色尔古水电厂机组出力不稳现象的分析与处理

赵松峰，邓小刚，白剑飞，梁 薇，黄 颖，李春雷

(1.北京中水科水电科技开发有限公司，北京 100038；2.阿坝水电开发有限公司，四川 成都 610036)

色尔古水电厂机组出力不稳现象的分析与处理

赵松峰1，邓小刚1，白剑飞1，梁 薇1，黄 颖2，李春雷2

(1.北京中水科水电科技开发有限公司，北京 100038；2.阿坝水电开发有限公司，四川 成都 610036)

本文论述了色尔古水电厂投运过程中，如何处理机组并网后水轮机不能处于稳态，出力（有功功率）出现不规则波动的问题，从原理和试验两个角度剖析了该问题的根源，并针对色尔古水电厂的功率不稳定的现象，提出了解决这一问题的合理可行的方案。

色尔古水电厂；水轮机；出力；有功功率；稳态；计算机监控系统

0 概述

色尔古水力发电厂位于四川省阿坝州黑水县色尔古乡，是黑水河流域水电规划“二库五级”开发方案中的第四级梯级电站，该工程以发电为主，安装3台引水式50MW水轮发电机组，总装机容量150MW，引水隧洞长10km。电站2号、3号机组已分别2009年6月20日、29日完成72h试运行，正式投入商业运行。

在2号机组调试投运过程中，发现并网之后，当有功功率调节到给定值，调节完成之后，机组的有功功率显示会向上或者向下无规律波动，并且波动范围超出了调度的允许误差范围（+2%），甚至达到了10%之多。影响了投入商业运行的条件。

1 出力不稳现象根源分析

水轮机的主要工作参数是表征水流通过水轮机，水流的能量转换为转轮机械能过程中的特性数据，水轮机的主要工作参数有：水头H、流量Q、出力P、效率η、转速n。

水轮机水头H是指净水头，即水轮机的工作水头。水轮机的工作水头可表示为：

式中Hg——水电站毛水头，为上下游水位差值；Δh——水电站建筑物中的水力损耗。

从式（1-1）可知：水轮机的工作水头随上下游水位的变化而改变，但是色尔古水电站在并网发电时，上下游水位基本无变化，即便有10cm的变化，相对于90m的毛水头来讲，也只有千分之一，故可以认为在净水头在出力不规则波动问题的过程中是没有变化的。

水轮机的流量Q是指单位时间内通过水轮机某一既定过流断面的水流体积，在设计水头下，水轮机在额定转速、额定出力运行时所对应的流量是水轮机额定出力时所需要的最大流量。

水轮机的转速n是指水轮机在单位时间内的旋转的转数。

水轮机的出力P是指水轮机轴端输出的有功功率，水轮机的输入功率为单位时间内通过水轮机的水流的总能量，即水流的出力，但是水流通过水轮机时存在一定的能量损耗，例如：（1）水轮机的水力损失，水流经过水轮机的蜗壳、导水机构、转轮、尾水管等部位时都会产生摩擦、撞击、涡流、脱流等水力损失；（2）水轮机的容积损失，在水轮机的运行过程中有一小部分流量从水轮机的固定部件和旋转部件之间的间隙中漏出，这部分流量没有对转轮做功；（3）水轮机的机械损失，如轴承与密封处的摩擦损失、转轮外壳与周围水之间的摩擦损失等[1]。这三种损耗决定了水轮机的效率η。

一台安装调试完毕之后的水轮机，水轮机的水力损失、容积损失、机械损失都是不变的常量，不会因为其他因素的变化而变化，故可以排除水轮机的效率η对机组出力不稳现象的影响。

而水轮机出力P可表示为：

式中Υ——水轮机常量参数；Q——水轮机的流量；

H——水轮机的工作水头；η——水轮机的效率。

若水轮机旋转力矩用M表示，旋转角速度用ω表示，则水轮机出力P还可表示为：

式中M——水轮机旋转力矩；ω——旋转角速度；

n——水轮机的转速。

通过式（1-2）可以得出水轮机出力P与三个变量：水轮机水头H、水轮机的流量Q、水轮机的效率η有关，而前面已经分析过水轮机水头H、水轮机的效率η两个因素对本文提到的出力不稳的现象没有影响，而唯一存在变化因素的只有水轮机的流量Q一个量。

另外通过式（1-3）也可以知道，水轮机旋转力矩M对一台生产成型的水轮机来说是常量，影响出力P的唯一变化因素就是水轮机的转速n，而在工作水头不变的情况之下引起水轮机的转速n变化的因素也只有水轮机的流量Q。

通过理论分析可以基本确定机组的出力不稳是由于过机流量的不稳定而造成的。

但是在水轮机当时工况下，调速器采集数据显示导叶开度维持不变，而上下游水位在当时的情况之下肯定是没有变化的（监控系统采集数据显示也确实没有变化），机组的效率也是既定的常量，其他再没有可以影响流量Q使之波动的变量。按照表面现象所有变量都没有波动，故机组出力P是不应该波动的。而实际情况是机组有功功率显示值在无规则波动，我们对比了计算机监控系统采集的有功数据、调速器采集的有功数据、励磁系统采集的有功数据均显示有功确实存在波动，排除了数据采集失真的可能性。数据反馈正常，说明唯一影响机组出力的变量水轮机的流量Q存在波动，而流量Q波动的唯一可变因素是导叶开度，初步判定调速器采集到的导叶开度不变的数据可能不准确。

