关于水电发电机组中长期稳定性探讨

高建英

（国网四川省电力公司都江堰市供电分公司四川都江堰611800）

摘要：随着低碳化经济的提出，人们对清洁能源的需求越来越多。水电作为清洁能源得到了广泛应用，水轮机发电机组是水电站核心部件，对其中长期稳定运行的状态评价研究十分必要，引入机组中长期稳定性评价研究将有利于机组极大的发挥性能。本文首先介绍了机组中长期时域稳定性评价，然后分析了机组中长期频域稳定性评价，最后结合实际案例给出了机组综合稳定性评价研究，希望本文的工作能为从事相关工作的人员提供一定的指导和帮助。

关键词：水轮发电机组；水电站；稳定性评价

0引言

对于一些水利发电机组，通常会采用型号固定、运行稳定的转轮，选择水轮机一般需要从多个方面进行考虑，如能量、稳定性等，现实情况中机组不可能处于满额定功率运行的情况，对于部分小型水电机组来说效率转化拉不开差距，对于其运行稳定性有很大差异。众所周知，水轮机是水利发电站中比较重要的部件，它将水能转化为电能，其稳定运行与否对整个电厂来说至关重要。水轮机组在运行阶段，将受到多种外界影响因素，与此同时，由于水轮机组不同于其他旋转机械，为流体、机械等综合体，分析起来也比较复杂，为了更好的对水轮机组运行状态进行研究，目前可行的办法为从时域、频域两方面入手，并进行汇总，做出综合性评价，结合具体评价指标能够很好的反映机组中长期运行稳定性，将结果用于工程实践中，可以有效的发挥作用。

1机组中长期时域稳定性评价

机组发出的震动信号是判断机组状态变化的重要标志，为此，通过对机组中长期发出的震动信号研究，可以橫量机组运行的平稳性。在时域中振动信号的幅值能够真实反映机组指标，其变化的整体过程可有效反映机组运行情况，换言之，如果峰值一直稳定在很小的区间就表明该机组运行比较平稳。本文以机组振动平稳性为研究内容，从另一个角度来看振动剧烈程度反映的是机组波动性，当机组的振动维持在某特定值，则说明机组稳定，而如果一会大、一会小，则说明机组的运动相对来说不平稳。以某电站中的机组为例分析，该机组在某个时间段内振动的峰值序列为x1、x2、x3.....xn,利用平均值求取方法，可以得到x(平均)=（x1+x2+x3.....xn）/n，算出的振动峰值均值反映了机组一定时间段内的振动平均幅值，均值比较小，反映了机组振动小；均值较大则表明机组的振动比较剧烈。此外，部分研究学者将均方根值用力啊反映机组振动峰值的分散程度，即机组振动绝对值。本文在研究过程中，为了真实的反映顺轮机组运行稳定性，采用的指标为均方根值与平均值之比，用符号I表示，该指标反映振动峰值的波动大小，当该I越大时，说明机组振动波动大；当I小，则说明机组运行稳定性偏差。从表1中可以分析出，机组1运行曲线一直上升，表明该机组存在故障性质为发展性的，振动比较剧烈，I=0.61；机组2振动相对比较平稳，表示该机组运行比较稳定，其状态比较好，从表1的情况可以清晰的看出，I能够有效的反映机组振动情况，为分析机组时域特性奠定了坚实的基础。

表12组机组的不同数据（单位：振动峰峰值（μm））

2机组中长期频域稳定性评价

对机组中长期稳定性分析中，除了可以从时域特性进行分析，还可以从频域特性进行研究，尤其是频域中振动能量的变化，即普型结构图。研究过程中经常会碰到这类问题，振动能量维持在一定值，而能量在频率域中的分布却变化明显，频谱域中的变化恰恰反映了机组有隐藏的故障，为此，对水轮发电机组频域方面的研究十分有必要，它能够发现一些比较重要的问题。对机组故障发生及后期表现主要有两种谱型结构：第一种为主导故障数值不断增加；第二种，主导故障不变，但出现了隐含故障，随着时间的积累，该隐含的故障慢慢的发展为主导故障。第一种图形为图1，第二种图形为图2：

从图1中可以看出，图中的三条曲线表示的为1、2、（1/6~1/2）三个倍频的变化趋势，从图中的变化趋势可以得出，一倍频和二倍频整个周期内频率幅值均维持在一定的范围内，而另一个倍频的图形变化相对比较大，幅值的在不断增加，可以得出，故障在不断的发展，即使现阶段机组仍然处在稳定运行状态，但从谱型上判断出该机组已出现潜在故障。

