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52第45卷 第07期2022年07月Vol.45 No.07Jul.2022水 电 站 机 电 技 术Mechanical & Electrical Technique of Hydropower Station0 引言水轮机调速器的作用是保证水轮发电机的频率稳定、维持电力系统负荷平衡，并根据操作控制命令完成各种自动化操作，是水电站的重要基础控制设备。
它的安全可靠程度对水轮发电机有着举足轻重的影响。
然而在实际的运行过程中，水电站调速器非常容易出现有功波动的现象。
本文对水电站调速器有功功率波动的问题进行了分析，并针对问题提出了优化建议。
1 有功调节概述目前，左岸电站有功调整方式有两种，即开度模式和功率模式。
开度模式是在监控系统上形成功率调节闭环，即监控系统设定有功功率给定值后，调速器接收监控系统开出的脉冲，进行导叶调节，由监控系统根据功率反馈值进行有功闭环调节。
功率模式是在调速器控制系统上形成功率调节闭环，即调速器收到监控系统下发有功功率给定值后，以调速器自身采集到的有功功率反馈形成功率调节闭环。
有功调节工作原理：（1）开度模式下，监控实时对功率反馈与有功给定值进行比较，当偏差超过功率死区时，监控系统将其偏差值进行计算输出调节脉冲宽度，通过增减继电器以脉冲量的形式下发给调速器系统。
如图1所示，以液压执行机构为步进电机为例，调速器将增减脉宽时间换算为导叶开度变化量△y与Ypid叠加计算出开度给定值。
调速器实时对开度反馈值与开度给定值进行比较计算出开度偏差（大环），根据其偏差控制步进电机正反转，步进电机正反转带动引导阀上下移动，引导阀带动主配上下移动，主配电气反馈也会与主配给定形成主配的闭环调节（小环），最终控制接力器开启、关闭，以达到有功调节的目的[1]。
（2）功率模式下（如图2），调速器系统收到监控系统下发的有功给定，有功给定与有功反馈的差值再叠加△f/EP计算出开度给定值。
同理，最终控制接力器开启、关闭，以达到有功调节的目的。
第九章水电站的水锤与调节保证计算第一节概述一、水电站的不稳定工况机组在稳定运行时，水轮机的出力与负荷相互平衡，这时机组转速不变，水电站有压引水系统(压力隧洞、压力管道、蜗壳及尾水管)中水流处于恒定流状态。
在实际运行过程中，电力系统的负荷有时会发生突然变化(如因事故突然丢弃负荷，或在较短的时间内启动机组或增加负荷)，破坏了水轮机与发电机负荷之间的平衡，机组转速就会发生变化。
此时水电站的自动调速器迅速调节导叶开度，改变水轮机的引用流量，使水轮机的出力与发电机负荷达到新的平衡，机组转速恢复到原来的额定转速。
由于负荷的变化而引起导水叶开度、水轮机流量、水电站水头、机组转速的变化，称为水电站的不稳定工况。
其主要表现为：(1) 引起机组转速的较大变化由于发电机负荷的变化是瞬时发生的，而导叶的启闭需要一定时间，水轮机出力不能及时地发生相应变化，因而破坏了水轮机出力和发电机负荷之间的平衡，导致了机组转速的变化。
丢弃负荷时，水轮机在导叶关闭过程中产生的剩余能量将转化为机组转动部分的动能，从而使机组转速升高。
反之增加负荷时机组转速降低。
(2) 在有压引水管道中发生“水锤”现象当水轮机流量发生变化时，管道中的流量和流速也要发生急剧变化，由于水流惯性的影响，流速的突然变化使压力水管、蜗壳及尾水管中的压力随之变化，即产生水锤。
导叶关闭时，在压力管道和蜗壳中将引起压力上升，尾水管中则造成压力下降。
反之导叶开启时，在压力管道和蜗壳内引起压力下降，而在尾水管中引起压力上升。
(3) 在无压引水系统(渠道、压力前池)中产生水位波动现象。
无压引水系统中产生的水位波动计算在第八章已介绍。
二、调节保证计算的任务水锤压力和机组转速变化的计算，一般称为调节保证计算。
调节保证计算的任务及目的是：(1) 计算有压引水系统的最大和最小内水压力。
