导叶—调压阀并联控制系统

郑程遥，黄定波，王国俊

(1. 广东水利水电职业技术学院，广东 广州 510925；2.广州市恩莱吉能源科技有限公司，广东 广州 510655；3.武汉市汉诺优电控有限责任公司，湖北 武汉 430012)



导叶—调压阀并联控制系统

郑程遥1，黄定波2，王国俊3

(1. 广东水利水电职业技术学院，广东 广州 510925；2.广州市恩莱吉能源科技有限公司，广东 广州 510655；3.武汉市汉诺优电控有限责任公司，湖北 武汉 430012)

在大波动过程中，水轮机导叶接力器与调压阀各自独立控制。导叶接力器选择调压阀拒动时压力保证值对应的关闭速度，而调压阀选择合适的关闭规律以抑制转速上升，此控制系统称为导叶—调压阀并联控制系统，目前工程上已有应用案例。为了研究该系统的调节品质及应关注的相关问题，通过数学建模、动态模拟仿真分析其调节品质，并与常规的串联控制系统比较，表明并联控制系统是可行的。

调压阀；水流惯性时间常数；导叶—调压阀并联控制；调保计算

1 研究背景

对于长引水管道的中小型水电站，其水流惯性时间常数Tw较大，仅改变调速器关闭规律和关闭时间难以满足压力管道水压升高和机组转速升高允许值的要求，此时，往往设置调压井，以减少Tw的值。但修建调压井投资大，工期长，维护困难，而且还受地质，地形条件限制。所以，一般3 s≤Tw≤12 s时，可以考虑“以阀代井”，即用调压阀代替调压井(节约成本约80%)，其机理是在机组甩负荷导叶关闭的同时相应的开启调压阀泄流，使引水系统流量变化减缓，限制水压升高和转速升高，以符合规范要求。

现主流产品中调压阀与调速器是联动的，调速器的主配压阀是特制的，水轮机导叶接力器和调压阀同时受调速器主配压阀控制，俗称为串联液压联动系统。显然，由于采用“特殊主配”，且调压阀和调速器机械液压部分联动，就增加了结构和制造的复杂性和采购维修的难度。因此一些厂家采用了一种新型的控制策略，即导叶接力器以压力上升作为控制条件，在大波动过程中，仅实施“慢关”的功能，用常规的调速器；而转速上升控制，则主要通过调压阀来实现。这种控制系统调速器与调压阀各自独立运行，简化了结构，利于标准化生产，称之为导叶—调压阀并联控制系统。已应用于印度Poringalkuthu电站和卡基娃水电站(皆中国制造[1])，但迄今尚未见到对这种控制系统的理论分析，由于调节保证值对水电站安全的基本性影响，在此建立这种控制方式的数学模型，用MATLAB软件进行调节过程的动态仿真，并与串联控制系统进行比较，分析其控制系统的动态品质，提出其在应用中应关注的问题。

2 数学建模与仿真

2.1导叶—调压阀关闭控制特性

在常规的调速器—调压阀串联联动系统中，其控制规律有两种[2]，其一是导叶接力器按直线规律关闭(一段关闭)，见图1(a)，其二是导叶接力器按折线规律关闭(见图1(b))。图中实线①为快速关闭，②为慢速关闭；点划线③为调压阀启闭过程特性。

图1 导叶—调压阀串联控制系统关闭特性

图中QT为水轮机额定流量；Qx为调压阀流量；Qg为拐点处水轮机流量；TS为导叶为导叶快速一段关闭时间；TSS为导叶慢关闭时间；TS1为导叶两段关闭总时间；TSk为调压阀开启时间(等于导叶两段关闭，快关到拐点开度τg的时间TSg)；TSt为调压阀关闭时间；Tp为水轮机导叶快速全关闭后，调压阀仍维持其开度不变的时间。

在导叶—调压阀并联控制系统中，导叶接力器只能采用慢关，以满足调压阀拒动时，压力上升保证值的要求，如图2斜线②所示，应当注意的是，这种控制系统由于调速器独立控制，所以可实现“慢二段”关闭的策略。调压阀的开启时间TSk的选择最为关键，TSk过慢则不能有效抑制转速上升，过快则导致较大的负水锤，使得压力下降值过低，或者会导致后期的波动过程中，压力上升值过高，这也是此种控制方式的难点。

图2 导叶——调压阀并联控制系统关闭特性

2.2 导叶—调压阀并联控制系统建模与仿真

导叶—调压阀并联控制系统的建模可以在一般的水电站过渡过程基本模型上添加调压阀控制模块形成，借助MATLAB的Simulink动态仿真平台，可方便建立控制系统动态仿真模型。为不失一般性，又不增加研究的难度，我们选择了某水电站三台机组的控制系统，进行建模仿真。该电站参数见表1，引水系统的布置见图3，动态仿真模型见图4。

表1 电站主要参数

图3 引水系统布置示意

图4 调节系统仿真模型

上述模型各环节传递函数如下：

1) 压力引水隧洞。考虑水体和管壁的弹性以及水力摩阻的损失，可得到压力引水隧洞L01段传递函数为：

(1)

式中Tw01为L01段水流惯性时间常数；Tr01为L01段水锤压力波反射时间；f01为水头损失系数；S为拉普拉斯算子；h、q表示水头、流量相对偏差；数字“0”表示管道出口端，“1”表示管道进口端；th表示双曲正切函数；ch表示双曲余弦函数。

2) 压力钢管(叉管L12、L15、L18段)

(2)