上述分析都是鉴于理论分析和实际工作经验做出的初步判断，至于水轮机的导叶开度到底是否真的存在波动，要做进一步试验才能验证。根据现场设备的状况，机组处于发电状态时，在导叶接力器锁锭上架起百分表，对导叶接力器锁锭的位移量做了测量，结果显示导叶接力器锁锭最大存在0.5mm的位移量，且位移的开关方向与机组出力P的大小波动完全一致，进一步断定是由于水轮机导叶开度的变化引起了机组出力P的波动，由于接力器锁锭的位移量很小（但是对机组出力的影响很大），加且调速器系统数据采集精度不够，测量不到导叶开度的变化。

由于机械测量精度有限，且不能直观的看到导叶开度的变化对应影响有功功率变化的幅度，为了最终确定波动原因，用中仪器对机组有功功率和导叶开度做了电气测量和录波，电气测量得到的波形显示有功功率完全跟随导叶开度的波动在上下浮动，波形趋势完全吻合。证明机组出力不稳的原因所在：导叶开度的不稳定。

2 问题处理方案

2.1 处理方案

为了能使2号、3号机组顺利进入正常运行，经业主、厂家、设计讨论之后，决定由计算机监控系统实施有功功率跟踪调节模式，对机组的有功功率实时追踪，只要机组有功功率波动出了给定值+2%的误差允许范围，就立即自动进行有功规律调节，把机组出力调节至允许的误差范围之内。

这样处理的弊端就是由于机组不能处于一个稳定状态，一旦机组出力超出允许范围，计算机监控系统就会对调速器系统发出有功功率调节指令，频繁的调节动作可能会导致调速器系统油泵频繁打油，导叶接力器也频繁动作，长此以往，势必影响调速器系统油泵、导叶接力器的使用寿命。记录油泵运行时间间隔，结果发现调速器油泵两次打油时间平均间隔大约在1h，不是很频繁，征询调速器系统厂家意见，确定基本不影响设备正常使用。

2.2 处理此问题前正常有功功率调节模式

图1表示了常规水电站的有功功率调节过程：当接收到有功功率调节命令，即开始进行有功功率调节，给调速器系统发送功率调节脉冲，调节脉宽决定有功功率调节的幅度，当把有功功率实发值调节到与有功功率给定值之差小于设定的死区时，结束本次调节过程；或者调节了3min有功功率实发值调节到与有功功率给定值之差还没有小于设定的死区时，调节超时，也结束本次调节过程。

图1 计算机监控系统有功功率调节过程示意图

对于正常的能处于稳态的机组，当有功功率调节到给定值之后能够保持稳态，保持导叶开度不变，维持机组出力稳定不变。有功功率调节完成后，不用再去追踪处理有功功率，除非再次收到有功功率调节命令，才会再次去调节有功功率。

H9000计算机监控系统在正常情况下均采用上述调节模式。

2.3 处理此问题后有功功率调节模式

色尔古站出现的问题是有功功率调节至给定目标值之后，机组不能处于稳态，有功会出现波动，且波动幅度较大，显然常规的调节模式无法保证本站的有功功率调节完成之后，有功功率一直保持在调度要求的+2%的误差允许范围，就无法进入正式运行。

针对此问题，对有功功率调节模式做了相应的处理，采用H9000系统中有功跟踪模式，以解决上述问题。

图2 色尔古水电站计算机监控系统有功功率调节过程示意图

如图2所示，根据色尔古电站的实际情况，实现了有功功率的跟踪调节功能：当机组的有功功率跟踪功能在投入状态，机组发电过程中，当有功功率调节超时若有功实发值与给定值之差仍大于死区值，则延时t s自动启动下一次有功功率调节过程，直到调节到目标值为止；当机组的有功功率跟踪功能在投入状态，机组发电过程中，当有功功率调节到目标值，有功功率调节结束后，若机组有功再次出现波动，且波动幅度超出给定值+2%的范围，持续时间超过设定的t s，则也会自动启动下一次有功功率调节过程。

此种有功功率调节模式就完全解决了色尔古电站机组发电状态时稳态性差的问题，在发电运行过程中只要有功功率偏离给定值就及时进行调节，使之完全符合商业运行调度所要求的有功误差要求。且本方案解决问题用时短，成本低，保证了机组能够顺利按时进入正式运行。

3 解决方案结果检验

有功、无功功率调节是计算机监控系统重要功能之一，是计算机监控系统以自动方式取代人工手动调节方式、以精确的计算机精准调节取代手动粗放型调节，进而促使整个电站实现“无人值班”(少人值守)的重要手段。

鉴于前面所论述的问题的前提下，计算机监控系统通过对机组有功功率即时调节的解决方案经过实践证明，完全可行，并且在小成本的情况下，是时间短，较为合理的方案。

在发电机组实际运行过程中，该方案确实解决了色尔古电站机组出力波动的问题，经过运行观察，通过有功功率跟踪调节功能，在机组有功功率发生波动的时候，只要波动幅度超出+2%，就会对机组有功功率进行调节，保持机组有功功率稳定在电网调度允许的范围内，同时观察调速器系统油泵发现，没有出现频繁启动打油的情况。说明本解决方案完全可靠、合理。本文中有功调节误差2%、3min、ts等数值是针对具体机组而言，这些数值在其它电站视机组具体情况而定。

[1]郑源，鞠小明.水轮机[M].南京∶中国科学文化出版社，2003.

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1672-5387（2010）03-0040-03

2010-04-28

赵松峰（1983-），男，本科，助理工程师，从事水电站计算监控系统设计、调试工作。（E-mail∶iwhr_zsf@163.com）