最大内水压力作为设计或校核压力管道、蜗壳和水轮机强度的依据之一；最小内水压力作为压力管道线路布置、防止压力管道中产生负压和校核尾水管内真空度的依据。
第四章水电站的水击及调节保证计算本章重点内容：水电站有压引水系统非恒定流现象和调节保证计算的任务、单管水击简化计算、复杂管路的水击解析计算及适用条件、机组转速变化的计算方法和改善调节保证的措施。
第一节概述一、水电站的不稳定工况由于负荷的变化而引起导水叶开度、水轮机流量、水电站水头、机组转速的变化，称为水电站的不稳定工况。
其主要表现为：(1) 引起机组转速的较大变化丢弃负荷：剩余能量→机组转动部分动能→机组转速升高增加负荷：与丢弃负荷相反。
(2) 在有压引水管道中发生“水击”现象管道末端关闭→管道末端流量急剧变化→管道中流速和压力随之变化→“水击”。
导时关闭时，在压力管道和蜗壳中将引起压力上升，尾水管中则造成压力下降。
导叶开启时则相反，将在压力管道和蜗壳内引起压力下降，而在尾水管中则引起压力上升。
(3) 在无压引水系统(渠道、压力前池)中产生水位波动现象。
二、调节保证计算的任务(一) 水击的危害(1) 压强升高过大→水管强度不够而破裂；(2) 尾水管中负压过大→尾水管汽蚀，水轮机运行时产生振动；(3) 压强波动→机组运行稳定性和供电质量下降。
(二) 调节保证计算水击和机组转速变化的计算，一般称为调节保证计算。
1．调节保证计算的任务：(1) 计算有压引水系统的最大和最小内水压力。
最大内水压力作为设计或校核压力管道、蜗壳和水轮机强度的依据；最小内水压力作为压力管道线路布置，防止压力管道中产生负压和校核尾水管内真空度的依据；(2) 计算丢弃负荷和增加负荷时转速变化率，并检验其是否在允许的范围内。
(3) 选择调速器合理的调节时间和调节规律，保证压力和转速变化不超过规定的允许值。
(4) 研究减小水击压强及机组转速变化的措施。
2．调节保证计算的目的正确合理地解决导叶启闭时间、水击压力和机组转速上升值三者之间的关系，最后选择适当的导叶启闭时间和方式，使水击压力和转速上升值均在经济合理的允许范围内。
第二节水击现象及其传播速度1、一、水击现象1．定义在水电站运行过程中，为了适应负荷变化或由于事故原因，而突然启闭水轮机导叶时，由于水流具有较大的惯性，进入水轮机的流量迅速改变，流速的突然变化使压力水管、蜗壳及尾水管中的压力随之变化，这种变化是交替升降的一种波动，如同锤击作用于管壁，有时还伴随轰轰的响声和振动，这种现象称为水击。
鲤鱼江水电站1#F机组缺陷报告引言：鲤鱼江是我国重要的水电资源，鲤鱼江水电站是鲤鱼江上的一座大型水电站，能够为周边地区提供大量的电力资源。
在运行中，我们发现了1#F机组存在一些缺陷和问题，为了确保设备的安全可靠运行，现对这些缺陷进行详细的分析和报告。
一、缺陷描述：1.1 频率稳定性问题：1#F机组在运行过程中频率波动较大，经过测量，发现频率波动超过了国家标准的允许范围。
频率波动不稳会对电力系统带来较大的安全隐患，需要尽快解决。
1.2 振动问题：1#F机组在负荷变化较大时，出现了较大的振动现象，振动幅度明显超过了正常范围。
振动过大会对设备的安全运行和寿命造成严重影响，需要立即解决。
1.3 温升过高：1#F机组在运行时，温度升高较快，达到了厂家规定的上限温度，超过了安全范围。
过高的温度会对设备的绝缘性能和性能造成损害，需要及时采取措施。
二、缺陷原因分析：2.1 频率稳定性问题：1#F机组频率波动较大的原因可能有以下几个方面：（1）主发电机转子不平衡；（2）电源系统电压波动；（3）励磁系统故障；（4）调速系统不稳定。
2.3 温升过高：1#F机组温升过高的原因可能有以下几个方面：（1）冷却系统故障；（2）工况变化过快；（3）负荷过重。
3.2 振动问题解决方案：（1）调整机组负荷，控制负荷变化速度；（2）增加机组基础刚度；（3）平衡叶轮，消除不平衡；（4）更换磨损的轴承。
