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[摘 要]水电站过渡过程的分析不仅能够提升操作细节、降低机组损坏程度，而且还能够提升自调品质，对于其安全高效运行意义重大，所以针对导叶开启时间的不同规定，应结合实际工程情况，计算出符合设计需求的导叶开启时间，从而满足发电机组及电网的自调节系统要求。本文主要介绍了乌泥河PP41型号的调速器，并在此基础上分析了速器导叶开启时间对水电站过渡过程的影响，根据分析结果提出导叶开启时间控制的操作方案，以期为相关工作者及研究人员提供参考依据。
[关键词]过渡过程 导叶开启时间 数值计算 临界时间
中图分类号：TV737 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）02-0375-01
一、乌泥河调速器PP41简介
武汉长江控制设备研究所在2001年研发的新型水轮机调速器实现了计算机编程的特点，其功能结合了PLC与IPC两种机型的优点，在原有技术的基础上，充分发挥了可编程计算机控制器（PCC）的技术特点，扩大了试用范围，主要试用于大、中、小型混流、转浆、贯流、冲击式等类型机组。它主要以PP41可编程计算机的控制器、操作显示器及功能模块为核心硬件，并与接口功能板共同构成的可靠性能高的调节器。主要功能是测量水轮发电机的钻速偏差，并将其按一定调节规律转换成控制导叶开度（和轮叶转角）的信号。
二、调速器导叶开启时间对水电站过渡过程的影响
点电站的过渡过程主要分为三个层次：即大波动、小波动及水力干扰过渡过程。这其中在发生小波动情况时，调速器会设定自动跟踪，所以导叶开启时间的长短不会影响到机组，以下主要对大波动及水利干扰过渡过程进行分析。
1、调速器导叶开启时间对水电站大波动过程的影响
假设电网在强度足够大的情况，这时增加负荷，机组的转速时不变的，调速器在这种情况下也会自动选择不参与调节，因此增加负荷的时间只会对蜗壳末端动力水压及尾水管进口断面压力、管道沿程压力分布、调压室涌浪水位、阻抗孔口压造成一定的影响，根据水锤压力的计算公式：
公式（1）中，Tw、Ts分别代表了压力管道水流惯性的加速时间常数及导叶动作时间，q0-q1为水轮机调速器在开始时间及结束时间的相对流量值。由上述公式可得出分析，调速器机组在增加负荷的过程中，导叶开启速度的快慢与负水锤的大小是成正比的。而此时蜗壳末端的动水压力将与其成反比趋势。因此随着调速器导叶开启时间的减少，机组上游侧沿线最小动水压分布线的梯度及机组下游测线最大动水压力线的梯度会逐渐增大。这里引进调压室基本方程式：
公式（2）中t代表时间，在运算过程中，将其进行微分，这其中的f、F分别表示阴水管道及调压室断面积，v则代表管道中的水流速度，z是调压室的水位，Q表示水轮机的引用流量。这个运算程序中，如果是上游调压室则为“+”号，如果是尾水调压室则为“—”号。由此可得
由公式（3）可得，调速器导叶开启的速度（公式中表示为dQ、dt）会对隧洞水流惯性与调压室浪水为产生直接影响。
2、调速器导叶开启时间对水力干扰过渡过程的影响
如果采用两台机组的布置模式，其中一台机组在并入有限电网正常运行的情况下，另一台机组进行增负荷设置，其增负荷的时间长短及大小就会对机组的调节品质产生影响。以下为水轮机组的运动方程式：
公式（5）中，相关的字母表示为：J是机组转动的惯性矩，Mt、Nt表示为水轮机主动力矩及出力，， M g ， N g为发电机组的阻抗力矩及出力，ω为机组转动角速度，H为水轮机工作水头，Q为水轮机引用流量，η为水轮机效率，t为时间。
在水电站调速器机组导叶开启的过程中，水轮机进口断面压力在水锤作用下会出现下降的现象，而出口断面则会在水锤作用下发生上升的现象。在此基础上就会引起运行机组工作水头（H）的降低，如果这时机组的效率（η）保持不变，与此同时还要求运行机组出力（Nt）不发生变化，就要采取相应措施增大其引用流量（Q）。通过以上公式分析可知，水电站调速器运行机组导叶开启的程度与动作机组导叶开启程度成正比。也就是说导叶开启时间的长短与水锤作用成反比，其开启的时间越短，水锤作用的效果就越明显。与此同时也会影响工作水头及引用流量的幅度，主要表现为工作水头的降低幅度增大，引用流量的增加幅度也会增大。
而在调速器水力干扰过渡过程中，主要发挥作用的是调速器的开度限制机构，如果此时运行机组的开度将要达到某一限制值时，就会限制流量的进一步增加。这时发电机的阻力矩也会保持原有数值不变，所以公式（5）的等式两侧就无法保持平衡，如果等式右侧小于零，运行机组在未达到额定值的条件下就会开始下降，以此为临界点，运行机组在低于某固定值时就会作以轴为中心的摆动运动。这其中的差值如果不能满足要求系数（0～8%），则无法满足调节系统的稳定要求。
