基于调节品质的调压室断面积研究

设置调压室的目的是满足水电站调节保证计算要求，改善水轮机运行条件。但也带来了调压室水位波动稳定和电站调节品质恶化问题。随着我国水电建设的发展，对设有调压室的水电站调节品质也提出了更高的要求。而现行设计理论和实践仅关注水电站调节系统的稳定性，对调节品质未予足够的重视。本项目拟对设有调压室的水电站调节品质进行研究，从调节品质分析的边界条件和评判标准着手，对其影响因素进行内在机理和规律性分析，确定调压室断面积与调节品质的关系，推求满足调节品质的调压室最小断面积计算式。具体研究思路是通过调研，分析电网调度的特点和资料，确定水电站调节品质数值模拟的边界条件和评价指标；通过理论分析、数值计算探索各种影响因素的影响机理和内在规律；在此基础上建立调压室断面积与调节品质指标之间的关系，基于调节品质推求调压室断面积。该成果对完善调压室水力设计理论和指导水电站设计，具有重要的理论意义和应用价值。

本项目的研究对象是具有长引水系统并设置调压室（上游调压室或下游调压室）的水电站调节品质，目的是获得满足水电站调节品质的最小断面积分析方法和计算公式，完善调压室水力设计理论。主要研究进展和成果有：（1）带调压室水电站机组频率波动特点呈现明显的主波和尾波特征，其主波主要受压力管道中的水击波的影响，可由调速器很好的调节，而尾波主要受调压室水位波动的影响，是影响水电站调节品质的主要因素。（2）通过理论推导建立了尾波波动过程与调压室面积之间的关系，机组频率尾波的波动周期只与调压室面积有关，且与调压室水位波动周期接近；调速器参数、调压室面积和电网自调节系数均能影响尾波的波动幅值、相位和阻尼比。（3）对于带调压室水电站，为保证其具有良好的调节品质，评价指标仍采用转速最大偏差相对值 、调节时间 、衰减度 及振荡次数等。附加条件是尾波的第一振幅小于频率波动的允许带宽。（4）提出了与调节系统稳定域对应的调节品质域，建立了调压室断面积与允许频率波动带宽之间的关系式。（5）建立了带调压室水电站引水发电系统、水轮机、发电机、负荷和调速器构成完整的水电站调节系统数学模型。采用Visual C++开发语言，编制了水电站过渡过程计算程序。（6）通过数值计算分析了水轮机特性、调速器、阻抗系数等非线性因素对调节品质的影响。提出从电站调节保证计算、运行的稳定性及调节品质三方面来进行调压室设置条件论证，保证电站运行的稳定性和供电质量。（7）根据调压室断面积与允许频率波动带宽之间的关系式，得到满足调节品质的调压室断面面积的表达式，结合典型实际工程，说明相对于高水头的水电站，中低水头的水电站需要比稳定断面更大的调压室面积，才能保证水电站的调节品质。（8）为了提高数值模拟精度，尝试了一维特征线法和局部三维非恒定流场计算结合的水电站过渡过程数值模拟技术，取得了比较好的结果。.本项目针对带单调压室电站在孤立电网中的调节特性，分析了调节品质的评价指标，建立了水电站引水发电系统数学模型，探讨了水电站调节品质的多种影响因素，抓住主要因素，忽略次要因素，获得了满足调节品质的调压室最小断面积的表达式。