某电站机组功率摆动问题探讨

【摘 要】本文介绍了某电站机组功率摆动问题，并对该问题的解决过程以及由此对其他功率摆动相关问题进行了探讨。

【关键词】水电站；功率摆动；压力脉动；导流板

1 功率摆动的现象

某电站机组在进行AGC（Automatic Generation Control，自动发电控制）试验时，发现机组在部分有功负荷时，有功产生较大幅度的波动，超过AGC投入所要求的标准，导致AGC无法投入。

该机组为混流式水轮发电机组，装机两台。

试验中有功波动较大，首先需要排除电气二次方面的因素。经现场检查，发现电气二次并无问题。

从试验录波图（见图1，为功率波动最严重的工况）可以看出，机组有功波动时导叶开度保持不变，因此机组的有功波动跟调速系统没有直接关系，励磁电压的波动跟PSS有关，机组有功变化后，PSS产生条件来抑制功率变化，为正常现象。

通过对机组不同工况下尾水压力脉动、蜗壳压力脉动、机组有功波动、机组导叶开度等数据进行了检测，发现在机组有功波动较大时，补气装置处的补气声音、水导摆度以及压力脉动值均相应变大，因此，有功波动和尾水压力脉动或有一定的相关性。

经查，该电站尾水管压力脉动幅值并不算高，且一般原则上，单纯的压力脉动并不会直接导致较大的功率波动。但在《水轮发电机组动力学》中有提到，当尾水管涡带频率与发电机的电自振频率相等时，就会引起机组出力周期性大幅度的摆动。

2 问题解决过程简要描述

通过查阅相关资料，发现发电机有功功率波动问题在水电史上较少发生，但并非首例。我国四川狮子滩水电厂机组就曾出现过类似的出力周期性大摆动，经查，原因是尾水管涡带频率与发电机电自振频率发生共振，并在采用增加了尾水管导流板等一系列措施后，问题得到了解决。故此次该机组的功率摆动问题，也极有可能是该原因造成的。

当然，仅仅是参考推断，仍不能说明问题所在，或许没有共性而言。必须通过严谨的计算分析，通过数据来论证。

参照《水轮发电机组动力学》，对该电站的电自振频率进行计算，同时做全流道CFD分析。从计算结果和对比可知，功率波动最大的运行工况时的电自振频率与尾水管压力脉动频率实测值确实比较接近，验证了发电机组和输电线路构成的系统电自振频率接近尾水管水压脉动频率，从而引起电功率谐振，导致功率大幅波动的推断。

系统电自振频率接近尾水管水压脉动频率是偶然事件。针对该项目现状，由于发电机组和输电线路构成的系统已经存在，其自振频率很难通过在发电机出口和输电线路之间增设电气装置或采用其他措施予以改变，因此需要通过一系列措施改变尾水管水压脉动频率及幅值，以避免与系统电自振频率发生谐振，达到降低功率波动幅值的目的。

众所周知，改变压力脉动频率和幅值的方法主要有：提供足够的自然补气的补气量，以达到相应的补气效果；对原有转轮泄水锥进行加长改造；在尾水锥管内增加阻尼栅或导流板（狮子滩水电厂采用的措施）；在导叶后转轮前的顶盖上增设强迫补气管等。其中，增加强迫补气管的方案对转轮进口的水流动会有不利的影响，可能会影响到机组的其它水力性能。另外，如电站之前未预留强迫补气管路，且需要相应增加压缩空气设备、管路及控制装置和控制操作程序调整，牵涉面多，比较复杂，故只能作为最后的补救方案。

最终，经过详细的水力分析，并考虑到各方面因素，例如预期效果，实施的难易程度，成本问题以及施工周期等，同时参考狮子滩的成功案例，确定采用在尾水锥管内增加导流板的方案。

3 导流板相关设计

3.1 参考狮子滩电站处理方案，导流板的结构简图如图2所示。

3.2 导流板的结构设计注意事项

3.2.1 导流板的大体尺寸根据实际已有的尾水锥管，通过水力分析得到。

3.2.2 结构设计中要考虑已埋入的尾水锥管，不能对尾水锥管本身产生不利影响。同时做必要的有限元分析，保证导流板本身刚强度满足使用要求，并作频率分析，避免导流板本身频率与压力脉动涡带频率发生共振，从而满足机组的长期可靠运行。

3.2.3 由于尾水锥管已有，导流板的结构设计，需要考虑其安装的可行性来细化结构设计，例如因进人门尺寸大小受限和工人安装作业需要等等。

4 导流板安装后的效果

导流板现场安装后，进行了厂内、调度AGC电厂静态和动态功能测试试验，经测试，该电站AGC静态开环试验结果满足标准要求，AGC投退功能正常，从而验证了之前所做的分析是和实际情况相吻合的。

5 结束语

机组的功率摆动问题在水电史上较少发生，即发电机组和输电线路构成的系统电自振频率非常接近尾水管水压脉动频率属于偶然事件。理论上，电自振频率可通过在发电机出口和输电线路之间增设电气装置或采用其他措施予以改变。从制造厂家的角度出发，有必要在水力设计时，尽量优化真机运行范围，在保证水轮机有较高的加权平均水力效率和满足空蚀要求的前提下，在规定的真机运行范围内不应存在容易导致机组产生异常振动或其他异常的水力因素等，提高机组运行的稳定性和可靠性。