三、调速器导叶开启时间对水电站过渡过程影响的结果分析
关于水电站过渡的过程运行，很多研究人员及工作人员在结合实际参数的情况下做了大量的调查运算，同时对调速器机组过渡过程中导叶开启的规律进行了一定的总结，主要表现在以下几个方面。
1、增大电网的自调节系数
如果运行机组在导叶开启时开度达到最大临界值，就要是调速器保证在原有参数不变的情况下，进行电网自调节系数的改变，主要的措施步骤是将其自调节系数由0.0向0.5依次增加，这时导叶开启的相对差值将会减小，直到速度减慢至无法恢复原有的额定转速。此时如果导叶开启最大临界值继续变大，就还要对自调节系数进行增大处理，例如可由原来的0.0增大的0.5，再继续增大到0.8，这样就能实现导叶开启的相对差值的减小，从而在一定程度上改善了水力干扰过渡过程的调节品质。
2、调整调速器参数
第一，假设调速器参数还是达到临界的最大值，就要在保证调速器其他参数不变的情况下，改变永态转差系数，可以将其从0.0逐渐递增至0.8，观察其前后变化过程可得知，两次的变化是重合的，所以可以证明气的增加与改善水力干扰过渡过程并没有太大的关系，也无法实现提升其品质的调节。再有一点，调速器参数的增加及减少，在调速器转速变化调整的前后是差不多相同的，所以说调速器参数的调整对其水力干扰过渡过程的品质影响并不明显。
第二，动作机组的负荷变化会对水力干扰过渡的过程产生影响，一般的情况是随着动作机组负荷的增加，引用的总流量也会增加，从而导致水头损失的增加，进而使得运行机组的水头及流量均减少，降低了机组的工作效率，以至于水力干扰中运行机组的恒定出力小于其初始出力。所以由此得出结论，调速器导叶开启时间的延长会影响其他相关数据，比如会造成运行记住出力变化幅度的减少以及震荡周期的增大，从而影响水力干扰过滤过程的品质。
结论：本文结合了调速器导叶开启的理论及公式计算，完成了导叶开启时间对水电站过滤过程的影响分析，主要以大波动对导叶开启时间的影响为重点，计算出导叶开启的合理时间，从而控制参数范围，实现机组转速的额定运行，以满足发电机及电网对调节系统的要求。并根据此结论不断提升自调节系统的工作状态，逐渐向着自动化及专业化方向发展。
参考文献：
[1] 马善定，汪如泽.水电站建筑物（第二版） [M].北京：中国水利水电出版社， 1995.
[2] 沈祖治，严亚芳，王煦时.水轮机甩负荷过渡过程最佳控制的研究[J].利学院学报，1980.3
[3] 舒胜晖，樊红刚.遗传算法在抽水蓄能机组导叶关闭规律优化中的应用[J].清华大学学报（自然科学版），200.11
[关键词]过渡过程 导叶开启时间 数值计算 临界时间
中图分类号：TV737 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）02-0375-01
一、乌泥河调速器PP41简介
武汉长江控制设备研究所在2001年研发的新型水轮机调速器实现了计算机编程的特点，其功能结合了PLC与IPC两种机型的优点，在原有技术的基础上，充分发挥了可编程计算机控制器（PCC）的技术特点，扩大了试用范围，主要试用于大、中、小型混流、转浆、贯流、冲击式等类型机组。它主要以PP41可编程计算机的控制器、操作显示器及功能模块为核心硬件，并与接口功能板共同构成的可靠性能高的调节器。主要功能是测量水轮发电机的钻速偏差，并将其按一定调节规律转换成控制导叶开度（和轮叶转角）的信号。
二、调速器导叶开启时间对水电站过渡过程的影响
点电站的过渡过程主要分为三个层次：即大波动、小波动及水力干扰过渡过程。这其中在发生小波动情况时，调速器会设定自动跟踪，所以导叶开启时间的长短不会影响到机组，以下主要对大波动及水利干扰过渡过程进行分析。
1、调速器导叶开启时间对水电站大波动过程的影响
假设电网在强度足够大的情况，这时增加负荷，机组的转速时不变的，调速器在这种情况下也会自动选择不参与调节，因此增加负荷的时间只会对蜗壳末端动力水压及尾水管进口断面压力、管道沿程压力分布、调压室涌浪水位、阻抗孔口压造成一定的影响，根据水锤压力的计算公式：
公式（1）中，Tw、Ts分别代表了压力管道水流惯性的加速时间常数及导叶动作时间，q0-q1为水轮机调速器在开始时间及结束时间的相对流量值。由上述公式可得出分析，调速器机组在增加负荷的过程中，导叶开启速度的快慢与负水锤的大小是成正比的。而此时蜗壳末端的动水压力将与其成反比趋势。因此随着调速器导叶开启时间的减少，机组上游侧沿线最小动水压分布线的梯度及机组下游测线最大动水压力线的梯度会逐渐增大。这里引进调压室基本方程式：
