迪什林电站大波动过程的最优控制

　　摘要：叙利亚迪什林电站由于受下游过高尾水位和调速系统自身结构的影响，使机组在大波动过程中动态品质指标不好，并且有抬机现象。通过试验和分析，寻求一种最佳控制方式和最佳参数，使机组在大波动过程中有优良的动态指标，并消除抬机现象。
　　关键词：迪什林，扰动，甩负荷，抬机，最优控制
　　一、电站概况
　　迪什林电站位于叙利亚境内幼发拉底河上，距土耳其75公里。电站单机容量为105MW，总共6台机组，电站采用单元接线方式。电站各技术参数如下：
　　水轮机型号：ZZ400A-LH-750
　　调速器型号：DST-150
　　接力器型号：φ600直缸接力器
　　设计安装高：288.5
　　设计水头：26m
　　最大水头：30m
　　最高上游水位：328m
　　最低上游水位：320m
　　最高尾水位：304m
　　最低尾水位：294m
　　二、电站特点
　　由于下游水位受下游撒乌拉电站的影响，一般下游水位都大于300m，而上游水位受土耳其控制，水位又不会高于326m，因此，整个电站长期处于低水头高尾水位的情况下发电。由于电站尾水位过高，在大波动过程中很容易造成机组抬机。并且，由于机组的空载开度一般都在14%以下，而接力器节流孔的位置又在全关方向的15%处（如图），在机组大波动过程中，接力器经常处于节流区位置工作。因此，选择一组最优参数和一种最佳控制方案以保证机组在大波动过程中不产生抬机的情况下使调节系统动态指标达到最优是很必要的。
　　根据调保计算，电站各机组采用两段关闭规律。具体各关闭时间如下：
　　导叶直线关闭时间：8s
　　桨时全关时间：50s导叶开到40%时参与协联
　　两段关闭阀节流时间：26s拐点：20%
　　三、大波动过程各项指标如下：
　　1、 空载时动态指标：
　　最大超调量小于30%扰动量
　　调节次数不大于2次
　　调节时间小于15Tw
　　2、甩100%负荷时，超过3%波峰不大于2次，调节时间由机组解列开始到不超过规定的摆动值的时间小于30Tw.。或从导叶第一次开启到稳定在规定范围内的时间不长于40s。
　　四、机组参数和控制方式的选择过程
　　㈠空载扰动时的参数选择过程
　　扰动前的准备工作：
　　1、 调速器整机调整和静特性试验已完成。
　　2、 手自动开机试验完成。
　　3、 接力器节流阀处于全开，无节流作用。（厂家未对节流时间作任何要求。）
　　过程：
　　当机组稳定运行在48HZ后，给机组一个4HZ的阶跃上扰信号，导叶开到45%总开度后迅速回关，在导叶关闭过程中发生抬机现象。
　　原因分析：
　　在扰动过程中，由于未对尾水管的压力进行监测，因此不知尾水管的真空度有多大。但对扰动过程分析后认为：原因之一是未对接力器节流阀节流时间加以控制造成的。在扰动试验时，节流阀处于最大开启位置，未起到节流作用，使机组在关闭过程中速度过快，造成反水锤抬机。原因之二可能是给定的这一组参数不行，致使导叶关闭速度太快而产生抬机。也有人认为与桨叶关闭速度有关。但，根据扰动时导叶的开度来看，不应与桨叶关闭速度有关。因为桨叶参与协联时，导叶至少要有40%的开度，而扰动时，导叶的最大开度不超过45%。因此，在扰动时，桨叶刚开始参与协联，影响不是很大。
　　处理方案：
　　将真空破坏阀弹簧压板提高3mm以减少动作压力，将接力器节流阀节流时间调到18s；并将桨叶关闭时间定为80s。
　　再一次进行扰动试验时，机组未发生抬机现象。但在参数选择过程中很难选出一组最佳参数既满足动态稳定性指标又满足速动性要求。并且，在甩负荷过程中发现，调节系统动态指标也不理想，特别是调节时间很长。因此，需要寻求另一种调节规律来满足指标。调节时间很长的主要原因是接力器节流阀节流时间太长，并且，节流点很高。如前所述，本电站接力器节流孔位于关闭方向15%处，而机组空载开度位置不超过14%。因此，在空载开度时，接力器完全在节流区工作。并且，由于接力器节流阀所接管径只有φ20mm，在开启导叶时，如此小的一根管道供油来推动φ600的活塞，其速度是快不上去的。所以，虽然接力器节流阀具有单向节流功能，但起不到单向节流作用。由于节流作用，使接力器反应时间很长，造成速动性很差。如果把接力器节流孔位置改在空载位置以下，并把节流阀管径加大，可以改变速动性。但这样很容易造成接力器缸体变形，现场实施起起来很困难，也就只有从其它方面着手解决了。
　　㈡ 甩负荷试验分析机组关闭规律