3.3 温升过高解决方案：（1）检修冷却系统，确保冷却效果；（2）控制工况变化速度，避免过快变化；（3）合理调整负荷，避免过重。
四、缺陷解决进度计划：4.1 频率稳定性问题解决进度计划：在XX年X月X日前完成主发电机检修和转子平衡工作；在XX年X月X日前完成电源系统检查和调整工作；在XX年X月X日前完成励磁系统检修工作；在XX年X月X日前完成调速系统的检修和调整工作。
4.3 温升过高解决进度计划：在XX年X月X日前完成冷却系统的检修和调整工作；在XX年X月X日前控制工况变化速度；在XX年X月X日前合理调整负荷。
xxx电站工程水力过渡过程大波动计算报告xxxxxxxxxx勘测设计院2006年10月目录工程概况及计算任务 (2)计算要求及约束条件 (2)计算主要基本资料 (3)结论意见 (4)一、工程概况及计算任务：xxxxxx水电站位于xxx省xxxx岗乡，地处xxx河一级支流xxx河中下游河段，属xxx水电梯级开发规划的第六级。
电站最大水头63.39m，额定水头54.0m，最小水头48.5m，装机容量2×20MW。
本站引水系统由进水口、压力隧洞、主压力钢管、分岔管、支管、机组、尾水管组成。
本电站的调保计算采用河海大学的《水电站水力-机械过渡过程仿真计算通用软件》进行分析计算。
计算任务：1、上、下游正常高水位：2台机同时甩负荷：2×20MW→02、上、下游最高洪水位：2台机同时甩负荷：2×20MW→03、上游死水位、下游最低水位：2台机同时甩负荷：2×20MW→04、额定水头下2台机同时甩负荷：2×20MW→0二、计算要求及约束条件：1、选择合理的关机规律：2、计算蜗壳进口压力，最大值不超过96m：3、计算机组最大速率上升值，最大值小于60％：4、计算尾水管内的最大真空度不大于８ｍ水柱：5、计算压力输水管全线各断面最高点的最小压力不低压0.02Mpa，不得出现负压脱流现象。
三、计算主要基本资料：1、上游前池水位：校核洪水位：518.32 m正常高水位：516.0 m死水位：502.0 m2、厂房尾水位：校核洪水位：461.64m最低尾水位：450.6m3、电站指标：装机容量：2×20MW额定出力：20.619MW最大水头：63.39m额定水头：54m最小水头：48.5m额定转速：250r/min转轮直径： 2.25mGD2：570t.m2安装高程：452.1m。
水轮机型号：HLF100-LJ-225发电机型号：SF20-24/4250调速器型号：WT-PC-804、压力引水管线：方案1：进水口中心高程为491.75m，主压力隧洞及钢管长288.32m，其中隧洞内径5.5m，壁厚0.5m，相应糙率0.014；末端分岔，岔管后为双支管，支管管径3.2 m，长度29.26m，后进主厂房再接管径3.2m，长度9.5m的压力钢管后接蜗壳。
附录A 水力过渡过程大波动计算工况A.0.1 水电站水力过渡过程大波动计算工况可按表A.0.1的规定选取。
表A.0.1 水电站水力过渡过程大波动计算工况工况编号 计算工况 说 明 计算目的一 水轮机设计工况DT1 同一水力单元的全部机组在额定水头下额定功率运行，同时甩负荷，导叶紧急关闭额定水头应考虑可能出现的上游最高发电水位,及下游可能出现的最低发电水位机组转速上升率机组蜗壳最大压力上游调压室最高涌波水位下游调压室最低涌波水位DT2 同一水力单元的全部机组在最大发电水头下额定功率运行，同时甩负荷，导叶紧急关闭对有超出力要求的机组，应计算机组在最大功率运行的工况机组转速上升率机组蜗壳最大压力上游调压室最高涌波水位下游调压室最低涌波水位DT3 上游正常蓄水位，共用上游调压室的全部n台机组由n-1台增至n台，或全部机组由2/3相应水头最大输出功率运行突增至相应水头最大输出功率运行后，上游调压室涌波水位最高时，全部机组同时甩负荷，导叶紧急关闭—机组转速上升率机组蜗壳最大压力上游调压室最高涌波水位DT4 