灯泡贯流式水力发电机甩负荷研究

　　1 概况

　　牛栏沟水电站位于云南省横江流域岔河至盐津县城段，电站引用流量 230.4m3/s,额定水头 12.3m,电站主要任务是发电。装设 2 台12.4MW 的灯泡贯流式水轮发电机组，总装机容量为 24.8MW.机组年利用小时为 4560h,多年平均发电量 1.14 亿 kW·h.电站为低水头径流式日调节水电站，上游水位基本在正常蓄水位和死水位之间波动，变幅不大，下游水位受下泄流量影响，有较大变幅。

　　2 机组特点

　　灯泡贯流式机组的发电机置于水下的灯泡体内，发电机体积小、重量轻、转动惯量小、飞轮力矩 GD2相应较小；机组额定转速低，起动和停机过程短，转速变化快；低水头大流量，机组动态调节品质比较难以控制。调速器通过限制两个主配压阀活塞开腔、关腔的行程来满足主机厂给出的导叶、桨叶最快开关速度；而主机厂给出的导叶关闭速度最快 10.5s,导叶的开启速度较慢一般在 10s,常规设定桨叶的开启 20s、关闭 40s 速度更是比导叶的开关速度慢很多；造成调速器主配压阀活塞的限制行程严重不对称，导致在调速器 PID运算输出相同控制量对应的导叶、桨叶开关速度的不对称。

　　2.1 设计要求

　　牛栏沟电站水轮机型号 GZ995a-WP-380,在额定水头 12.3m工况下，机组飞轮力矩 GD2（发电机 GDf2=3800KN·m²、转轮 GDz2=400KN·m²、转轮水体 GDw2=1000KN·m²）=5200KN·m²时，按第一段关闭时间 Ts为 3.0s、第二段关闭时间为 7.5s 时，机组甩 100%负荷的转速率上升值 βmax≤60%.在最大水头 15.2m 时，机组甩 100%负荷，导叶前的最大压力上升值不大于 50%.调速器型号 GLT-100-6.3,采用了智能变结构、变参数的调节模式，并网前为 PID 调节，并网后为 PI 调节，根据工况辨识设置不同的调节参数，以确保各种工况下调节的稳定性和速动性。桨叶控制采用数字协联，由可编程控制器采集水头与导叶接力器行程，按协联函数关系进行查表计算，计算值经数模转换变为电压信号，带动桨叶电液随动装置，使桨叶转角等于计算值，从而实现桨叶协联。当导叶开度等于零，或者转速低于 52%时，起动转角信号将使桨叶开至起动转角。

　　调节保证，导叶分两段关闭，第一段关闭时间：3.0s,第二段关闭时间：7.5s,拐点：30%aomax.桨叶关闭时间：40s.

　　调速器主要技术指标：

　　转速死区 ix≤0.04%静态特性线性度误差 ε≤5%

　　2.2 试验分析

　　机组甩负荷试验记录如表 2:通过对牛栏沟电站 2 号甩 100%额定负荷试验分析，发现在机组甩负荷时，机组分段关闭拐点上移至 36.23%,第一段关闭时间缩短为 2.08s,机组转速最高达到 219.7r/min,机组转速在关闭阶段转速低于 135r/min,导致机组自动灭磁。

　　相关试验结果如下：（1）整机的静态特性和桨叶随动系统，转速死区ix=0.026,优于国家标准的 0.04%;桨叶随动系统的不准确度 is=0.39%,优于国家标准的规定 1.5%.（2）甩 25%额定负荷时，接力器不动时间的测定 Tq=0.16s,优于国家标准的 0.2s.（3）甩 100%额定负荷的过渡过程时间为 34s,优于国家标准的 40s,超过稳态转速 3%以上的波峰次数为 3 次，不满足国家标准的规定。（4）在甩 100%额定负荷时，出现机组最低转速低于 45Hz 的情况，励磁系统自动灭磁，不满足 DL/T563-2004《水轮机电液调节系统及装置技术规程》规定的“机组甩负荷最低转速不能低于 90%额定转速（45Hz）”.（5）机组甩 25%、50%、75%和 100%负荷的转速率上升值 βmax≤60%,导叶前最大压力上升率<45%（对应压力值为 30.84m）。

