调峰调频水电机组多维度耦合轴系稳定性研究及工程应用

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调峰调频水电机组多维度耦合轴系稳定性研究及工程应用随着我国经济社会的发展，电力系统规模不断扩大，用电负荷和峰谷差持续加大，电力用户对供电质量的要求也不断提高。

目录

一、背景

随着我国经济社会的发展，电力系统规模不断扩大，用电负荷和峰谷差持续加大，电力用户对供电质量的要求也不断提高。我国目前电力装机构成中仍然以煤电为主，同时正在大力发展核电、风电及其他可再生能源发电来优化电源结构。蓄能机组作为一种特殊的水电机组，在电力系统中承担调峰、填谷、调频、调相和事故备用及黑启动等多种功能，是解决电力系统中大规模电能储存、调峰问题以及确保安全可靠运行的最有效和最经济现实的手段，对保障电网安全和供电质量，协调电网中火电、核电、风电运行调度，提高电网质量及经济效益具有重大意义。

二、应用案例

1.项目概述

水电机组是水电厂的核心设备，其运行状况的优劣，直接影响到机电设备的安全性能及水电站的经济运行。随着机组单机容量和水头的提高，其稳定性问题，即振动问题也日益突出。水电机组的振动问题是衡量机组运行稳定性的重要指标，它不仅影响机组的性能和寿命，而且直接影响机组的安全运行、负荷合理分配及电能质量，甚至酿成重大事故。抽水蓄能机组相比于常规水电机组，具有高水头、高转速、双向运行、工况复杂、工况转换频繁等特点，使得其振动问题更加突出。水电机组振动问题是最为复杂的动力学问题之一，横跨三大学科，涉及面较广，其振动原因包括水力因素、机械因素和电磁因素三个方面，同时这三个方面因素本身也会相互影响，相互促进，使振动的原因更加复杂。

2.主要效益

直接经济效益

广东省乐昌峡水电厂2、3号机组投产试运行期间，每台机组节省调试时间10天，产生经济效益4.4万千瓦×24小时×0.45元/千瓦时×10×80%＝380.16 万元，每台机组节省检修费用约 50 万元。一共带来经济效益 （380.16+50）×2=860.32 万元。

枫树坝水电厂两台机一次A级检修造成的理论电量损失为8.8万千瓦×12小时×0.3296元/千瓦时×60×80%＝1670.7万元，每台机组A级检修费用约250万元。一共为电厂带来经济效益为（1670.7+250）×2=3841.4 万元。通过提高水能利用率每年带来的收益为 945.98 万元。

社会效益与间接经济效益

水电机组振动故障是水轮发电机组中最常见的故障，在设备故障中占了很大比重，是影响设备安全、稳定运行的重要因素，一旦发生轻则引起加速设备损坏而导致机组停机，严重时将危及电网安全。不但给电厂带来重大经济损失，也会因不能及时提供可靠的电能而给社会带来不良影响甚至危害。因此，通过对水电机组振动故障进行正确诊断及快速处理，并准确界定水电机组振动区范围，可大幅减小机组不稳定振动区的负荷范围，提高机组参与电网调峰调频的能力，保证电源侧机组的安全可靠性，进而确保整个电力系统的安全稳定运行，社会效益十分显著。

三、技术要点

建立了蓄能机组双向推力轴承热弹流润滑计算模型，开展了推力轴承热-结构流体三场双向耦合研究，揭示了蓄能机组推力轴承热弹流润滑机理。采用双向流固耦合方法，考虑轴瓦、支撑和镜板的热变形和弹性变形，计及温粘效应，得到油膜压力分布、厚度分布、温度分布以及轴瓦的变形、应力和温度分布。根据瓦推力负荷扰动计算，得到推力轴承动力特性系数。

提出了基于三维全流道计算模型的水电机组过渡过程水力计算方法，分析了复杂水力过程对蓄能机组的影响。建立了水力-机械-电磁多维度耦合作用下水电机组转子-轴承-基础系统模型，计算出轴系过渡过程径向和轴向瞬态响应，指导开展水电机组过渡过程轴系稳定性分析，解决了传统测试方法无法对工况转换过渡过程轴系稳定性准确测量的难题。

研发了立式蓄能机组全功能仿真试验台，开展各种工况轴系仿真试验，实现了蓄能机组振动故障的模拟诊断，大大提高了水电机组故障诊断效率。

提出了一套综合考虑水力-机械-电磁耦合作用的水电机组三维振动特性分析方法 及处理策略，指导机组轴系振动故障诊断和治理，科学制定机组振动区，显著降低了水电机组不稳定振动区的范围，提高了水电机组调峰调频的能力，保证电源侧机组的安全可靠性和电网的安全稳定性。

四、应用前景

项目研究成果可有效解决机组轴系振动故障，准确界定机组的振动区范围，大幅减小机组不稳定振动区的负荷范围，提高机组参与电网调峰调频的能力，同时也可大大提高电源侧机组的安全可靠性，对于保证电网的稳定性具有重大的现实意义。项目成果已成功应用于南网调峰调频发电公司、中国国电集团、广东省粤电集团及广东省水利厅下属的十多家水电厂，成功诊断并处理了包括广蓄、惠蓄、国电海南大广坝、粤电天生桥一级水电厂、新丰江水电厂、枫树坝水电厂、长潭水电厂、青溪水电厂、广东省飞来峡及乐昌峡水电厂在内的18台次抽水蓄能机组及常规水电机组的轴系振动故障，完成了53台次机组的振动区界定，消除了设备隐患、缩短了机组检修周期，延长了机组寿命，提高了机组可靠性及调峰调频的能力，保证了电网的安全稳定，应用前景十分显著。