公式（2）中t代表时间，在运算过程中，将其进行微分，这其中的f、F分别表示阴水管道及调压室断面积，v则代表管道中的水流速度，z是调压室的水位，Q表示水轮机的引用流量。这个运算程序中，如果是上游调压室则为“+”号，如果是尾水调压室则为“—”号。由此可得
由公式（3）可得，调速器导叶开启的速度（公式中表示为dQ、dt）会对隧洞水流惯性与调压室浪水为产生直接影响。
2、调速器导叶开启时间对水力干扰过渡过程的影响
如果采用两台机组的布置模式，其中一台机组在并入有限电网正常运行的情况下，另一台机组进行增负荷设置，其增负荷的时间长短及大小就会对机组的调节品质产生影响。以下为水轮机组的运动方程式：
公式（5）中，相关的字母表示为：J是机组转动的惯性矩，Mt、Nt表示为水轮机主动力矩及出力，， M g ， N g为发电机组的阻抗力矩及出力，ω为机组转动角速度，H为水轮机工作水头，Q为水轮机引用流量，η为水轮机效率，t为时间。
在水电站调速器机组导叶开启的过程中，水轮机进口断面压力在水锤作用下会出现下降的现象，而出口断面则会在水锤作用下发生上升的现象。在此基础上就会引起运行机组工作水头（H）的降低，如果这时机组的效率（η）保持不变，与此同时还要求运行机组出力（Nt）不发生变化，就要采取相应措施增大其引用流量（Q）。通过以上公式分析可知，水电站调速器运行机组导叶开启的程度与动作机组导叶开启程度成正比。也就是说导叶开启时间的长短与水锤作用成反比，其开启的时间越短，水锤作用的效果就越明显。与此同时也会影响工作水头及引用流量的幅度，主要表现为工作水头的降低幅度增大，引用流量的增加幅度也会增大。
而在调速器水力干扰过渡过程中，主要发挥作用的是调速器的开度限制机构，如果此时运行机组的开度将要达到某一限制值时，就会限制流量的进一步增加。这时发电机的阻力矩也会保持原有数值不变，所以公式（5）的等式两侧就无法保持平衡，如果等式右侧小于零，运行机组在未达到额定值的条件下就会开始下降，以此为临界点，运行机组在低于某固定值时就会作以轴为中心的摆动运动。这其中的差值如果不能满足要求系数（0～8%），则无法满足调节系统的稳定要求。
三、调速器导叶开启时间对水电站过渡过程影响的结果分析
关于水电站过渡的过程运行，很多研究人员及工作人员在结合实际参数的情况下做了大量的调查运算，同时对调速器机组过渡过程中导叶开启的规律进行了一定的总结，主要表现在以下几个方面。
1、增大电网的自调节系数
如果运行机组在导叶开启时开度达到最大临界值，就要是调速器保证在原有参数不变的情况下，进行电网自调节系数的改变，主要的措施步骤是将其自调节系数由0.0向0.5依次增加，这时导叶开启的相对差值将会减小，直到速度减慢至无法恢复原有的额定转速。此时如果导叶开启最大临界值继续变大，就还要对自调节系数进行增大处理，例如可由原来的0.0增大的0.5，再继续增大到0.8，这样就能实现导叶开启的相对差值的减小，从而在一定程度上改善了水力干扰过渡过程的调节品质。
2、调整调速器参数
第一，假设调速器参数还是达到临界的最大值，就要在保证调速器其他参数不变的情况下，改变永态转差系数，可以将其从0.0逐渐递增至0.8，观察其前后变化过程可得知，两次的变化是重合的，所以可以证明气的增加与改善水力干扰过渡过程并没有太大的关系，也无法实现提升其品质的调节。再有一点，调速器参数的增加及减少，在调速器转速变化调整的前后是差不多相同的，所以说调速器参数的调整对其水力干扰过渡过程的品质影响并不明显。
第二，动作机组的负荷变化会对水力干扰过渡的过程产生影响，一般的情况是随着动作机组负荷的增加，引用的总流量也会增加，从而导致水头损失的增加，进而使得运行机组的水头及流量均减少，降低了机组的工作效率，以至于水力干扰中运行机组的恒定出力小于其初始出力。所以由此得出结论，调速器导叶开启时间的延长会影响其他相关数据，比如会造成运行记住出力变化幅度的减少以及震荡周期的增大，从而影响水力干扰过滤过程的品质。
结论：本文结合了调速器导叶开启的理论及公式计算，完成了导叶开启时间对水电站过滤过程的影响分析，主要以大波动对导叶开启时间的影响为重点，计算出导叶开启的合理时间，从而控制参数范围，实现机组转速的额定运行，以满足发电机及电网对调节系统的要求。并根据此结论不断提升自调节系统的工作状态，逐渐向着自动化及专业化方向发展。
参考文献：
[1] 马善定，汪如泽.水电站建筑物（第二版） [M].北京：中国水利水电出版社， 1995.
[2] 沈祖治，严亚芳，王煦时.水轮机甩负荷过渡过程最佳控制的研究[J].利学院学报，1980.3
[3] 舒胜晖，樊红刚.遗传算法在抽水蓄能机组导叶关闭规律优化中的应用[J].清华大学学报（自然科学版），200.11