专利名称：采用调压搭对水电站中的负荷变动进行控制的方法
技术领域：
本发明涉及一种建在高压部位和/或低压部位的调压塔的水电站中负荷变动进行控制的方法。
图1表示一座水电站的主要设备，它包括一座水库1、一条地下隧道2、带有一个溢流段4的调压塔3，溢流段有一个底面5，并有一个较大的断面、一条部分露天的管道6和一座电站厂房7。由于地形原因经常要求通过很长的距离将水引入动力间的厂房7。水从水库1经过处于压力下的隧道2和管道6引入动力间的厂房7。在稳定状态下，水库调整到水位11，称之为上水水位。在额定载荷和稳定流动时，由于水流过管道时的摩擦损失，水压按线12降低。在负荷发生变化时不仅会出现低压，也可以出现高压。在可能的压力曲线中的上、下包络线13、14称为极限压力线。在没有调压塔的设备中会出现极限压力线15和16。
如果在这种设备中关闭正在运转中的水轮机，则必须将整个管道中流动的水关闭。此时在动力水道中出现一个瞬时压力升高(压力反冲)。
另一方面，在水轮机开动或负荷增高时，水流加速导致管道中的压力降低。此时，在管道的任何部分不允许出现真空。例如图1中在D点和E点之间的情况就是这样，因为出现的最低的能量值用线16表示，大大低于引水管的测量高度。
在动力水道中大的压力变化是很难控制的，它主要是阻碍了水轮机的调节。如果在离电站厂房尽可能近的地方建造一座调压塔3，就能在很大程度上解决这些问题。调压塔主要满足以下要求1、在由于水轮机的运转调节引起压力冲击时保护隧道；2、减少压力管道中的压力冲击；3、改善水轮机的调节；4、在水轮机承载时作蓄水塔用。
如果有一个长溢流隧道，也可以在设备的低压部位设置一座调压塔。这种调压塔在某种程度上与在高压部位中的调压塔是对称的。在运行时，减少压力升高，在关闭时减少负压的形成。
在运行中，调压塔至少必须容纳所有水轮机由全负荷转为关闭时产生的水量，而不会发生溢流。图2a和2b表示这种关闭时的各种过程。
在图2a中，曲线21表示通过水轮机的流量，由于水轮机在时间点100秒处开始关闭流量降低至零。在压力隧道2中的流量也慢慢地减小。曲线22表示在水轮机关闭后压力隧道2中的流量过程。两个流量间的差额流量23流入调压塔3中，并装满调压塔，如由图2b中的曲线24所示。调压塔水位24和上水位11之间的压力差可以使压力隧道2中的流动放缓。如图示的情况，在1284m的截面4以上调压塔3中的水位上扬减小，这样避免了溢流的发生。
在通过水轮机的流量增大时，例如从空载转为全负荷。会出现在图2a和2b中表示的类似过程，只是正负符号相反。图3a和3b表示其中的一个实例，在这个实例中没有达到调压塔的下极限水位(线26)。
在所有的水轮机负载的同时，调压塔不应该空放。这在所有的设备中是绝对办不到的。
上面提及的调压塔的溢流或空放是由于水力系统在稳定运转时压力发生变化造成的如果考虑多种(而不是一种)负荷变化，那么负荷变化起始条件就变得更为不利，就更加难于满足安全要求。
每个调压塔3与压力隧道2(它应该受到保护)一起组成一个可振荡的系统。在图2b中可以看出，在280秒时调压塔3中的水位达到最大值，与此同时压力隧道中的水达到滞止状态。调压塔水位和上水水位之间的压力差引起水在压力隧道2中倒流，调压塔3的泄空一直持续到倒流又达到滞止状态时为止，这种过程反复进行。
在这个振荡系统中负荷变化，即水轮机体积流量Q的变化起着干扰作用，它会导致调压塔中水位的振荡。由于不良的负荷变化的时间顺序可以进一步引发这种振荡。其后果是虽有正确的尺寸，但调压塔可以泄空或溢流。图4a和4b表示一种实例。此例表示，如在100秒这个时间点水轮机开始卸载后在450秒时又重新满负荷。在该情况下调压塔中水位降到1206müNN，这样，比调压塔的下极限线26低约20米。这意味着调压塔完全放空，大量的空气涌入动力水道中，这种情况是不允许的。
根据现今的技术水平已有很多措施可以避免发生上述问题- 建造一个有足够容量的调压塔。在极端情况下可以建造一个可以适合任何负荷变化的设备。通过建造特殊结构型式的调压塔，例如节流调压塔、闸式调压塔或差动式调压塔，可以降低建筑结构尺寸。但是，该方法的建筑费用较高；-根据投产的水轮机的不同数量限制水轮机的调节升程；-足够慢的负荷变换，即在调压塔中水位振荡周期的调整时间为几分钟。该方法一般不适用于调整水电站；-遵守等待时间，如水轮机卸载和重新加载之间的等待间或者第一个、第二个、第三个水轮机和其它的水轮机启动之间的等待时间。为了减小调压塔中的水位振荡，此种情况的等候时间的数量级与上述相似，这种硬性模式是有缺点的，因为即使负荷变化不存在危险，还是要遵守等候时间。
