某電站機組功率擺動問題探討

【摘 要】本文介紹了某電站機組功率擺動問題，并對該問題的解決過程以及由此對其他功率擺動相關問題進行了探討。

【關鍵詞】水電站；功率擺動；壓力脈動；導流板

1 功率擺動的現象

某電站機組在進行AGC（Automatic Generation Control，自動發電控制）試驗時，發現機組在部分有功負荷時，有功產生較大幅度的波動，超過AGC投入所要求的標準，導致AGC無法投入。

該機組為混流式水輪發電機組，裝機兩臺。

試驗中有功波動較大，首先需要排除電氣二次方面的因素。經現場檢查，發現電氣二次并無問題。

從試驗錄波圖（見圖1，為功率波動最嚴重的工況）可以看出，機組有功波動時導葉開度保持不變，因此機組的有功波動跟調速系統沒有直接關系，勵磁電壓的波動跟PSS有關，機組有功變化后，PSS產生條件來抑制功率變化，為正常現象。

通過對機組不同工況下尾水壓力脈動、蝸殼壓力脈動、機組有功波動、機組導葉開度等數據進行了檢測，發現在機組有功波動較大時，補氣裝置處的補氣聲音、水導擺度以及壓力脈動值均相應變大，因此，有功波動和尾水壓力脈動或有一定的相關性。

經查，該電站尾水管壓力脈動幅值并不算高，且一般原則上，單純的壓力脈動并不會直接導致較大的功率波動。但在《水輪發電機組動力學》中有提到，當尾水管渦帶頻率與發電機的電自振頻率相等時，就會引起機組出力周期性大幅度的擺動。

2 問題解決過程簡要描述

通過查閱相關資料，發現發電機有功功率波動問題在水電史上較少發生，但并非首例。我國四川獅子灘水電廠機組就曾出現過類似的出力周期性大擺動，經查，原因是尾水管渦帶頻率與發電機電自振頻率發生共振，并在采用增加了尾水管導流板等一系列措施后，問題得到了解決。故此次該機組的功率擺動問題，也極有可能是該原因造成的。

當然，僅僅是參考推斷，仍不能說明問題所在，或許沒有共性而言。必須通過嚴謹的計算分析，通過數據來論證。

參照《水輪發電機組動力學》，對該電站的電自振頻率進行計算，同時做全流道CFD分析。從計算結果和對比可知，功率波動最大的運行工況時的電自振頻率與尾水管壓力脈動頻率實測值確實比較接近，驗證了發電機組和輸電線路構成的系統電自振頻率接近尾水管水壓脈動頻率，從而引起電功率諧振，導致功率大幅波動的推斷。

系統電自振頻率接近尾水管水壓脈動頻率是偶然事件。針對該項目現狀，由于發電機組和輸電線路構成的系統已經存在，其自振頻率很難通過在發電機出口和輸電線路之間增設電氣裝置或采用其他措施予以改變，因此需要通過一系列措施改變尾水管水壓脈動頻率及幅值，以避免與系統電自振頻率發生諧振，達到降低功率波動幅值的目的。

眾所周知，改變壓力脈動頻率和幅值的方法主要有：提供足夠的自然補氣的補氣量，以達到相應的補氣效果；對原有轉輪泄水錐進行加長改造；在尾水錐管內增加阻尼柵或導流板（獅子灘水電廠采用的措施）；在導葉后轉輪前的頂蓋上增設強迫補氣管等。其中，增加強迫補氣管的方案對轉輪進口的水流動會有不利的影響，可能會影響到機組的其它水力性能。另外，如電站之前未預留強迫補氣管路，且需要相應增加壓縮空氣設備、管路及控制裝置和控制操作程序調整，牽涉面多，比較復雜，故只能作為最后的補救方案。

最終，經過詳細的水力分析，并考慮到各方面因素，例如預期效果，實施的難易程度，成本問題以及施工周期等，同時參考獅子灘的成功案例，確定采用在尾水錐管內增加導流板的方案。

3 導流板相關設計

3.1 參考獅子灘電站處理方案，導流板的結構簡圖如圖2所示。

3.2 導流板的結構設計注意事項

3.2.1 導流板的大體尺寸根據實際已有的尾水錐管，通過水力分析得到。

3.2.2 結構設計中要考慮已埋入的尾水錐管，不能對尾水錐管本身產生不利影響。同時做必要的有限元分析，保證導流板本身剛強度滿足使用要求，并作頻率分析，避免導流板本身頻率與壓力脈動渦帶頻率發生共振，從而滿足機組的長期可靠運行。

3.2.3 由于尾水錐管已有，導流板的結構設計，需要考慮其安裝的可行性來細化結構設計，例如因進人門尺寸大小受限和工人安裝作業需要等等。

4 導流板安裝后的效果

導流板現場安裝后，進行了廠內、調度AGC電廠靜態和動態功能測試試驗，經測試，該電站AGC靜態開環試驗結果滿足標準要求，AGC投退功能正常，從而驗證了之前所做的分析是和實際情況相吻合的。

5 結束語

機組的功率擺動問題在水電史上較少發生，即發電機組和輸電線路構成的系統電自振頻率非常接近尾水管水壓脈動頻率屬于偶然事件。理論上，電自振頻率可通過在發電機出口和輸電線路之間增設電氣裝置或采用其他措施予以改變。從制造廠家的角度出發，有必要在水力設計時，盡量優化真機運行范圍，在保證水輪機有較高的加權平均水力效率和滿足空蝕要求的前提下，在規定的真機運行范圍內不應存在容易導致機組產生異常振動或其他異常的水力因素等，提高機組運行的穩定性和可靠性。

[責任編輯：湯靜]