專利名稱：采用調(diào)壓搭對水電站中的負荷變動進行控制的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種建在高壓部位和/或低壓部位的調(diào)壓塔的水電站中負荷變動進行控制的方法。


圖1表示一座水電站的主要設備，它包括一座水庫1、一條地下隧道2、帶有一個溢流段4的調(diào)壓塔3，溢流段有一個底面5，并有一個較大的斷面、一條部分露天的管道6和一座電站廠房7。由于地形原因經(jīng)常要求通過很長的距離將水引入動力間的廠房7。水從水庫1經(jīng)過處于壓力下的隧道2和管道6引入動力間的廠房7。在穩(wěn)定狀態(tài)下，水庫調(diào)整到水位11，稱之為上水水位。在額定載荷和穩(wěn)定流動時，由于水流過管道時的摩擦損失，水壓按線12降低。在負荷發(fā)生變化時不僅會出現(xiàn)低壓，也可以出現(xiàn)高壓。在可能的壓力曲線中的上、下包絡線13、14稱為極限壓力線。在沒有調(diào)壓塔的設備中會出現(xiàn)極限壓力線15和16。
如果在這種設備中關閉正在運轉(zhuǎn)中的水輪機，則必須將整個管道中流動的水關閉。此時在動力水道中出現(xiàn)一個瞬時壓力升高(壓力反沖)。
另一方面，在水輪機開動或負荷增高時，水流加速導致管道中的壓力降低。此時，在管道的任何部分不允許出現(xiàn)真空。例如圖1中在D點和E點之間的情況就是這樣，因為出現(xiàn)的最低的能量值用線16表示，大大低于引水管的測量高度。
在動力水道中大的壓力變化是很難控制的，它主要是阻礙了水輪機的調(diào)節(jié)。如果在離電站廠房盡可能近的地方建造一座調(diào)壓塔3，就能在很大程度上解決這些問題。調(diào)壓塔主要滿足以下要求1、在由于水輪機的運轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)引起壓力沖擊時保護隧道；2、減少壓力管道中的壓力沖擊；3、改善水輪機的調(diào)節(jié)；4、在水輪機承載時作蓄水塔用。
如果有一個長溢流隧道，也可以在設備的低壓部位設置一座調(diào)壓塔。這種調(diào)壓塔在某種程度上與在高壓部位中的調(diào)壓塔是對稱的。在運行時，減少壓力升高，在關閉時減少負壓的形成。
在運行中，調(diào)壓塔至少必須容納所有水輪機由全負荷轉(zhuǎn)為關閉時產(chǎn)生的水量，而不會發(fā)生溢流。圖2a和2b表示這種關閉時的各種過程。
在圖2a中，曲線21表示通過水輪機的流量，由于水輪機在時間點100秒處開始關閉流量降低至零。在壓力隧道2中的流量也慢慢地減小。曲線22表示在水輪機關閉后壓力隧道2中的流量過程。兩個流量間的差額流量23流入調(diào)壓塔3中，并裝滿調(diào)壓塔，如由圖2b中的曲線24所示。調(diào)壓塔水位24和上水位11之間的壓力差可以使壓力隧道2中的流動放緩。如圖示的情況，在1284m的截面4以上調(diào)壓塔3中的水位上揚減小，這樣避免了溢流的發(fā)生。
在通過水輪機的流量增大時，例如從空載轉(zhuǎn)為全負荷。會出現(xiàn)在圖2a和2b中表示的類似過程，只是正負符號相反。圖3a和3b表示其中的一個實例，在這個實例中沒有達到調(diào)壓塔的下極限水位(線26)。
在所有的水輪機負載的同時，調(diào)壓塔不應該空放。這在所有的設備中是絕對辦不到的。
上面提及的調(diào)壓塔的溢流或空放是由于水力系統(tǒng)在穩(wěn)定運轉(zhuǎn)時壓力發(fā)生變化造成的如果考慮多種(而不是一種)負荷變化，那么負荷變化起始條件就變得更為不利，就更加難于滿足安全要求。