长输水系统水电站，一台水轮机在最大水头下50%、75%额定功率运行，同一水力单元的其他机组停机，甩负荷，导叶紧急关闭长输水系统水电站，水头损失大，水轮机在最大水头下部分负荷运行时，损失小，初始压力高，突甩负荷，关闭时间短，此工况可能出现机组蜗壳最大压力的控制工况机组蜗壳最大压力DT5 上游最低发电水位，共用上游调压室全部n台机组由n-1台增至n台，或全部机组由2/3相应水头最大输出功率运行同时增至相应水头最大输出功率运行—引水系统各断面最高点处的最小压力上游调压室最低涌波水位DT6 相应下游低水位，共用下游调压室的全部n台机组由n-1台增至n台，或全部机组由2/3额定输出功率运行突增至相应水头最大输出功率运行后，在调压室涌波水位最低时，同时甩负荷，导叶紧急关闭— 尾水管进口最小压力DT7 上游正常蓄水位，共用上游调压室的全部n台机组由n-1台增至n台，或全部机组由2/3额定功率运行突增至相应水头最大输出功率运行后，流入上游调压室流量最大时，全部机组同时甩负荷，导叶紧急关闭应分别考虑额定水头及其它可能出现的高于额定水头工况压力引水道的糙率取可能的最小值机组转速上升率机组蜗壳最大压力上游调压室最高涌波水位DT8 上游最低发电水位，共用上游调压室全部n台机组由n-1台增至n台，或全部机组由2/3相应水头最大输出功率运行同时增至相应水头最大输出功率运行后，流入上游调压室流量最大时，全部机组同时甩负荷，导叶紧急关闭甩负荷时上游调压室涌波先升后降，波谷叠加可能出现最低涌波水位上游调压室最低涌波水位DT9 下游设计洪水位，共用下游调压室的全部n台机组由n-1台增至n台，或全部机组由2/3额定输功率运行突增至相应水头最大输出功率运行压力尾水道的糙率取可能的最大值下游调压室最高涌波水位DT10 相应下游低水位，共用下游调压室的全部n台机组由n-1台增至n台，或全部机组由2/3额定功率运行突增至相应水头最大输出功率运行后，流出下游调压室的流量最大时，全部机组同时甩负荷，导叶紧急关闭应分别考虑额定水头及其它可能出现的高于额定水头工况压力尾水道的糙率取可能的最小值下游调压室最低涌波水位尾水管进口最小压力DT11 下游设计洪水位，共用下游调压室的全部n台机组由n-1台增至n台，或全部机组由2/3额定输功率运行突增至相应水头最大输出功率运行后，甩负荷时下游调压室涌波先降后升，波峰叠加可能出现最高涌波水位下游调压室最高涌波水位流出下游调压室流量最大时，全部机组同时甩负荷，导叶紧急关闭压力尾水道的糙率取可能的最大值二 水轮机校核工况CT1 同一水力单元的机组在额定水头下额定功率运行，同时甩负荷，其中一台机组导叶拒动，其他机组导叶紧急关闭同一水力单元的所有机组甩全部负荷时若同一水力单元的一台机组导叶拒动，其他机组导叶关闭，则会加剧拒动机组的过流量，使得机组转速上升率更高额定水头应考虑可能出现的上游最高发电水位,及下游可能出现的最低发电水位机组转速上升率机组蜗壳最大压力CT2 上游为设计洪水位，同一水力单元的全部机组在相应水头最大输出功率运行，同时甩负荷，导叶紧急关闭应考虑上游设计洪水位可能出现的水头工况机组蜗壳最大压力上游调压室最高涌波水位CT3 上游最低发电水位，同一水力单元的全部机组同时甩相应水头最大负荷，在流出上游调压室流量最大时，一台机组从空载增至相应水头最大输出功率— 上游调压室最低涌波水位CT4 上游设计洪水位，共用上游调压室的全部n台机组由n-1台增至n台，或全部机组由2/3相应水头最大输出功率运行突增至相应水头最大输出功率运行后，上游调压室涌波水位最高时，全部机组同时甩负荷，导叶紧急关闭— 机组蜗壳最大压力CT5 上游正常蓄水位，同一水力单元的机组额定水头额定功率依次相继甩负荷，导叶紧急关闭相继甩负荷工况的确定需考虑电气主接线型式机组蜗壳最大压力机组转速上升率CT6 