淺談燈泡貫流式機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)及解決方法

摘 要：文章介紹了牛欄溝水電站水輪機(jī)發(fā)電機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)過程及結(jié)果進(jìn)行分析，總結(jié)燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)甩負(fù)荷主要影響因素，根據(jù)機(jī)組設(shè)計(jì)特點(diǎn)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行情況，提出可行的解決辦法，其結(jié)論能為燈泡貫流式機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)提供參考并積累經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：燈泡貫流式；甩負(fù)荷；方法

1 概況

牛欄溝水電站位于云南省橫江流域岔河至鹽津縣城段，電站引用流量230.4m3/s，額定水頭12.3m，電站主要任務(wù)是發(fā)電。裝設(shè)2臺(tái)12.4MW的燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為24.8MW。機(jī)組年利用小時(shí)為4560h，多年平均發(fā)電量1.14億kW·h。電站為低水頭徑流式日調(diào)節(jié)水電站，上游水位基本在正常蓄水位和死水位之間波動(dòng)，變幅不大，下游水位受下泄流量影響，有較大變幅。

2 機(jī)組特點(diǎn)

燈泡貫流式機(jī)組的發(fā)電機(jī)置于水下的燈泡體內(nèi)，發(fā)電機(jī)體積小、重量輕、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、飛輪力矩GD2相應(yīng)較??；機(jī)組額定轉(zhuǎn)速低，起動(dòng)和停機(jī)過程短，轉(zhuǎn)速變化快；低水頭大流量，機(jī)組動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)品質(zhì)比較難以控制。調(diào)速器通過限制兩個(gè)主配壓閥活塞開腔、關(guān)腔的行程來滿足主機(jī)廠給出的導(dǎo)葉、槳葉最快開關(guān)速度；而主機(jī)廠給出的導(dǎo)葉關(guān)閉速度最快10.5s，導(dǎo)葉的開啟速度較慢一般在10s，常規(guī)設(shè)定槳葉的開啟20s、關(guān)閉40s速度更是比導(dǎo)葉的開關(guān)速度慢很多；造成調(diào)速器主配壓閥活塞的限制行程嚴(yán)重不對(duì)稱，導(dǎo)致在調(diào)速器PID運(yùn)算輸出相同控制量對(duì)應(yīng)的導(dǎo)葉、槳葉開關(guān)速度的不對(duì)稱。

2.1 設(shè)計(jì)要求

牛欄溝電站水輪機(jī)型號(hào)GZ995a-WP-380，在額定水頭12.3m工況下，機(jī)組飛輪力矩GD2（發(fā)電機(jī)GDf2=3800KN·m2、轉(zhuǎn)輪GDz2=400KN·m2、轉(zhuǎn)輪水體GDw2=1000KN·m2）=5200KN·m2時(shí)，按第一段關(guān)閉時(shí)間Ts為3.0s、第二段關(guān)閉時(shí)間為7.5s時(shí)，機(jī)組甩100%負(fù)荷的轉(zhuǎn)速率上升值βmax≤60%。在最大水頭15.2m時(shí)，機(jī)組甩100%負(fù)荷，導(dǎo)葉前的最大壓力上升值不大于50%。調(diào)速器型號(hào)GLT-100-6.3，采用了智能變結(jié)構(gòu)、變參數(shù)的調(diào)節(jié)模式，并網(wǎng)前為PID 調(diào)節(jié)，并網(wǎng)后為PI調(diào)節(jié)，根據(jù)工況辨識(shí)設(shè)置不同的調(diào)節(jié)參數(shù)，以確保各種工況下調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性和速動(dòng)性。槳葉控制采用數(shù)字協(xié)聯(lián)，由可編程控制器采集水頭與導(dǎo)葉接力器行程，按協(xié)聯(lián)函數(shù)關(guān)系進(jìn)行查表計(jì)算，計(jì)算值經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換變?yōu)殡妷盒盘?hào)，帶動(dòng)槳葉電液隨動(dòng)裝置，使槳葉轉(zhuǎn)角等于計(jì)算值，從而實(shí)現(xiàn)槳葉協(xié)聯(lián)。當(dāng)導(dǎo)葉開度等于零，或者轉(zhuǎn)速低于52%時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)角信號(hào)將使槳葉開至起動(dòng)轉(zhuǎn)角。