每個調(diào)壓塔3與壓力隧道2(它應該受到保護)一起組成一個可振蕩的系統(tǒng)。在圖2b中可以看出，在280秒時調(diào)壓塔3中的水位達到最大值，與此同時壓力隧道中的水達到滯止狀態(tài)。調(diào)壓塔水位和上水水位之間的壓力差引起水在壓力隧道2中倒流，調(diào)壓塔3的泄空一直持續(xù)到倒流又達到滯止狀態(tài)時為止，這種過程反復進行。
在這個振蕩系統(tǒng)中負荷變化，即水輪機體積流量Q的變化起著干擾作用，它會導致調(diào)壓塔中水位的振蕩。由于不良的負荷變化的時間順序可以進一步引發(fā)這種振蕩。其后果是雖有正確的尺寸，但調(diào)壓塔可以泄空或溢流。圖4a和4b表示一種實例。此例表示，如在100秒這個時間點水輪機開始卸載后在450秒時又重新滿負荷。在該情況下調(diào)壓塔中水位降到1206müNN，這樣，比調(diào)壓塔的下極限線26低約20米。這意味著調(diào)壓塔完全放空，大量的空氣涌入動力水道中，這種情況是不允許的。
根據(jù)現(xiàn)今的技術水平已有很多措施可以避免發(fā)生上述問題- 建造一個有足夠容量的調(diào)壓塔。在極端情況下可以建造一個可以適合任何負荷變化的設備。通過建造特殊結(jié)構(gòu)型式的調(diào)壓塔，例如節(jié)流調(diào)壓塔、閘式調(diào)壓塔或差動式調(diào)壓塔，可以降低建筑結(jié)構(gòu)尺寸。但是，該方法的建筑費用較高；-根據(jù)投產(chǎn)的水輪機的不同數(shù)量限制水輪機的調(diào)節(jié)升程；-足夠慢的負荷變換，即在調(diào)壓塔中水位振蕩周期的調(diào)整時間為幾分鐘。該方法一般不適用于調(diào)整水電站；-遵守等待時間，如水輪機卸載和重新加載之間的等待間或者第一個、第二個、第三個水輪機和其它的水輪機啟動之間的等待時間。為了減小調(diào)壓塔中的水位振蕩，此種情況的等候時間的數(shù)量級與上述相似，這種硬性模式是有缺點的，因為即使負荷變化不存在危險，還是要遵守等候時間。
-考慮振蕩相位，在調(diào)壓塔中僅在某個振蕩階段中才允許加載。該方法的缺點是，沒有充分利用水電站設備的動態(tài)能力；-考慮調(diào)壓塔中水位的時間梯度，若時間梯度超過一定的極限值，則水輪機調(diào)節(jié)機構(gòu)開啟裝置閉鎖。該方法的缺點也是不能充分利用設備的動態(tài)能力；-在控制計算機中預算最壞情況，并對相應的載荷額定值進行相應的限制。缺點是該方法耗費很大。
本發(fā)明的目的是對本說明開始所述的方法進行改進。
通過本發(fā)明的權利要求1的特征實現(xiàn)了這一任務。
本發(fā)明的優(yōu)點是負荷變化大時，它可以盡可能充分地利用設備的調(diào)節(jié)能力，在盡可能短的時間達到許可的調(diào)壓塔水位，由此在盡可能短的時間內(nèi)實現(xiàn)所希望的負荷變化。
下面，通過附圖對本發(fā)明進行說明圖1是水電站設備示意圖，圖2a為具有高壓部位調(diào)壓塔的水電站設備中水輪機卸負荷時的流量示意圖；圖2b是按照圖2a在水輪機卸負荷時高壓部位調(diào)壓塔的水位示意圖，
圖3a是在水輪機接納負荷時高壓部位調(diào)壓塔水電站設備中的流量示意圖，圖3b是按照圖3a在水輪機接納負荷時高壓部位調(diào)壓塔的水位示意圖，圖4a為在高壓部位調(diào)壓塔的水電站設備中卸負荷后又接納負荷時的流量示意圖，圖4a是照圖4b在卸負荷后又接納負荷時，高壓部位調(diào)壓塔的水位示意圖，圖5a-5d為在有高壓部位調(diào)壓塔的設備中采用本發(fā)明的方法所得到的改進的示意圖，圖6示出了極限曲線的與負荷關系圖，圖7示出了為保持最高水位對不同負荷的極限曲線圖，圖8a-8d為在有低壓部位調(diào)壓塔中采用本發(fā)明的方法所得到改進的示意圖。