　　根据其它电站类似机组试验表明：在给定的机组转速之下，最大的上抬力发生在导水机构为最大开度的2-5%左右开度处。并且单位正向水推力随桨叶转角ψ的增大而减小，如果导叶开度α越小，桨叶转角越大，水推力负值也就越大，就有可能发生抬机。而本电站做扰动试验时，桨叶刚开始参与协联，不会产生多大的负向水推力，并且，扰动试验过程中，尾水管压变化不大。因此，抬机量的多少只与接力器的关闭速度有关。鉴于一号机的情况，在二号机调试过程中，把接力器节流时间调整为10s，桨叶关闭时间调整为50s，不改变真空破坏阀弹簧压板位置。进行空载扰动试验时，调节系统动态指标相对一号机来说好多了。根据调节保证计算，为了防止在甩负荷过程中发生抬机，于是考虑在甩负荷过程中，导叶关到20%时投入两段关闭阀。但由于厂家坚持不让两段关闭阀复归，且两段关闭阀又不能实现单向节流。结果，在甩负荷过程中，机组一直在节流状态下工作，并在频率45hz到55hz范围内长期振荡。最终靠手动关回开度限制机构到空载位置才稳定下来。因此，让两段关闭阀复归，并在何时复归，是解决稳定性和速动性的关键。
　　解决方案：
　　1、 在主令控制器上加一位置接点。当导叶关回到某一位置时，两段关闭阀复归。但由于在甩不同负荷时，导叶关闭位置不同。如果位置定得过高，两段关闭阀过早复归，将会造成抬机。如果位置定得过低，导叶关不到这一位置，造成两段关闭阀不能复归，以导致不收敛现象。
　　2、 在计算机控制中加一延时复归指令。在甩负荷过程中，两段关闭阀投入后一定时间后自动复归。根据调保计算，在最恶劣工况下，两段关闭阀节26秒后，蜗壳压力上升和机组转速上升都不超过设计要求。因此，可把复归时间定为26秒。即使甩负荷时导叶关不到全关位置（即：节流时间不需要26秒），两段关闭阀不能即时复归而导致一定时间的振荡，但最终也会稳定下来。
　　3、 因为发生抬机的最大可能时间是在导叶第一次向关闭方向运动过程中。因此，当甩负荷后，机组出现第一次开机电流时（即：导叶第一次向开启方向运动时），两段关闭阀复归。这样，既不会出现抬机，也不会因为两段关闭阀的节流作用而出现长时间振荡现象。但设计未考虑到从何处引出这一电流模拟量，因此，实施起来困难。
　　比较以上三个方案后，选取方案2。
　　按照方案2分别对2、3、4号机进行甩负荷试验发现，负荷甩得越高，调节时间越短。以4号机为例（因水头关系未甩100%负荷）：
　　负荷大小转速上升调节次数调节时间导叶开度关闭时间
　　25%8%256s033s
　　50%12%254s14%12s
　　75%18%244s17%9s
　　注：
　　导叶开度：导叶第一次关到最小位置的开度
　　关闭时间：导叶第一次关到最小位置所需要的时间
　　根据上面图表可以看出：
　　1、 甩小负荷时，调节时间长。这是因为甩小负荷时，导叶开度不大，在甩负荷后，接力器很容易进入节流区工作，至使接力器关闭速度很慢，机组转速不容易降下来。
　　2、 负荷甩得越高，导叶回关越少。由于负荷越大，导叶开度也越大，桨叶开度也大，甩负荷时，桨叶关闭时间长，其反水泵作用导致机组转速很快下降。
　　3、 负荷甩得越高，导叶关闭时间越短。由于负荷越高，导叶接力器活塞距接力器缸节流孔的距离越远，导叶回关速度也就越快。因此适当提前两段关闭阀复归时间，可以减少调节时间。而要两段关闭阀复归的原因是两段关闭阀不能实现单向节流。如果两段关闭阀能实现单向节流，或在两段关闭阀上并一止回阀，使之在开启导叶时不产生节流，那两段关闭阀在何时复归就不是很重要的了。
　　4、 从导叶第一次关到最小位置后，调节时间相对较长。因为在接力器节两段关闭阀复归后，由于接力器的节流点高，致使接力器活塞总在节流孔附近动作，从而增长了调节时间。
　　虽然本电站采用并联PID调节方式，使调速器不仅按转速偏差进行调节，并且也按转速偏差的加速度调节，即具有超前作用。但由于微分作用受接力器反应时间的影响，在加速时间Tn相同时，接力器反应时间越大，微分作用越不明显。所以，由于本电站调节系统节流阀和两段关闭阀的作用，使接力器反应时间很大，从而制约了调速器的性能。致使调节系统的稳定性很差，调节时间很长。
　　五、结束语
　　从一号机和四号机甩负荷试验分析，调节时间很长的主要原因是接力器节流点太高和两段阀不能实现单向节流造成的。由此看来，调节系统动态指标的好坏，不仅与参数选择、调节规律有关，也与设备结构有着直接联系。
　　参考书目：
　　水轮机东北水利水电专科学校史振声主编
　　水轮机调节河海大学沈祖诒主编
　　水轮机调节系统的设计与计算皮沃瓦洛夫著
　　连希德译
　　接力器结构示意图

《迪什林电站大波动过程的最优控制》

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