調(diào)節(jié)保證，導(dǎo)葉分兩段關(guān)閉，第一段關(guān)閉時(shí)間：3.0s，第二段關(guān)閉時(shí)間：7.5s，拐點(diǎn)：30%aomax。槳葉關(guān)閉時(shí)間：40s。

2.2 試驗(yàn)分析

機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)記錄如表2：通過對(duì)牛欄溝電站2號(hào)甩100%額定負(fù)荷試驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)在機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)，機(jī)組分段關(guān)閉拐點(diǎn)上移至36.23%，第一段關(guān)閉時(shí)間縮短為2.08s，機(jī)組轉(zhuǎn)速最高達(dá)到219.7r/min，機(jī)組轉(zhuǎn)速在關(guān)閉階段轉(zhuǎn)速低于135r/min，導(dǎo)致機(jī)組自動(dòng)滅磁。相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果如下：（1）整機(jī)的靜態(tài)特性和槳葉隨動(dòng)系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速死區(qū)ix=0.026，優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的0.04%；槳葉隨動(dòng)系統(tǒng)的不準(zhǔn)確度is=0.39%，優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定1.5%。（2）甩25%額定負(fù)荷時(shí)，接力器不動(dòng)時(shí)間的測(cè)定Tq=0.16s，優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的0.2s。（3）甩100%額定負(fù)荷的過渡過程時(shí)間為34s，優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的40s，超過穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速3%以上的波峰次數(shù)為3次，不滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。（4）在甩100%額定負(fù)荷時(shí)，出現(xiàn)機(jī)組最低轉(zhuǎn)速低于45Hz的情況，勵(lì)磁系統(tǒng)自動(dòng)滅磁，不滿足DL/T563-2004《水輪機(jī)電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)及裝置技術(shù)規(guī)程》規(guī)定的“機(jī)組甩負(fù)荷最低轉(zhuǎn)速不能低于90%額定轉(zhuǎn)速（45Hz）”。（5）機(jī)組甩25%、50%、75%和100%負(fù)荷的轉(zhuǎn)速率上升值βmax≤60%，導(dǎo)葉前最大壓力上升率<45%（對(duì)應(yīng)壓力值為30.84m）。

3 原因分析

影響牛欄溝電站機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)的主要因素如下：（1）燈泡貫流式機(jī)組由于水頭低，流量大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，導(dǎo)葉、槳葉開關(guān)速度不同，帶來正、負(fù)調(diào)整超調(diào)量的不對(duì)稱及超調(diào)和滯后，在甩負(fù)荷試驗(yàn)過程中穩(wěn)定性較差，容易出現(xiàn)來回抽動(dòng)現(xiàn)象，調(diào)整不好很難達(dá)到調(diào)速器標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)要求。（2）由于燈泡貫流式機(jī)組的協(xié)聯(lián)配合對(duì)機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)影響很大，在調(diào)速器調(diào)節(jié)過程中，槳葉緩慢關(guān)閉，在相應(yīng)水頭下，導(dǎo)葉開度、槳葉開度存在協(xié)聯(lián)函數(shù)關(guān)系中的最優(yōu)效率點(diǎn)，將導(dǎo)致機(jī)組轉(zhuǎn)速迅速升高，增加調(diào)速器調(diào)節(jié)的難度。（3）對(duì)于常規(guī)機(jī)組，甩負(fù)荷試驗(yàn)的轉(zhuǎn)速上升率β值隨機(jī)組所甩負(fù)荷的增大而增大，而燈泡貫流式機(jī)組不一定隨甩負(fù)荷值得增大而增大。（4）由于燈泡貫流式機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及飛輪力矩FD2小，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速上升速度快，對(duì)流量增大的影響大，甩負(fù)荷轉(zhuǎn)速升高后易出現(xiàn)較為明顯的壓力下降產(chǎn)生負(fù)水錘。

綜合上述影響燈泡貫流式機(jī)組甩負(fù)荷的原因?yàn)椋簾襞葚灹魇綑C(jī)組水頭低、流量大、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、導(dǎo)葉與槳葉關(guān)閉時(shí)間不一致、水輪機(jī)導(dǎo)葉與槳葉的協(xié)聯(lián)關(guān)系和尾水位的變化等，都對(duì)機(jī)組甩負(fù)荷產(chǎn)生很大的影響。

