华中科技大学郭文成课题组在考虑复杂流道水力特性的水电站调压室设置条件与临界稳定断面研究方面取得新进展

  近期,华中科技大学水电与数字化工程学院郭文成课题组对考虑复杂流道水力特性的水电站调压室设置条件与临界稳定断面进行了研究,提出了考虑复杂流道水力特性的水电站调压室设置条件与临界稳定断面公式,揭示了复杂流道水力特性对调压室设置条件与临界稳定断面的影响机理。研究成果以3篇论文的形式发表于国际权威SCI期刊International Journal of Electrical Power & Energy Systems及Chaos Solitons & Fractals。 

  对于具有长引水/尾水管道、复杂布置形式和担负重要调峰调频任务的水电站,就引水发电系统的水机电过渡过程而言,不论从大波动的角度通过减小有压管道水流惯性的不利影响以满足调节保证的要求、还是从小波动的角度通过改善调节系统的稳定性和调节品质以满足电站安全稳定运行和供电质量的要求,都需要设置平压设施——调压室。调压室是水电站重要的平压设施,使系统能够达到安全稳定运行控制的要求。 

  在水电站过渡过程与控制的范畴内,设置条件与临界稳定断面是调压室研究的核心内容。随着水电开发的深入,水电站流道水力特性愈发复杂,导致已有的调压室设置条件与临界稳定断面不再适用,需要专门研究并提出考虑复杂流道水力特性的水电站调压室设置条件与临界稳定断面,指导水电站的设计与运行。 

  对考虑压力管道水头损失非线性基于水轮机调节系统稳定性的调压室设置条件进行了研究。首先建立了考虑压力管道水头损失非线性的水轮机调节系统的数学模型。其次,通过Hopf分岔理论推断出了基于水轮机调节系统稳定性考虑压力管道水头损失非线性的调压室设置条件。最后,进行了调压室设置条件的特性分析,对基于稳定性的不同的调压室设置条件通过对比分析揭示了压力管道水头损失非线性的机理。研究表明:考虑压力管道水头损失非线性的水轮机调节系统是3阶非线性动力系统。调压室的设置条件有3个不等判别式,第三个是起控制作用的判别式。判别曲线边界上的水流惯性时间常数Twt0对应于Twt0临界值,即[Twt0]。当Twt0小于[Twt0],水电站不需设置调压室;否则,就需要设置调压室。为了得到更加准确的调压室设置条件,考虑压力管道水头损失非线性是必要的。 

  

  (a) 关系曲线 

  (b) 的动态响应 

  图1 某水电站中不同和调压室设置条件下的关系曲线和的动态响应 

  研究了考虑引水隧洞水头损失和机组等出力非线性的调压室临界断面。首先建立了推导调压室临界断面的四个数学模型。其次利用Hopf分岔方法分析了水电站的稳定性。以水电站临界稳定状态为基础,推算了调压室临界断面的计算公式。最后,对不同的调压室临界断面公式作出验证和比较。结果表明:在增负荷工况下,引水隧洞水头损失和机组等出力非线性均可降低调压室的临界断面值,有利于电站系统的稳定运行。在减负荷工况下,规律则相反。在增负荷和减负荷两种工况下,引水隧洞水头损失非线性对调压临界断面的影响远大于机组等出力非线性的影响。考虑引水隧洞水头损失的非线性和机组等出力非线性的调压室临界断面公式可以表示为放大系数乘以托马公式,其精度高于托马公式。 

   

   

  (a) OC-1 

  (b) OC-2 

  图2 HP-A中OC-1和OC-2下不同调压室临界断面的调压室水位数值模拟结果 

  对基于稳定性的变顶高尾水洞水电站下游调压室的设置条件进行了研究。首先推导建立了变顶高尾水洞的水轮机调节系统的数学模型。其次以李雅普诺夫第一法分析了水轮机调节系统的稳定性,基于稳定判据推导出了变顶高尾水洞水电站下游调压室的设置条件。最后,分析了设置条件的特性和影响因素。通过对比分析,揭示了基于稳定性的变顶高尾水洞和有压尾水洞水电站下游调压室设置条件的异同。研究表明:基于稳定性的变顶高尾水洞水电站下游调压室的设置条件由几个不等式判据组成,其中一个判据决定了水轮机调节系统的稳定域和水流惯性允许值。不等式端点对应的压力管道水流惯性值是可以不设下游调压室的水流惯性允许值。变顶高尾水洞的断面形状对设置条件几乎没有影响。从变顶高尾水洞水电站下游调压室的设置条件出发,变顶高尾水洞的斜率取较小值是合理的。变顶高尾水洞水电站的水流惯性时间常数允许值大于有压尾水洞水电站的水流惯性时间常数允许值。 

  (a) 关系曲线和关系曲线 

  (b) 关系曲线 

  图3 基于稳定性的有压尾水洞和变顶高尾水洞的下游调压室的设置条件对比 

  本研究依托华中科技大学水电与数字化工程学院,郭文成副教授为论文通讯作者,硕士研究生朱道懿为第一作者,研究获得国家自然科学基金项目的资助。 

  原文链接: 

  https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142061519308828 

  https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960077919302528 

  https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960077920301004 

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