(空载)0.46Tw14.536eh(负载)1.626Ty0.2eqh(空载)0.682ey(空载)1.27eqh(负载)0.08ey(负载)0.6362023/1/1811:36:17“以阀代井”可行性研究47/70“以阀代井”水电站水轮机控制系统动力学计算10%负荷扰动空载工况频率响应过程图2023/1/1811:36:17“以阀代井”可行性研究48/70“以阀代井”水电站水轮机控制系统动力学计算10%负荷扰动空载工况水头响应过程图2023/1/1811:36:17“以阀代井”可行性研究49/70“以阀代井”水电站水轮机控制系统动力学计算10%负荷扰动负载工况频率响应过程图2023/1/1811:36:17“以阀代井”可行性研究50/70“以阀代井”水电站水轮机控制系统动力学计算10%负荷扰动负载工况水头响应过程图2023/1/1811:36:17“以阀代井”可行性研究51/70“以阀代井”水电站水轮机控制系统动力学计算两种水击模型时域分析比较图2023/1/1811:36:17“以阀代井”可行性研究52/70“以阀代井”水电站水轮机控制系统动力学计算新疆卡依尔特水电站带调压井时接力器波动周期表16m调压井----负载工况16m调压井----空载工况Td=8Td=12Td=16Td=8Td=12Td=16bt=1.0482487492bt=1.0441441442bt=1.5489492498bt=1.5441442443bt=2.0494501502bt=2.044244344312m调压井----负载工况12m调压井----空载工况Td=8Td=12Td=16Td=8Td=12Td=16bt=1.0441441442bt=1.0299300300bt=1.5441442443bt=1.5300301301bt=2.0442443444bt=2.03013023022023/1/1811:36:17“以阀代井”可行性研究53/70“以阀代井”水电站水轮机控制系统动力学计算系统bt,Td震荡周期数量级为四百余秒；调压井面积越大震荡周期越长；当参数组合增加一倍震荡周期不变；可见这种低频震荡现象与镇定环节参数无关；机组负载比空载时的震荡周期长；2023/1/1811:36:17“以阀代井”可行性研究54/70“以阀代井”水电站水轮机控制系统动力学计算新疆卡依尔特水电站带调压井时接力器波动周期表空载工况负载工况Td=8Td=12Td=16Td=8Td=12Td=16bt=1.00.12030.10660.1007bt=1.00.08490.07830.0753bt=1.50.09920.09190.0886bt=1.50.06870.06530.0637bt=2.00.09150.08650.0842bt=2.00.0680.06620.06542023/1/1811:36:17“以阀代井”可行性研究55/70“以阀代井”水电站水轮机控制系统动力学计算在没有调压井时的稳定域内水轮机调节系统调节品质要素统计表中载有转速超调量与缓冲器参数的关系统计。在给定的参数范围内在满负载和空载工况转速超调量基本上随bt的增大而少许减少；同样，在给定bt条件下随Td的增大而少许减少。2023/1/1811:36:17“以阀代井”可行性研究56/70“以阀代井”水电站水轮机控制系统动力学计算由附录3图7.2.1即可明显看出在没有调压井的条件下，在Tn=1.0s条件下bt,Td参数平面上bt>1.0s,Td=8s时系统稳定。在bt>1.0s,Td=8s时过渡过程震荡次数较多；随着Td=12，16s增大，系统变成仅有微震现象；bt>1.0s,Td=16s水轮机转速调节系统具有单调过程，详见附录3图7.2.15；当bt>1.5s,Td=16s时水轮机过渡过程变成非周期过程。2023/1/1811:36:17“以阀代井”可行性研究57/70“以阀代井”水电站水轮机控制系统动力学计算载于附录3图7.3.1可以看出在Tn=1s，bt>1s，Td=8s的参数条件下系统稳定；当bt=1s，Td=8s、12s、16s时水轮机转速调节系统具有单调过程，详见附录3图7.3.3、图7.3.9、图7.3.15。这与图3.5、图3.6、图3.7的关于理想水轮机调节系统极点分部的分析相呼应。得到的重要结论是在新疆卡依尔特水电站机组孤立运行条件下无论满负荷还是空载工况运行时都存在有单调型过渡过程区，即通过真机试验可求取最优参数使水轮机调节系统有较好的速动性。2023/1/1811:36:17“以阀代井”可行性研究58/70“以阀代井”水电站水轮机控制系统动力学计算