　　3 原因分析

　　影响牛栏沟电站机组甩负荷试验的主要因素如下：（1） 灯泡贯流式机组由于水头低，流量大，转动惯量小，导叶、桨叶开关速度不同，带来正、负调整超调量的不对称及超调和滞后，在甩负荷试验过程中稳定性较差，容易出现来回抽动现象，调整不好很难达到调速器标准指标要求。（2）由于灯泡贯流式机组的协联配合对机组甩负荷试验影响很大，在调速器调节过程中，桨叶缓慢关闭，在相应水头下，导叶开度、桨叶开度存在协联函数关系中的最优效率点，将导致机组转速迅速升高，增加调速器调节的难度。（3）对于常规机组，甩负荷试验的转速上升率 β 值随机组所甩负荷的增大而增大，而灯泡贯流式机组不一定随甩负荷值得增大而增大。（4）由于灯泡贯流式机组的转动惯量及飞轮力矩 FD2小，导致转速上升速度快，对流量增大的影响大，甩负荷转速升高后易出现较为明显的压力下降产生负水锤。

　　综合上述影响灯泡贯流式机组甩负荷的原因为：灯泡贯流式机组水头低、流量大、转动惯量小、导叶与桨叶关闭时间不一致、水轮机导叶与桨叶的协联关系和尾水位的变化等，都对机组甩负荷产生很大的影响。

　　4 解决方法

　　经业主在现场与试验、安装和厂家人员不懈努力，共同找寻方法，最终圆满完成机组甩负荷试验。

　　（1）在牛栏沟电站 2 号机组调试过程中，与调速器厂家协调通过改变调速器在甩负荷过程中对导叶的控制规律来限制最低转速下降。当机组甩负荷后转速下降至 110%额定转速以下时，将导叶开启至空载开度直至机组加速度由负转正，进入正常的频率空载状态，此法可在很大程度上提高机组甩负荷时最低转速同时避免机组在 115%额定转速、导叶空载以上开度且主配压阀拒动三条件成立是造成事故停机。（2）经现场协调，在机组甩负荷过程中，通过不断修改 PID 调节参数的积分系数 KI量，修正不同控制量，经多次调试最终找到最优值，实现机组的正负超调和对称，很大程度上改变了超调和滞后的问题。（3）经与主机厂水轮机设计人员协调，在保证水力特性及水轮机机械强度的情况下，经其复核后，相应加快桨叶的开关速度。

　　5 灯泡贯流式机组几点注意事项

　　电站机组投产发电以来，已连续稳定运行近两年。根据作者多年安装、调试经验，值得注意的主要有以下几点：（1）在灯泡贯流式水轮机发动机招标阶段，业主应充分考虑机组稳定运行，在全厂甩负荷的极端情况下厂用电消失，虽设置柴油发电机或外来电源作为备用电源，但对设备同样存在冲击和损坏的可能，故作者认为在水轮发电机设计时应充分考虑转子重量，若机组机械强度、刚度足够可考虑加装转子配重块。（2）在水轮机调节系统建模和仿真时，应确定一组较好的调速器 PAD 参数，使机组频率对于频率阶跃扰动的相应过程有一定的频率扰动的超调量、调节时间短的动态过程，同时使机组空载频率波动特性满足国标的要求。（3）考虑到机组运行水头对甩负荷试验的影响，要采用机组水流修正系数 KY对机组水流时间常数 Tw进行修正。（4）在设备选择时，应充分考虑水轮机与调速器的配合问题，桨叶关闭尽量接近导叶关闭速度，优化调速器控制策略等。

　　6 结束语

　　通过对灯泡贯流式机组甩负荷试验的介绍和分析，可以肯定通过对调速器参数和控制规律细心调整和合理优化，灯泡贯流式机组甩负荷试验可以达到相应标准的要求，机组稳定性也可以达到规范要求。事实证明是可行的，牛栏沟电站投产发电后在经历线路跳闸后，1 台机组甩完 100%额定负荷后自带厂用电运行，可靠性及稳定性都比较好。

　　参考文献

　　[1]中华人民共和国国家标准。GB/T 9652.1-2007.水轮机控制系统技术条件[S].

　　[2]中华人民共和国国家标准。GB/T 9652.2-2007.水轮机控制系统试验规程[S].

　　[3]灯泡贯流式机组协联优化试验分析[J].水利水电技术，2014.