式中Twi、Tri、fi(i=L12段、L15段、L18段)分别表示各个叉管的水流惯性时间常数、水锤压力波反射时间、水头损失系数。

3) 尾水管(L34、L67、L910段)

(3)

式中Twi、Tri、fi(i=L34段、L67段、L910段)分别表示各个叉管的水流惯性时间常数、水锤压力波反射时间、水头损失系数。

4) 水轮机

此处，水轮机传递系数作为变量考虑，水轮机特性呈现出非线性。此时水轮机数学模型[3]为：

(4)

式中ey、ex、eh分别表征水轮机导叶开度、转速，水头变化时力矩的相对微增(传递)系数；eqy、eqx、eqh分别为流量的相对微增(传递)系数；y导叶开度相对偏差；x转速相对偏差；h水头相对偏差。

5) 发电机及负载[4]

(5)

式中Ta分别表示机组的惯性时间常数；en为机组综合自调节系数。

为简单计，仅考虑最不利工况，三台机同时甩额定负荷，2#、3#机调速器与调压阀正常动作；对1#机按以下3种工况进行仿真：调速器与调压阀正常动作；调压阀拒动，调速器动作；调速器拒动，调压阀动作。

设计部门给出的压力保证值ξ≤30%(但一般情况下，调压阀控制值，超标ξ≤20%)，转速上升值β≤60%。仿真结果见图5～7。

6) 工况(1)调速器与调压阀同时动作

7) 工况(2)调压阀拒动，调速器动作

8) 工况(3)调速器拒动，调压阀动作

图5 调速器与调压阀动作时转速及压力过程线

图6 调压阀拒动时转速及压力过程线

图7 调速器拒动时转速及压力过程线

从动态仿真过程可以看出：

①调速器与调压阀正常动作时，引水系统的最大压力上升为15.69%<30%；最大转速上升为56.30%<60%。符合要求。

②在调压阀拒动时，最大转速上升为65.98%，而调速器的关闭时间75 s，一般机组承受飞逸的时间在3 min以上，所以不会对机组产生有害的变形。

③调压阀拒动时，出现最大正水锤为23.30%，符合设计要求。

④调速器拒动时，机组产生飞逸，并出现最大负水锤14.87%。

在上述案例中，压力管道长达4.05 km，水流惯性时间常数Tw为11.87 s，调压阀转速控制系统仍能基本保证调保计算的要求，说明这种控制策略是可行的。

3 导叶—调压阀串联控制系统仿真

为了将导叶—调压阀串、并联控制系统进行比较，将上述同一水电站用串联控制系统仿真，对应的2种工况结果如下：

1) 工况(1)调速器与调压阀联动时(见图8)。

2) 工况(2)调压阀拒动时(见图9)。

图8 调速器与调压阀联动时转速及压力过程线

图9 调压阀拒动时转速及压力过程线

两种控制方式对比见表2。

表2 两种控制方式指标对比

4 结语

1) 导叶—调压阀并联控制系统是可行的，其调速器和调压阀独立控制，便于标准化和降低成本。

2) 导叶—调压阀并联控制系统，在调速器拒动时，调压阀开启会产生较大的压力降，同时，在仿真时，发现其动态过程不够稳定，易受其他机组干扰，因此宜采取可靠的闭锁措施，保证调速器拒动时，调压阀不开启。

3) 并联控制系统调速器和调压阀独立控制，因此调速器可实现两段关闭，而串联系统调速器与调压阀联动，故在调压阀拒动时，调速器只能一段关闭，因此并联控制系统在“慢关方式”上有一定的灵活性。

4) 就控制系统的动态品质而言，串联控制系统较优，这是因为串联控制系统有快关和慢关两种功能，同时，其联动的功能使调速器拒动时自然闭锁了调压阀的开启。

[1] 武汉市汉诺优电控有限责任公司.水电站调压阀的控制装置:ZL201420402586.X[P].2015-01-21.

[2] 湖北水利勘测设计院.小型水电站机电设计手册[M].北京：水利电力出版社，1985.

[3] 楚清河,牛秀博.基于SIMULINK的水轮机调节系统非线性仿真模型研究[J].吉林水利,2014(6):17-20.

[4] 孔昭年.水轮机控制系统的设计与计算[M].武汉：长江出版社，2012.

(本文责任编辑 马克俊)

Vanes-regulator Parallel Control System

ZHENG Chengyao1，HUANG Dingbo2，WANG guojun3

(1.Guangdong Technical College of Water Resources and Electric Engineering，Guangzhou 510925，China;2. Gyangzhou Enlegy Energy Technology Co.,Ltd.，Guangzhou 510655，China；3.Wuhan Hanon Electric Co.,Ltd., WuHan 430012，China)

In the process of large fluctuation，the turbine guide vane servomotor and the pressure regulators are controlled separately. Appropriate guide vane servomotor closing speed is selected to ensure that the pressure is below the guaranteed value when the regulator refused to move. Appropriate opening and closing rules of the pressure regulators are chosen to suppress speed increasing. This control system is called Vanes - regulator Parallel Control System. There are cases in engineering. In order to study the quality and concerns related to the system, mathematical modeling and dynamic simulation analysis of its regulatory quality have been done, and compared with a conventional tandem control system. The result shows that parallel control system is feasible.

Pressure Regulators；time constant of water conduit；vanes-regulator parallel control；the regulation firm calculation

2016-04-19;

2016-05-08

郑程遥(1957)，男，博士，教授级高级工程师，从事机电工程研究。

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