一次调频计算框图2023/1/1811:36:17“以阀代井”可行性研究59/70“以阀代井”水电站水轮机控制系统动力学计算1，计算时曾试图将p路信号替代y路信号，整体系统立即发生发散型不稳定现象；通过计算可以肯定过渡过程形态和速动性与Tw密切相关；由所用数学模型可知过渡过程特性与Ta、en等发电机参数无关；2，设置bt=0.5，Td=1，2，3，4s；Tw=1,5,10,15,20s时计算在给定cx后的p(t)，计算结果分别示于图8.2.2a)b)c)d)上；由图4d)当Td=1，Tw>10s,时系统震荡；Tw=20s时系统发散，计算中断；由图4c)当Td=2,时随着Tw由10增大到20s时系统趋于大幅震荡；随着Td的增大系统稳定性加强，过渡过程更近于非周期过程；如Td=4时，即使Tw=20s系统已没有震荡特性，Pfp值随之减少；如果bt-Td过大，也可预见系统速动性降低；2023/1/1811:36:17“以阀代井”可行性研究60/70“以阀代井”水电站水轮机控制系统动力学计算3,设置bt=0.35,Td=2，3，4，5s；Tw=1，5,10,15,20时计算在给定cx后的p(t),计算结果分别示于图8.2.3a)b)c)d)上,与图8.2.2对应曲线相比较速动性有所提高，但Tw=20；Td=5时过渡过程略略有一点超调量；在Td=2，Tw=20时过渡过程有明显的超调量，而且震荡特性明显；bt=0.35是应注意的参数折衷的参数，其适应性较强；看起来在一次调频时bt=不要过大，也不应过小才能保证有较综合的特性；2023/1/1811:36:17“以阀代井”可行性研究61/70“以阀代井”水电站水轮机控制系统动力学计算4,设置bt=0.20,Td=3，4，5s；Tw=1,5,10,15,20时计算在给定cx后的p(t),计算结果分别示于附录3图8.2.4上；由图8.2.4a)当Td=5，Tw>15~20s时系统震荡；由图8.2.4b)当Td=4,时随着Tw由10增大到20s时系统趋于大幅震荡；由图5c)随着Tw增大,系统临界不稳定性，过渡过程更近于等幅震荡。比较图8.2.3和图8.2.4可以明确看出系统的速动性大大提高，但其趋于震荡特性也加剧；bt由0.5降至0.2后其速动性大幅提高约15s之多。其对bt的敏感程度大大提高。2023/1/1811:36:17“以阀代井”可行性研究62/70“以阀代井”水电站水轮机控制系统动力学计算若干“以阀代井”水电站重要参数表电站名称杨村帕胡尔阿莱蒙舒曼威尔蒙特卡依尔特1单机容量22MW18MW58MW32MW45MW2额定水头119m68m139m240.8m158.5m3隧洞长度5.754.8km7.8km6km7.2km4Tw25.0s21.2s----14.5s5Ta6.06.0s----7.4s2023/1/1811:36:17“以阀代井”可行性研究63/70“以阀代井”水电站水轮机控制系统动力学计算5,应注意，附录3图8.2.2-8.2.4的计算是在本模型及理想水轮机条件下取得，通过计算发现，由数学模型，m(p)及x均是正向相加的信号综合并受ep特性的制约，转速x的变化远小于功率p的变化，且能对缩短控制时间有积极作用。由于水轮机的严重非线性，需要在bt-Td参数平面上进行仔细、广泛的优化试验以确定功率型一次调频的运行参数bt-Td。可能正由此因，文献[6]提出了可实现变结构的双PID水轮机调节器,一路用于常规按导叶开度调节；另一路PI调节器用于功率型一次型调节器；在现场调试时容易找到保证调节稳定性的整定参数，但要同时满足一次调频的其它响应品质有一定难度，试验中经常发现，即便在同一水头下，好不容易在某试验工况点整定出同2023/1/1811:36:17“以阀代井”可行性研究64/70“以阀代井”水电站水轮机控制系统动力学计算时满足稳定性与一次调频响应性能的参数，在其他工况点效果又不好了，造成这种情况的主要原因是水轮机具有严重非线性随工况的变化而改变。总体看，满足文献[7]的要求并不困难。似乎文献[8]更严些，在一个过程中就提了三个指标考核起来似乎更严些。6，水轮机调节系统中的水击现象构成水轮机调节系统的经典结构；只要粗略比较附录3上图8.2.1；8.2.2；8.2.3；8.2.4就就可看出经典系统的优越性。借鉴其它领域经验应持慎重态度，推荐调速器行业广泛采用函数发生器进行校正方式，这在水轮机调速器行业业内在设计、应用方面有非常可靠、成熟的经验，即2023/1/1811:36:17“以阀代井”可行性研究65/70“以阀代井”水电站水轮机控制系统动力学计算在导叶接力器回路结入P=f(H,y)函数发生器，即可实现即保留接力器反馈的所有优越性，又可满足极个别业主以功率信号为目标的欲望，国外公司多把它放置在主配压阀-主接力器随动系统反馈回路中(如ABB公司)。实际上功率传感器精度、延时效应、可靠性等都远远低于水轮机调节系统接力器位移传感器。综合起来看带有功率校正的以开度为目标的一次调频远优于以功率为目标的一次调频。有很多方案如图图4.11所示带有p=f(H,y)校正以接力器行程为目标的一次调频结构图，也可以放置在调节器中，也可放置在指令端，甚至可放置在微机调节器输出后与主配压阀-导叶接力器随动系统反馈点间。2023/1/1811:36:17“以阀代井”可行性研究66/70结论及建议

1,通过计算实现“以阀代井”