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調峰調頻水電機組多維度耦合軸系穩定性研究及工程應用隨着我國經濟社會的發展，電力系統規模不斷擴大，用電負荷和峰谷差持續加大，電力用戶對供電質量的要求也不斷提高。

一、背景

隨着我國經濟社會的發展，電力系統規模不斷擴大，用電負荷和峰谷差持續加大，電力用戶對供電質量的要求也不斷提高。我國目前電力裝機構成中仍然以煤電為主，同時正在大力發展核電、風電及其他可再生能源發電來優化電源結構。蓄能機組作為一種特殊的水電機組，在電力系統中承擔調峰、填谷、調頻、調相和事故備用及黑啟動等多種功能，是解決電力系統中大規模電能儲存、調峰問題以及確保安全可靠運行的最有效和最經濟現實的手段，對保障電網安全和供電質量，協調電網中火電、核電、風電運行調度，提高電網質量及經濟效益具有重大意義。

二、應用案例

1.項目概述

水電機組是水電廠的核心設備，其運行狀況的優劣，直接影響到機電設備的安全性能及水電站的經濟運行。隨着機組單機容量和水頭的提高，其穩定性問題，即振動問題也日益突出。水電機組的振動問題是衡量機組運行穩定性的重要指標，它不僅影響機組的性能和壽命，而且直接影響機組的安全運行、負荷合理分配及電能質量，甚至釀成重大事故。抽水蓄能機組相比於常規水電機組，具有高水頭、高轉速、雙向運行、工況複雜、工況轉換頻繁等特點，使得其振動問題更加突出。水電機組振動問題是最為複雜的動力學問題之一，橫跨三大學科，涉及面較廣，其振動原因包括水力因素、機械因素和電磁因素三個方面，同時這三個方面因素本身也會相互影響，相互促進，使振動的原因更加複雜。

2.主要效益

直接經濟效益

廣東省樂昌峽水電廠2、3號機組投產試運行期間，每台機組節省調試時間10天，產生經濟效益4.4萬千瓦×24小時×0.45元/千瓦時×10×80%＝380.16 萬元，每台機組節省檢修費用約 50 萬元。一共帶來經濟效益 （380.16+50）×2=860.32 萬元。

楓樹壩水電廠兩台機一次A級檢修造成的理論電量損失為8.8萬千瓦×12小時×0.3296元/千瓦時×60×80%＝1670.7萬元，每台機組A級檢修費用約250萬元。一共為電廠帶來經濟效益為（1670.7+250）×2=3841.4 萬元。通過提高水能利用率每年帶來的收益為 945.98 萬元。

社會效益與間接經濟效益

水電機組振動故障是水輪發電機組中最常見的故障，在設備故障中占了很大比重，是影響設備安全、穩定運行的重要因素，一旦發生輕則引起加速設備損壞而導致機組停機，嚴重時將危及電網安全。不但給電廠帶來重大經濟損失，也會因不能及時提供可靠的電能而給社會帶來不良影響甚至危害。因此，通過對水電機組振動故障進行正確診斷及快速處理，並準確界定水電機組振動區範圍，可大幅減小機組不穩定振動區的負荷範圍，提高機組參與電網調峰調頻的能力，保證電源側機組的安全可靠性，進而確保整個電力系統的安全穩定運行，社會效益十分顯著。

三、技術要點

建立了蓄能機組雙向推力軸承熱彈流潤滑計算模型，開展了推力軸承熱-結構流體三場雙向耦合研究，揭示了蓄能機組推力軸承熱彈流潤滑機理。採用雙向流固耦合方法，考慮軸瓦、支撐和鏡板的熱變形和彈性變形，計及溫粘效應，得到油膜壓力分布、厚度分布、溫度分布以及軸瓦的變形、應力和溫度分布。根據瓦推力負荷擾動計算，得到推力軸承動力特性係數。

提出了基於三維全流道計算模型的水電機組過渡過程水力計算方法，分析了複雜水力過程對蓄能機組的影響。建立了水力-機械-電磁多維度耦合作用下水電機組轉子-軸承-基礎系統模型，計算出軸系過渡過程徑向和軸向瞬態響應，指導開展水電機組過渡過程軸系穩定性分析，解決了傳統測試方法無法對工況轉換過渡過程軸系穩定性準確測量的難題。

研發了立式蓄能機組全功能仿真試驗台，開展各種工況軸系仿真試驗，實現了蓄能機組振動故障的模擬診斷，大大提高了水電機組故障診斷效率。

提出了一套綜合考慮水力-機械-電磁耦合作用的水電機組三維振動特性分析方法 及處理策略，指導機組軸系振動故障診斷和治理，科學制定機組振動區，顯著降低了水電機組不穩定振動區的範圍，提高了水電機組調峰調頻的能力，保證電源側機組的安全可靠性和電網的安全穩定性。

四、應用前景

項目研究成果可有效解決機組軸系振動故障，準確界定機組的振動區範圍，大幅減小機組不穩定振動區的負荷範圍，提高機組參與電網調峰調頻的能力，同時也可大大提高電源側機組的安全可靠性，對於保證電網的穩定性具有重大的現實意義。項目成果已成功應用於南網調峰調頻發電公司、中國國電集團、廣東省粵電集團及廣東省水利廳下屬的十多家水電廠，成功診斷並處理了包括廣蓄、惠蓄、國電海南大廣壩、粵電天生橋一級水電廠、新豐江水電廠、楓樹壩水電廠、長潭水電廠、青溪水電廠、廣東省飛來峽及樂昌峽水電廠在內的18台次抽水蓄能機組及常規水電機組的軸系振動故障，完成了53台次機組的振動區界定，消除了設備隱患、縮短了機組檢修周期，延長了機組壽命，提高了機組可靠性及調峰調頻的能力，保證了電網的安全穩定，應用前景十分顯著。