圖5a至5c表示有高壓部位調(diào)壓塔的水電站設備穩(wěn)定狀態(tài)時的負荷示意圖。圖5a表示水輪機控制機構(gòu)的開放度Y與時間的關系。在時間T1時，所要求的水輪機負荷的額定值相當于開放度的70％。曲線32表示水輪機負荷隨時間的變化過程，負荷隨水輪機開放時間呈斜線地提高。如果水輪機的負荷(曲線33)不考慮水位過程(曲線34)提高到直至額定值，這樣從時間點T2開始在調(diào)壓塔中的水位低于許可的最低水位(圖5c)。為了在時間點T4時在調(diào)壓塔中的水位能接近最低水位，但不低于最低水位(曲線24)，所以在時間點T3時必須中斷負荷調(diào)節(jié)。
本方法的基本想法，在于對負荷調(diào)節(jié)的延遲或中斷的標準進行定義。在振蕩系統(tǒng)和相位平面(圖5d)的特殊表示形式中對這個標準進行了檢驗。在相平面中振蕩系統(tǒng)的狀態(tài)變化曲線是用二維表示的。圖示的座標在調(diào)壓塔中水位用Z表示，它通過測量得到，調(diào)壓塔中的凈流用ΔQ表示，它通過一定時間以后水位的變化推導出的(dz/dt)。在相平面中有幾條特殊的曲線。它們描述了在固定負荷時系統(tǒng)未受干擾時的特性。通過對該系統(tǒng)的數(shù)字模擬可以直接組成這些曲線。在圖5d中那條通過希望達到的最低標高H點的曲線是極限曲線35。
在圖5d的相平面中由水位組成的矢量以短時間間隔與極限曲線進行比較。只要達到極限曲線，水輪機負荷限制在實際值上，例如限制在開放度的37.5％(圖5a)。當然，卸載仍然是可能的。從圖5c至5d中可以看到，對載荷調(diào)節(jié)進行這么限制可以滿足最低水位的要求。
考慮到現(xiàn)有數(shù)據(jù)的準確性建立一個安全界限是必要的。限制功能只有在相位平面的左側(cè)才有效，也就是調(diào)壓塔中水位降低時才有效。在圖5c中可以看到，在達到一定標高后水位在相當長的間隔內(nèi)近似保持固定。此現(xiàn)象可以解釋為，在ΔQ變換符號時，負荷調(diào)節(jié)是允許的，也允許負荷有小的提高，直至導出的水位又變成負值，緊接著又抑制負荷調(diào)節(jié)。具有近似固定水位的時間段集中在相位平面M點上。A、B段為流量的時間曲線(圖5b)。在AB段中隧道(22)和水輪機(21)的兩個流量值是相吻合的，調(diào)壓塔的凈流量ΔQ即為零。
極限曲線的位置可以受不同的影響而變化。最重要的影響是在隧道入口處上水位的水位和設備的瞬時負荷，這些均用水輪機的開放度表示。圖6表示在假設相同的上水位的5種開放度的極限曲線，每種開放度的間距是20％。通過所選擇的最低點(圖5d中的M點)給出下頂點面上頂點，由于在隧道中摩擦造成的壓力損失，隨負荷的增加后更低的水位值移動。
除了調(diào)壓塔空載外，在負荷調(diào)節(jié)中還存在另一種危險，即調(diào)壓塔發(fā)生溢流。這是由于卸負荷而出現(xiàn)的。為了避免這種情況，在卸負荷前必須為每個負荷求出極限曲線。如圖7所示，在相位平面中又要采用圖示的，在此圖示中，線42表示調(diào)壓塔溢流時的水位，而線43表示調(diào)壓塔放空后的水位。在運轉(zhuǎn)期間最不好的情況是調(diào)壓塔躍升過程中可能會出現(xiàn)卸載，在此時可以達到通過S點的極限曲線。通過這個定義為每個水輪機負荷得到一個最低水位點M，而這點又能保證保持最高水位S。可以為每個最小值確定調(diào)壓塔下降的極限曲線。如同空載時的情況一樣，上水水位也影響溢流時的極限曲線。
若在一個水電站設備中存在二種形式的風險則需持續(xù)地檢驗兩種標準，此時每種標準各自立地閉鎖水輪機的負荷。
上面已經(jīng)敘述過，調(diào)壓塔可以建在水流低壓部位。在這種類型的水電站設備中存在一種風險，水輪機負載時調(diào)壓塔發(fā)生溢流。為了阻止發(fā)生這種情況，可以應用本發(fā)明的方法，如同在水流高壓部位的調(diào)壓塔中阻止空放時的情況一樣。