-考虑振荡相位，在调压塔中仅在某个振荡阶段中才允许加载。该方法的缺点是，没有充分利用水电站设备的动态能力；-考虑调压塔中水位的时间梯度，若时间梯度超过一定的极限值，则水轮机调节机构开启装置闭锁。该方法的缺点也是不能充分利用设备的动态能力；-在控制计算机中预算最坏情况，并对相应的载荷额定值进行相应的限制。缺点是该方法耗费很大。
本发明的目的是对本说明开始所述的方法进行改进。
通过本发明的权利要求1的特征实现了这一任务。
本发明的优点是负荷变化大时，它可以尽可能充分地利用设备的调节能力，在尽可能短的时间达到许可的调压塔水位，由此在尽可能短的时间内实现所希望的负荷变化。
下面，通过附图对本发明进行说明图1是水电站设备示意图，图2a为具有高压部位调压塔的水电站设备中水轮机卸负荷时的流量示意图；图2b是按照图2a在水轮机卸负荷时高压部位调压塔的水位示意图，
图3a是在水轮机接纳负荷时高压部位调压塔水电站设备中的流量示意图，图3b是按照图3a在水轮机接纳负荷时高压部位调压塔的水位示意图，图4a为在高压部位调压塔的水电站设备中卸负荷后又接纳负荷时的流量示意图，图4a是照图4b在卸负荷后又接纳负荷时，高压部位调压塔的水位示意图，图5a-5d为在有高压部位调压塔的设备中采用本发明的方法所得到的改进的示意图，图6示出了极限曲线的与负荷关系图，图7示出了为保持最高水位对不同负荷的极限曲线图，图8a-8d为在有低压部位调压塔中采用本发明的方法所得到改进的示意图。
图5a至5c表示有高压部位调压塔的水电站设备稳定状态时的负荷示意图。图5a表示水轮机控制机构的开放度Y与时间的关系。在时间T1时，所要求的水轮机负荷的额定值相当于开放度的70％。曲线32表示水轮机负荷随时间的变化过程，负荷随水轮机开放时间呈斜线地提高。如果水轮机的负荷(曲线33)不考虑水位过程(曲线34)提高到直至额定值，这样从时间点T2开始在调压塔中的水位低于许可的最低水位(图5c)。为了在时间点T4时在调压塔中的水位能接近最低水位，但不低于最低水位(曲线24)，所以在时间点T3时必须中断负荷调节。
本方法的基本想法，在于对负荷调节的延迟或中断的标准进行定义。在振荡系统和相位平面(图5d)的特殊表示形式中对这个标准进行了检验。在相平面中振荡系统的状态变化曲线是用二维表示的。图示的座标在调压塔中水位用Z表示，它通过测量得到，调压塔中的净流用ΔQ表示，它通过一定时间以后水位的变化推导出的(dz/dt)。在相平面中有几条特殊的曲线。它们描述了在固定负荷时系统未受干扰时的特性。通过对该系统的数字模拟可以直接组成这些曲线。在图5d中那条通过希望达到的最低标高H点的曲线是极限曲线35。
在图5d的相平面中由水位组成的矢量以短时间间隔与极限曲线进行比较。只要达到极限曲线，水轮机负荷限制在实际值上，例如限制在开放度的37.5％(图5a)。当然，卸载仍然是可能的。从图5c至5d中可以看到，对载荷调节进行这么限制可以满足最低水位的要求。
考虑到现有数据的准确性建立一个安全界限是必要的。限制功能只有在相位平面的左侧才有效，也就是调压塔中水位降低时才有效。在图5c中可以看到，在达到一定标高后水位在相当长的间隔内近似保持固定。此现象可以解释为，在ΔQ变换符号时，负荷调节是允许的，也允许负荷有小的提高，直至导出的水位又变成负值，紧接着又抑制负荷调节。具有近似固定水位的时间段集中在相位平面M点上。A、B段为流量的时间曲线(图5b)。在AB段中隧道(22)和水轮机(21)的两个流量值是相吻合的，调压塔的净流量ΔQ即为零。
极限曲线的位置可以受不同的影响而变化。最重要的影响是在隧道入口处上水位的水位和设备的瞬时负荷，这些均用水轮机的开放度表示。图6表示在假设相同的上水位的5种开放度的极限曲线，每种开放度的间距是20％。通过所选择的最低点(图5d中的M点)给出下顶点面上顶点，由于在隧道中摩擦造成的压力损失，随负荷的增加后更低的水位值移动。