图2反映的为第二种情况，水轮机组运行初始频率开始逐渐减少；一倍频运行阶段处于波动范围之中，随着运行时间的不断增加，逐渐演变为主导频率；（1/2~1/6）倍频幅值运行一段时间后，除了有少量下降之外，基本整个阶段为平稳运行中，已图2可以清晰的看出：主要故障，经过了从二倍频故障到1x故障变化过程，机组总体振动情况及峰值大小下降，然而主导故障已发生了质的变化，即从二倍频转变为一倍频故障，其运行状态发生了质的变化。从以上图形能够看出，机组振动谱型可有效反映故障发生及转移阶段，对研究机组的运行状态有很好的帮助，所谓的谱型结构长期稳定性具体指一段时间内，当机组的振动能量在频域中分布不均匀，或者变化比较小，谱型结构相对较平稳；与此截然相反的是若振动能量品域内分布比较显著，那么谱型结构就表现的不够平稳。下述问题则对谱型机构平稳性进行了定性、定量分析，在分析描述之前，首先应建立可反映谱型结构稳定性指标，谱型结构是反映机组振动能量在频域中的直观反映，将熵的概念集中在信息论中，以功率谱熵这个指标来橫量机组振动谱型结构。众所周知，系统状态变化的不确定性由信息熵来反映，对于水轮机发电机组，却能真实的反映机组运行状态不确定度，为此，定量描述机组振动能量从应用熵的方面考虑非常合适。假定M表示可测集代数和，且T表示空间M任意自映射，将空间M化分为多个有限子集，系统熵反映了系统不确定性度，当系统熵数值较大时、其分布的不确定度就接近于等概率分布；熵值越小分布的不确定性就会越小，表示其分布较为集中。谱型结构的概比较确切，其常被用来描述机组振动情况。显而易见，可以利用系统信息熵这个概念来确立机组振动谱型数值研究，功率谱熵是反映机组振动分布情况重要指标。此外，频域稳定性定量分析，功率谱熵指标确立后，可通过该指标的数值，定量反映机组振动稳定性，达到对水电机组中长期稳定性运行状态评估。和前述机组运行平稳性指标评价一样，可利用功率谱熵序列统计方法对频域波动性的状态进行分析，从另外一个角度来说，机组频域平稳性能直观反映出机组运行平稳程度。

3机组中长期综合稳定性评价

通过频域和时域两方面对机组长期运行状态进行评估，提出了时域指标I和峰值波动指标，这两个指标从多个方面对机组平稳性运行情况进行了分析，虽然取得了一定的成果，但是仍然无法获得正确的结论，评价机组整体运行状态需要整合频域和时域两方面的内容，本文提出综合劣化指标IA，具体表达式为时域I和频域IH的平均值，从表达式中可以看出，综合劣化指标兼顾了机组时域稳定性和频域稳定性，达到了从整体上反映机组整体运行状态的评价，克服了从单一方面考虑机组稳定性的弊端，得到的结果更加真实有效，与此同时选用从两方面考虑还可以降低偶然误差的影响，具有更高的可信度。

4案例分析

某水电站一共有5个机组，总装机容量为1225兆瓦，实际满发功率为1160兆瓦。在上世纪90年代完成了技术改造，截止到目前，所有机组已全部完成改造任务，技术改造后需要进行稳定性分析实验，具体的实验表格如下：

表1水电站测点数据

从时域和频域两个方面综合考虑，得出的评价指标具有一定的真实性，为后期机组并网发电提供了强有力的支撑。

5结束语

水轮发电机具有比较明显的优势，其启动及并网用时比较短，运行比较灵活，与一般的发电机不同，尤其适合调峰、调频或这备用机组，三峡水电站建立以后，我国的水轮机组最大容量已翻两番，如此大的机组如何评判其稳定性，成为了各国研究人员关注的重点，现阶段，从频域和时域两个角度考虑该问题具有一定的可信性，其得出的评价结果可以用来指导工程实践。虽然取得了较大的研究成果，但是还有待进一步提升，尤其是中长期稳定性运行状态评估方法。

参考文献:

[1]符向前,刘光临,蒋劲.基于信息熵的机组运行劣化度综合指标[J].电力系统自动化;2015年07期

[2]邝鹏.葛洲坝二江电站125MW水轮发电机组[J].大电机技术,2014年05期

[3]刘汉祖.双绕组电抗分流式水轮发电机并网操作的新方法[J].电机与控制应用,2016年06期