如圖5a至5d中描述的方法一樣，在相位平面中的狀態(tài)可以與一條極限曲線相比，或若需要，可與幾根極限曲線相比，然而，這里只是正梯度的情況，即是上升中的相位。圖8a至8d表示了這種情況。若達到極限曲線35，則所有調(diào)節(jié)機構(gòu)就被閉鎖。在圖8c中出現(xiàn)與圖5c符號相反的水位變化，圖8d與圖5d相比旋轉(zhuǎn)了180°，因為兩個軸是鏡面對稱的。下水水位41代替上水水位，最高水位42代替最小水位。
在低壓部位的調(diào)壓塔中，在卸載時存在放空的危險。這種危險可以采用類似高壓部位調(diào)壓塔的那種方法加以排除。但是必須保證，在上升過程開始時不得超過一定的最高水位42，該水位又與負荷有關。這可以在下降時通過應用與負荷有關的極限曲線達到。
在動力間兩側(cè)均設置調(diào)壓塔的水電站中是可以防止在兩側(cè)出現(xiàn)風險的。不同的閉鎖水輪機開放的準則是與“或”一邏輯電路聯(lián)系在一起的，也就是每個準則都是獨立地導致閉鎖。
節(jié)省在極限裝置中的計算化費是必要的或甚至是有利的。通過在使用極限曲線時放棄通過計算的方法考慮個別影響因素就可以辦到。在這些情況中極限曲線具有近似的特點。極限曲線的數(shù)值定義必須考慮這種情況，它包含一個擴大了的安全邊界。在這方面本方法仍保持簡單性的特點。
如果-在極限裝置中的某些參數(shù)不是作為測量數(shù)值用，例如上水水位或設備的總負荷；-振蕩系統(tǒng)是復合的，系統(tǒng)階次較高，例如有一個差動式調(diào)壓塔，這時一定不是應用一條極限曲線而是應用一個極限面了。
-應可實現(xiàn)已預定的有限的設備計算能力，此時，使用本方法才更有意義。
從圖6中看到，極限曲線形式隨負荷的不同有很大的變化。這主要是在隧隨道中靜壓力下降的結(jié)果。在大部分的水電站中一個隧道和調(diào)壓塔的后邊連有多臺水輪機。如果在一個裝置中有關于總流量的信息，這時才能正確表示負荷的影響。在很多情況下流量的測量信號滯后很大或者分辨率很差。因此計算流量值要更好一些?？梢栽谠O備本身中進行計算，也可以在水輪機控制系統(tǒng)中進行計算，或者根據(jù)其它的測量信號，例如開放度、壓力、轉(zhuǎn)速等在其它的設備中進行計算。
為了將各個流量求和，最好是使用一種比組合導向平面更高一級裝置。
藉助一個觀察系統(tǒng)不僅可以提供水庫中的實際水位值，而且也可以提供調(diào)壓塔中的水位的時間曲線。觀察系統(tǒng)只是限制裝置范圍中的一種功能。它包含最重要設備部件的簡化動態(tài)計算模型，并不斷地從水輪機流量中計算管道壓力變化和調(diào)壓塔中的水位變化。這些數(shù)值與測量值進行比較，觀察系統(tǒng)則根據(jù)這些差值進行修正(例如水位值)，這樣可減小偏差。
原來每條極限曲線定義為繞穩(wěn)定調(diào)壓塔水位的振蕩過程的軌跡或相位圖像，而它又與隧道旁的水庫水位有關。因為這個水位是隨時間變化的，因此，極限曲線隨水庫的水位而移動。為了能夠考慮這種影響，水位數(shù)值必須作為限制裝置中的數(shù)據(jù)使用。
在同一個隧道有數(shù)臺水輪機工作的水電站中，最好不是在水輪機控制器中，而是在它前一級的裝置中，例如工廠控制器、發(fā)電廠計算機或聯(lián)合控制器中采用這種限制功能。這種配置的優(yōu)點是在機器這一級的控制器中就能應用一種簡化的控制結(jié)構(gòu)，并可避免信號輸入數(shù)量太多。
在一些應用中使用閉鎖功能可以改進工作質(zhì)量。在這方面有兩種可能性可供選擇一為了避免多階段接通(分步開放)，應用了兩條平行排列的極限曲線，它是按滯后原則控制閉鎖功能的接通和關閉。在外邊那條極限曲線中閉鎖有效，在內(nèi)邊的極限曲線上又取消了閉鎖。
-在使用粗略近似極限曲線時，使用兩條極限曲線之間距離較大的曲線較為有利。閉鎖功能不是通過這兩條曲線接通和開閉的，而是所許可的負荷提高速度在零和許可的最大值之間不斷變化。在外邊的極限曲線上許可的負荷速度為零(即達到閉鎖)，而在里邊的極限曲線上達到一個最高值，此值符合控制機構(gòu)規(guī)定的最短開放時間。