除了调压塔空载外，在负荷调节中还存在另一种危险，即调压塔发生溢流。这是由于卸负荷而出现的。为了避免这种情况，在卸负荷前必须为每个负荷求出极限曲线。如图7所示，在相位平面中又要采用图示的，在此图示中，线42表示调压塔溢流时的水位，而线43表示调压塔放空后的水位。在运转期间最不好的情况是调压塔跃升过程中可能会出现卸载，在此时可以达到通过S点的极限曲线。通过这个定义为每个水轮机负荷得到一个最低水位点M，而这点又能保证保持最高水位S。可以为每个最小值确定调压塔下降的极限曲线。如同空载时的情况一样，上水水位也影响溢流时的极限曲线。
若在一个水电站设备中存在二种形式的风险则需持续地检验两种标准，此时每种标准各自立地闭锁水轮机的负荷。
上面已经叙述过，调压塔可以建在水流低压部位。在这种类型的水电站设备中存在一种风险，水轮机负载时调压塔发生溢流。为了阻止发生这种情况，可以应用本发明的方法，如同在水流高压部位的调压塔中阻止空放时的情况一样。
如图5a至5d中描述的方法一样，在相位平面中的状态可以与一条极限曲线相比，或若需要，可与几根极限曲线相比，然而，这里只是正梯度的情况，即是上升中的相位。图8a至8d表示了这种情况。若达到极限曲线35，则所有调节机构就被闭锁。在图8c中出现与图5c符号相反的水位变化，图8d与图5d相比旋转了180°，因为两个轴是镜面对称的。下水水位41代替上水水位，最高水位42代替最小水位。
在低压部位的调压塔中，在卸载时存在放空的危险。这种危险可以采用类似高压部位调压塔的那种方法加以排除。但是必须保证，在上升过程开始时不得超过一定的最高水位42，该水位又与负荷有关。这可以在下降时通过应用与负荷有关的极限曲线达到。
在动力间两侧均设置调压塔的水电站中是可以防止在两侧出现风险的。不同的闭锁水轮机开放的准则是与“或”一逻辑电路联系在一起的，也就是每个准则都是独立地导致闭锁。
节省在极限装置中的计算化费是必要的或甚至是有利的。通过在使用极限曲线时放弃通过计算的方法考虑个别影响因素就可以办到。在这些情况中极限曲线具有近似的特点。极限曲线的数值定义必须考虑这种情况，它包含一个扩大了的安全边界。在这方面本方法仍保持简单性的特点。
如果-在极限装置中的某些参数不是作为测量数值用，例如上水水位或设备的总负荷；-振荡系统是复合的，系统阶次较高，例如有一个差动式调压塔，这时一定不是应用一条极限曲线而是应用一个极限面了。
-应可实现已预定的有限的设备计算能力，此时，使用本方法才更有意义。
从图6中看到，极限曲线形式随负荷的不同有很大的变化。这主要是在隧随道中静压力下降的结果。在大部分的水电站中一个隧道和调压塔的后边连有多台水轮机。如果在一个装置中有关于总流量的信息，这时才能正确表示负荷的影响。在很多情况下流量的测量信号滞后很大或者分辨率很差。因此计算流量值要更好一些。可以在设备本身中进行计算，也可以在水轮机控制系统中进行计算，或者根据其它的测量信号，例如开放度、压力、转速等在其它的设备中进行计算。
为了将各个流量求和，最好是使用一种比组合导向平面更高一级装置。
藉助一个观察系统不仅可以提供水库中的实际水位值，而且也可以提供调压塔中的水位的时间曲线。观察系统只是限制装置范围中的一种功能。它包含最重要设备部件的简化动态计算模型，并不断地从水轮机流量中计算管道压力变化和调压塔中的水位变化。这些数值与测量值进行比较，观察系统则根据这些差值进行修正(例如水位值)，这样可减小偏差。
原来每条极限曲线定义为绕稳定调压塔水位的振荡过程的轨迹或相位图像，而它又与隧道旁的水库水位有关。因为这个水位是随时间变化的，因此，极限曲线随水库的水位而移动。为了能够考虑这种影响，水位数值必须作为限制装置中的数据使用。
在同一个隧道有数台水轮机工作的水电站中，最好不是在水轮机控制器中，而是在它前一级的装置中，例如工厂控制器、发电厂计算机或联合控制器中采用这种限制功能。这种配置的优点是在机器这一级的控制器中就能应用一种简化的控制结构，并可避免信号输入数量太多。
在一些应用中使用闭锁功能可以改进工作质量。在这方面有两种可能性可供选择一为了避免多阶段接通(分步开放)，应用了两条平行排列的极限曲线，它是按滞后原则控制闭锁功能的接通和关闭。在外边那条极限曲线中闭锁有效，在内边的极限曲线上又取消了闭锁。
