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水 利 学 报

2021 年 10 月 SHUILI XUEBAO 第 52 卷 第 10 期

文章编号：0559-9350（2021）10-1204-13

具有长引水系统的转桨式水轮机过渡过程计算

孔昭年 ，田忠禄 ，陈 卓 ，陈 艳 ，周同旭 ，牟全宝 3
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（1. 中国水利水电科学研究院，北京 100038；2. 天津电气科学研究院有限公司，天津 300186；
3. 内蒙水利水电勘测设计研究院，内蒙古 呼和浩特 010020）
摘要：在水电站设计中，以新型调压阀及其控制系统替代传统调压井具有显著经济效益。基于自行研制的带调压
阀的水轮机调速器实时仿真系统和包含水轮机、发电机、引水系统、水轮机调速器等环节在内的水轮机调节系统
过渡过程计算软件，采用水轮机流量、力矩特性矩阵法表征水轮机动态特性，建立了刚性水击条件下一洞多机输
水系统的数学模型；对带有主配压阀非线性特性的 PID 调速器，建立了带调压阀的转桨式水轮机调节系统数学模
型。研究表明：通过计算只要保证水轮发电机组启动、空载扰动、带负荷、甩负荷自动调节工况下，水轮机调节
系统过渡过程满足稳定运行要求，水电站就可以采用调压阀而不设调压井。最后，计算了某具有长引水系统的转
浆式水轮机过渡过程，该电站水流惯性时间常数高达 27 s，装有 2 台转桨水轮机、1 台定桨式水轮机。计算结果
表明，以调压阀代替调压井后，该水轮机调节系统稳定，满足调节保证要求。
关键词：水流惯性时间；转桨式水轮机；调节系统；过渡过程；调压阀；调压井
中图分类号：TV136 文献标识码：A doi：10.13243/j.cnki.slxb.20210182

1 问题提出

我国水电站设计有关规程建议：电站水流惯性时间 T ＞2 ~ 4 s 为设置调压井的判据 ［1-2］ ，近几年
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修订出版、颁布的水利行业标准 SL655—2014《水利水电工程调压室设计规范》，在其附件的条文说明
中写道：“水电站是否需要设置调压室，最终要依据压力水道布置及水道沿线的地形、地质条件，机
组运行条件，机组调保参数的限制值，及机组运行稳定性和调节品质等，由水电站水力-机械过渡过
程分析计算，并通过技术、经济综合比较最后确定。”“为保证工程安全，大、中型水电站施工设计
阶段，应根据主机厂家提供的机组参数，采取数值模拟的方法进行机组调节保证计算、运行稳定性
和调节品质分析，复核是否设置调压室”。NB/T 35021—2014《水电站调压室设计规范》中指出水电站
是否需要设置调压室，最终要根据压力水道布置，水电站在电力系统中的作用，压力管道沿线的地
形、地质条件，电站运行条件，机组调保参数的限制值，及电站运行稳定性和条件品质等有水电站
水流过渡过程分析计算，并通过技术经济比较最后确定。为工程安全，大中型水电站技术设计阶
段，应根据机组厂家提供的机组参数，进行水力过渡过程计算、机组稳定性及调节品质分析，复核
水道系统调压室设计。但具体设计计算什么、如何计算都没有涉及。
［4］
文献［3］详细规定了考核、检验水轮机调节系统的多项方法；郭文成等 分析的是线性化、小波
［5］
动特性系统；刘冬等 提出了一种改进的特征线法，针对水轮机及引水系统建立了包含基本特征线法
［6］
的联合非线性模型；秋元德三 在给定调压阀运动形式的条件下计算分析管道中的压力变化；乔杜里 ［7］
注意到引水系统大波动过渡过程的计算分析，但对调节系统的核心控制装置采取了理想、线性化简
化，来分析水轮机调节系统稳定性问题；文献［8］开始注意到制定标准，建立、推广规范化的数学模

收稿日期：2021-02-22；网络首发时间：2021-09-28
网络首发地址：http：/kns.cnki.net/kcms/detail/11.1882.TV.20210927.1736.001.html
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基金项目：国家能源局重大科技项目（替代调压井的新型调压阀及其控制系统研究与电站示范应用）
作者简介：孔昭年（1941-），硕士，教授级高级工程师，主要从事水轮机调节技术研究。E-mail：kongzn@iwhr.com
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