4 解決方法

經(jīng)業(yè)主在現(xiàn)場(chǎng)與試驗(yàn)、安裝和廠家人員不懈努力，共同找尋方法，最終圓滿完成機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)。

（1）在牛欄溝電站2號(hào)機(jī)組調(diào)試過程中，與調(diào)速器廠家協(xié)調(diào)通過改變調(diào)速器在甩負(fù)荷過程中對(duì)導(dǎo)葉的控制規(guī)律來限制最低轉(zhuǎn)速下降。當(dāng)機(jī)組甩負(fù)荷后轉(zhuǎn)速下降至110%額定轉(zhuǎn)速以下時(shí)，將導(dǎo)葉開啟至空載開度直至機(jī)組加速度由負(fù)轉(zhuǎn)正，進(jìn)入正常的頻率空載狀態(tài)，此法可在很大程度上提高機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)最低轉(zhuǎn)速同時(shí)避免機(jī)組在115%額定轉(zhuǎn)速、導(dǎo)葉空載以上開度且主配壓閥拒動(dòng)三條件成立是造成事故停機(jī)。（2）經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)協(xié)調(diào)，在機(jī)組甩負(fù)荷過程中，通過不斷修改PID調(diào)節(jié)參數(shù)的積分系數(shù)KI量，修正不同控制量，經(jīng)多次調(diào)試最終找到最優(yōu)值，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的正負(fù)超調(diào)和對(duì)稱，很大程度上改變了超調(diào)和滯后的問題。（3）經(jīng)與主機(jī)廠水輪機(jī)設(shè)計(jì)人員協(xié)調(diào)，在保證水力特性及水輪機(jī)機(jī)械強(qiáng)度的情況下，經(jīng)其復(fù)核后，相應(yīng)加快槳葉的開關(guān)速度。

5 燈泡貫流式機(jī)組幾點(diǎn)注意事項(xiàng)

電站機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電以來，已連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行近兩年。根據(jù)作者多年安裝、調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，值得注意的主要有以下幾點(diǎn)：（1）在燈泡貫流式水輪機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)招標(biāo)階段，業(yè)主應(yīng)充分考慮機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，在全廠甩負(fù)荷的極端情況下廠用電消失，雖設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)或外來電源作為備用電源，但對(duì)設(shè)備同樣存在沖擊和損壞的可能，故作者認(rèn)為在水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮轉(zhuǎn)子重量，若機(jī)組機(jī)械強(qiáng)度、剛度足夠可考慮加裝轉(zhuǎn)子配重塊。（2）在水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)建模和仿真時(shí)，應(yīng)確定一組較好的調(diào)速器PAD參數(shù)，使機(jī)組頻率對(duì)于頻率階躍擾動(dòng)的相應(yīng)過程有一定的頻率擾動(dòng)的超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間短的動(dòng)態(tài)過程，同時(shí)使機(jī)組空載頻率波動(dòng)特性滿足國(guó)標(biāo)的要求。（3）考慮到機(jī)組運(yùn)行水頭對(duì)甩負(fù)荷試驗(yàn)的影響，要采用機(jī)組水流修正系數(shù)KY對(duì)機(jī)組水流時(shí)間常數(shù)Tw進(jìn)行修正。（4）在設(shè)備選擇時(shí)，應(yīng)充分考慮水輪機(jī)與調(diào)速器的配合問題，槳葉關(guān)閉盡量接近導(dǎo)葉關(guān)閉速度，優(yōu)化調(diào)速器控制策略等。

6 結(jié)束語

通過對(duì)燈泡貫流式機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)的介紹和分析，可以肯定通過對(duì)調(diào)速器參數(shù)和控制規(guī)律細(xì)心調(diào)整和合理優(yōu)化，燈泡貫流式機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)可以達(dá)到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的要求，機(jī)組穩(wěn)定性也可以達(dá)到規(guī)范要求。事實(shí)證明是可行的，牛欄溝電站投產(chǎn)發(fā)電后在經(jīng)歷線路跳閘后，1臺(tái)機(jī)組甩完100%額定負(fù)荷后自帶廠用電運(yùn)行，可靠性及穩(wěn)定性都比較好。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：馬真金（1985-），男，云南尋甸縣人，本科，助理工程師，2009年參加工作，華能瀾滄江新能源有限公司工作，從事水輪機(jī)的研究和設(shè)計(jì)管理工作。