為了防止限制裝置出故障，要求對輸入信號進行監(jiān)控。在信號丟失時，極限曲線不再能保證限制功能。在這種情況下限制功能自動地轉(zhuǎn)移到梯度限制器上，而這個梯度限制器又連接在臺水輪機控制機構(gòu)的位置控制器的前邊。在這個元件中所確定的最大許可開放速度，在限制裝置出現(xiàn)故障時減少到一個足夠小的數(shù)值，以避免在任意負荷調(diào)節(jié)時調(diào)壓塔中出現(xiàn)臨界水位振蕩。
權利要求
1.一種用高壓部位和/或低壓部位的調(diào)壓塔對水電站的負荷變動進行控制的方法，該方法的特征在于，測定調(diào)壓塔中的水位；借助水位隨時間的變化曲線測定調(diào)壓塔實際水位(Z)和凈流量(ΔQ)的狀態(tài)參數(shù)，并在一個相位平面中和極限曲線進行比較，該曲線和固定負荷時的狀態(tài)過程是相符的并接近地通過最大或最小允許的水位點；在達到極限曲線時，中止負荷的提高。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征是，按時間間隔對實際狀態(tài)進行監(jiān)控。
3.根據(jù)權利要求1至3中任一項所述的方法，其特征是，通過測量確定調(diào)壓塔中的水位。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征是，確定最低水位和/或最高水位，以阻止調(diào)壓塔空載或超載。
5.根據(jù)上述權利要求中任一項所述的方法，其特征是，保持最低水位或最高水位以便在關閉水輪機的情況下在隨后調(diào)壓塔水位回落時不超過最高水位極限值或最低水位極限值。
6.根據(jù)上述權利要求中任一項所述的方法，其特征是，求出極限曲線與負荷的關系。
7.根據(jù)上述權利要求中任一項所述的方法，其特征是，在求解極限曲線時引用了一個或多個參數(shù)。
8.根據(jù)權利要求7所述的方法，其特征是，在求解極限曲線中所采用的參數(shù)是從水庫的水位、水輪機的總流量、差動調(diào)壓塔中的水位中選擇出來的，因此這個極限曲線變成了一條具有更高階的邊界條件的極限曲線。
9.根據(jù)上述權利要求中任一項所述的方法，其特征是，確定通過水輪機的總流量。
10.根據(jù)上述權利要求中任一項所述的方法，其特征是，按照控制技術，通過觀察系統(tǒng)確定相位平面中的參數(shù)和/或狀態(tài)。
11.根據(jù)上述權利要求中任一項所述的方法，其特征是，求出平行于第一條極限曲線的第二條極限曲線，以便按照滯后狀態(tài)對負荷變化進行控制。
12.根據(jù)上述權利要求中任一項所述的方法，其特征是，它不是采用閉鎖提高負荷的方法，而是采用逐漸減小載荷提高的允許速度的方法，而這種減小過程又是通過相位中的狀態(tài)進行控制的。
13.根據(jù)上述權利要求中任一項所述的方法，其特征是，在缺少關于水位信息的情況下，對提高負荷的允許速度均可自動地限制在無危險的范圍之內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種防止水電站中出現(xiàn)不允許的負荷變化的方法。這個方法包括測定調(diào)節(jié)塔中水位隨時間的變化過程,在相位平面中由實際水位(Z)和凈流量(ΔQ)組成的狀態(tài)與極限曲線比較。在達到極限曲線后,負荷繼續(xù)提高中斷,因此在調(diào)壓塔中不會超過規(guī)定的最低水位或最高水位。
文檔編號F03B15/14GK1351693SQ00805394
公開日2002年5月29日 申請日期2000年2月28日 優(yōu)先權日1999年3月23日
發(fā)明者P·K·德爾夫勒 申請人:瓦特克海德羅股份有限公司