水电厂进水口水流旋涡对机组有功波动影响的研究

水电厂进水口水流旋涡对机组有功波动影响的研究

余光刚

重庆渝浩水电开发有限公司  重庆武隆  408511 

摘要：在城市建设过程中，离不开电力的支持，电力质量直接影响城市建设和居民财产安全，电力调节的稳定性是电力质量的关键保障。水电厂电力调节的稳定性关键是机组负荷是否存在波动，导致机组负荷波动的因素主要有两部分，一是水轮机调节系统的稳定性，二是水力因素的变化。每个水电厂受地理、地形位置的不同和设计选型的差异，机组受水力因素的影响各不相同，有的电厂受水力因素影响导致机组有功波动达10%，对电网冲击很大，严重影响电能质量，对电网冲击很大。根据不同电厂的不同原因，对水力因素造成机组有功波动的情况采取了不同的处理方式，有的电厂是对尾水流道进行处理，有的是对上游流道进行处理，有的是在进水口加装消涡栅进行处理。总之，随着电力需求的增加，电力的质量要求越来越高，水电厂水力因素对机组有功波动的影响越来越受到重视。

关键词：水电厂；有功波动；水力因素； 研究；

水电厂水轮发电机组有功波动的稳定性问题直接关系到电力系统供电的可靠性和稳定性。因此，利用可靠性的基本原理和技术手段，分析水电厂水轮发电机组有功波动的原因及其影响，总结出提高水电厂机组有功波动的因素和治理方法。这对提高水电厂机组稳定运行的可靠性，为电网提供高质量电能具有实际的意义，而水力因素对机组有功波动的研究，进而科学的应用，为水电厂提供水力因素对机组有功波动影响行之有效的手段与方法。

一、未加装消涡栅前机组运行状况

调速器导叶开度不动的情况下，机组负荷随蜗壳压力的波动而波动，负荷波动最大达2.5MW，达额定负荷的4%。但在90%以上负荷时，负荷波动趋于正常，波动量明显减小，在这一阶段波动量≤0.2MW。

发现负荷波动现象后，对机组励磁电流、电压、调速器导叶开度、有功数据进行了录波，并在接力器上打百分表监视，发现励磁电流、电压、导叶开度曲线均平稳，监视接力器的百分表在同一负荷下无变化，说明负荷波动与励磁电流电压无关，接力器运行稳定。

二、机组有功波动的原因分析

从水轮发电机组运行的特性判断，影响机组有功波动的原因主要有以下几点：

1.水轮机调节系统的稳定性。水轮机调节系统的稳定性直接作用于导叶的开关，随着水轮机调速系统产品的不断发展，调速系统稳定性越来越可靠，作用于机组稳定运行的可靠性越来越高，以前经常出现的随动系统故障、组合阀卡塞等原因导致的机组非停情况已基本消除。本案例所涉及的机组，从录波情况看，机组有功波动时接力器是稳定的，故机组有功波动与调速器的稳定性无关。

2. 水力因素的变化。水轮发电机组在运行过程中，作用于机组的水力因素主要来源于：一是上游来水压力的变化。在水电站建设之初，由于水工建筑物的设计、施工的不合理，导致水流不稳定，直接表现为进水口出现水流旋涡，说明水流在流经流道入口时不稳定，进而导致蜗壳压力发生变化，产生压力波动，使水轮机在将水能转换为动能过程中受力不均衡、不连贯，致使机组在运行过程中，产生负荷波动。本案例所涉及机组从录波数据看，存在这个情况，即“机组有功随蜗壳压力波动而成相应变化”；二是尾水水力因素的影响。这个方面主要来源又分为两个因素，一是纯粹的尾水顶托，即下游水工建筑物设计的不合理，如挡水堰的位置设置不合理，这会导致尾水水能未能按设计消除，返涌，作用在转轮上，导致机组有功波动。二是转轮选型与实际水力不匹配或有偏差，造成水轮机运行工况不好，进而导致机组有功波动、转轮气蚀、转轮振动加大、过流部件易气蚀等现象。

3.电磁场的不稳定。发电机电磁场的不稳定因素主要来源于转子、定子的圆度不好，空气间隙超标等情况，主要作用于励磁电压、电流的变化。本案例所涉及的机组从录波情况看是不存在的。

   三、改善措施

1.蜗壳压力波动的改善。蜗壳压力波动主要来源于三个方面：

一是进水口水工建筑物的结构改变，这个处理方式投入成本太大，且须所有机组全停，在波动量不大情况下，得不偿失。

二是在进水口加装消涡栅，消除水流旋涡，使进入蜗壳的水流平稳，达到治理蜗壳压力波动的效果。本案例即是采用这种方法，在低负荷段成功抑制了蜗壳压力的波动，减少了机组负荷波动量。

加装消涡栅前20MW负荷 加装消涡栅后20MW负荷

20MW负荷工况下：机组功率波动主要受蜗壳压力脉动影响，加装消涡栅前功率波动1.75MW，蜗壳压力脉动40kPa；加装消涡栅后功率波动1.1MW，蜗壳压力脉动30kPa，加装消涡栅在一定程度上减小了机组蜗壳压力脉动，降低了机组功率波动。

三是通过全流道CFD数值模拟计算分析，来对流道进行仿真模拟计算分析，得出流道对水流波动的影响，确定具体的点，未后期处理提供依据，不过这个处理方式在负荷波动不大、对机组安全稳定运行不构成威胁、无劣化的情况下，不建议进行全面处理。

2.尾水压力波动的改善。

尾水压力波动主要来源于两方面：

一是水上水工建筑物不合理，导致尾水水力能量消除不到位，顶托转轮，反向作用，导致水轮机能量转换过程受到影响，造成负荷波动。这种情况需要对下游水工建筑物进行改造，如对尾水挡水堰进行改造等措施，消除水流能量对转轮的反作用。

二是转轮选型不合理。通过对转轮模型进行计算，与实际转轮结构进行对比，确定差异点，进而进行改造，以此保证转轮与电厂实际切合，达到消除有功波动的影响。

本案例，通过对机组进行录波发现，尾水压力波动在70%额定负荷段对机组有功波动存在一定影响。

加装消涡栅前43MW负荷 加装消涡栅后43MW负荷

从上图看，进水口加装消涡栅前后，来自于尾水的压力波动基本一致。

3.来自调速器系统和励磁系统对负荷波动的影响，可通过机组等级检修对调速器组合阀进行清洗、调整、处理；对接力器进行更换密封等方式来消除调速系统对机组有功波动的影响；对转子、定子圆度进行修正，对空气间隙进行调整来消除来自电磁场对负荷波动的影响。

总之，机组有功波动主要来源于水力因素、励磁系统、调速系统以及水轮机选型的影响，要降低机组有功波动，首先要通过机组检修，严格按照国标、行标规定对设备检修质量进行把关，避免检修质量问题造成机组有功波动；通过试验、模拟分析找出水工建筑物、流道、水轮机存在的问题并加以处理。从而降低或消除机组负荷波动，为提高机组运行可靠性，提高企业的经济效益，电厂的安全稳定运行提供可靠的保证。