-在使用粗略近似极限曲线时，使用两条极限曲线之间距离较大的曲线较为有利。闭锁功能不是通过这两条曲线接通和开闭的，而是所许可的负荷提高速度在零和许可的最大值之间不断变化。在外边的极限曲线上许可的负荷速度为零(即达到闭锁)，而在里边的极限曲线上达到一个最高值，此值符合控制机构规定的最短开放时间。
为了防止限制装置出故障，要求对输入信号进行监控。在信号丢失时，极限曲线不再能保证限制功能。在这种情况下限制功能自动地转移到梯度限制器上，而这个梯度限制器又连接在台水轮机控制机构的位置控制器的前边。在这个元件中所确定的最大许可开放速度，在限制装置出现故障时减少到一个足够小的数值，以避免在任意负荷调节时调压塔中出现临界水位振荡。
权利要求
1.一种用高压部位和/或低压部位的调压塔对水电站的负荷变动进行控制的方法，该方法的特征在于，测定调压塔中的水位；借助水位随时间的变化曲线测定调压塔实际水位(Z)和净流量(ΔQ)的状态参数，并在一个相位平面中和极限曲线进行比较，该曲线和固定负荷时的状态过程是相符的并接近地通过最大或最小允许的水位点；在达到极限曲线时，中止负荷的提高。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，按时间间隔对实际状态进行监控。
3.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征是，通过测量确定调压塔中的水位。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，确定最低水位和/或最高水位，以阻止调压塔空载或超载。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征是，保持最低水位或最高水位以便在关闭水轮机的情况下在随后调压塔水位回落时不超过最高水位极限值或最低水位极限值。
6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征是，求出极限曲线与负荷的关系。
7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征是，在求解极限曲线时引用了一个或多个参数。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征是，在求解极限曲线中所采用的参数是从水库的水位、水轮机的总流量、差动调压塔中的水位中选择出来的，因此这个极限曲线变成了一条具有更高阶的边界条件的极限曲线。
9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征是，确定通过水轮机的总流量。
10.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征是，按照控制技术，通过观察系统确定相位平面中的参数和/或状态。
11.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征是，求出平行于第一条极限曲线的第二条极限曲线，以便按照滞后状态对负荷变化进行控制。
12.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征是，它不是采用闭锁提高负荷的方法，而是采用逐渐减小载荷提高的允许速度的方法，而这种减小过程又是通过相位中的状态进行控制的。
13.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征是，在缺少关于水位信息的情况下，对提高负荷的允许速度均可自动地限制在无危险的范围之内。
全文摘要
本发明涉及一种防止水电站中出现不允许的负荷变化的方法。这个方法包括测定调节塔中水位随时间的变化过程,在相位平面中由实际水位(Z)和净流量(ΔQ)组成的状态与极限曲线比较。在达到极限曲线后,负荷继续提高中断,因此在调压塔中不会超过规定的最低水位或最高水位。
文档编号F03B15/14GK1351693SQ00805394
公开日2002年5月29日 申请日期2000年2月28日 优先权日1999年3月23日
发明者P·K·德尔夫勒 申请人:瓦特克海德罗股份有限公司