上游正常蓄水位，同一水力单元的机组额定功率运行，同时甩负荷，1台机组分段关闭失灵，导叶直线关闭，其他机组导叶紧急关闭机组分段关闭失灵，机组导叶直线关闭，关闭时间短，机组蜗壳内水压力比分段关闭大经论证不会发生分段关闭失灵，可不考虑此工况机组蜗壳最大压力机组转速上升率尾水管进口最小压力CT7 相应下游低水位，共用尾水隧洞或下游调压室相关的机组额定水头或最大水头额定功率运行，依次相继甩负荷，导叶紧急关闭相继甩负荷工况的确定需考虑电气主接线型式尾水管进口最小压力CT8 上游最高发电水位，共用上游调压室的全部n台机组由n-1台增至n台，或全部机组由2/3额定功率运行突增至相应水头最大输出功率运行后，流入上游调压室流量最大时，全部机组同时甩负荷，导叶紧急关闭— 上游调压室最高涌波水位CT9 上游最低发电水位，共用上游调压室的全部n台机组增负荷至相应水头最大输出功率运行考虑上游调压室最低涌波，根据电网要求同时增负荷或相继增负荷时间间隔上游调压室最低涌波水位引水系统各断面最高点处的最小压力提出开机运行条件CT10 下游校核洪水位，共用下游调压室的全部n台机组由n-1台增至n台，或全部机组由2/3额定输功率运行突增至相应水头最大输出功率运行位压力尾水道的糙率取可能的最大值下游调压室最高涌波水位尾水系统各断面最大压力CT11 下游设计洪水位，共用下游调压室的全部n台机组增负荷至相应水头最大输出功率运行考虑下游调压室最高涌波，根据电网要求同时增负荷或相继增负荷时间间隔压力尾水道的糙率取可能的最大值下游调压室最高涌波水位CT12 下游设计洪水位，共用下游调压室相关的机组开机增至满负荷后，流出下游调压室流量最大时，全部机组同时甩负荷，导叶紧急关闭甩负荷时下游调压室涌波先降后升，波峰叠加可能出现最高涌波水位下游调压室最高涌波水位CT13 相应下游水位，一台机组由空载增至相应水头最大输出功率运行，在流出下游调压室的流量最大时甩负荷，导叶紧急关闭压力尾水道的糙率取可能的最小值下游调压室最低涌波水位CT14 下游设计洪水位，共用下游调压室的全部机组同时甩负荷，在流入下游调压室流量最大时，一台机组从空载增至相应水头最大输出功率运行压力尾水道的糙率取可能的最大值下游调压室最高涌波水位CT15 下游相应发电水位，共用下游调压室的全部n台机组发相应水头最大输出功率，1台机组甩负荷，导叶紧急关闭，在流出下游调压室的流量最大时，其余全部机组同时甩负荷，导叶紧急关闭压力尾水道的糙率取可能的最小值下游调压室最低涌波水位注：1 工况编号的第一个字母D、C分别表示设计工况、校核工况，第二个字母T表示水轮机工况。
水电站调压室涌浪水位多种计算方法比较
陈玲;鞠小明;杨济铖
【期刊名称】《中国农村水利水电》
【年(卷),期】2013()9
【摘要】水电站调压室水位波动过程有很多较为成熟的计算方法,这些方法在实际工程设计中均有应用。
以某工程资料为实例,分别采用解析法、数值积分法和特征线法,计算调压室水位波动的最高、最低涌浪水位以及波动过程,论述了调压室水位波动过程不同计算方法之间的区别和联系,给出了具体的计算公式和方程,以及不同计算方法的适用条件和计算要求。
【总页数】4页(P158-161)
【关键词】水电站;调压室;涌浪水位;波动过程
【作者】陈玲;鞠小明;杨济铖
【作者单位】四川大学水利水电学院;四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TV732.5
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3.螺丝湾水电站调压室涌浪的试验研究 [J], 张绍春;李师贤
4.某水电站上下游双调压室涌浪计算初探 [J], 石刘宏幸; 刘慧; 彭聃
5.CFD在调压室涌浪水位模拟中的应用 [J], 刘飞;杨建东;李进平
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