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为探明拦污栅、隔流墩、底坎等局部结构对进水口流态及水头损失的影响规律,以某低水头大流量水电站为例,建立了由库区至水轮机蜗壳的取水流道三维水流数学模型,分析了不同机组引用流量以及排沙底孔运行条件下的进水口水力特性.研究发现,由于左右进水孔下部设置排沙底孔,水流从拦污栅底部与进水口底坎之间的进流通道斜向流入进水口,栅前过流面积较大,左右进水孔拦污栅栅前流速分布与中孔不同,最大流速比中孔偏小30％,平均流速偏小26％.排沙底孔运行致其对应孔的栅前过流面积减小,流速分布更加均匀,较排沙底孔不运行平均流速增大了 21％.栏污栅横梁、中隔、栅条尾部以及各隔流墩墩头转角处、进口底坎处存在低压、高紊动能区,是进水口水头损失产生的主要区域,其中拦污栅段水头损失约占进水口总水头损失的50％.排沙底孔不运行时,左、中、右孔拦污栅水头损失系数分别为2.1、0.9、1.7;排沙底孔运行后,栅前断面流速分布更加均匀,较排沙底孔运行左孔拦污栅水头损失系数减小43％左右.因此,进水口优化应重点关注进口段及拦污栅段的水头损失控制,尤其是横梁、中隔、栅条尾部及隔流墩墩头转角等局部结构的流线型优化.
水力特性水头损失系数三维水流数学模型进水口拦污栅低水头大流量水电站
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针对某电站2×45 MW 为引水式电站运行23 a 后出现高负荷效率平台、低负荷振动偏大与冷却结垢等问题,提出转轮水力型线与流道协同重构、定子绕组增容与冷却优化及调速励磁一体化升级的成套路径.基于全流道 CFD 与制造闭环完成转轮再设计,配套级绝缘多股并绕和水内冷,控制侧采用高带宽电液伺服与 IGBT 静止励磁.测试表明,额定开度水轮机效率由 92.5%提升至94.1%,发电机效率由97.8%至98.3%,单机可持续出力扩展至50.3 MW,低开度涡带脉动与叶频响应显著减弱,未见异常振动.
水轮机转轮改型定子绕组增容调速励磁一体化能效与稳定性经济性与减排
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针对水轮机调速系统多场耦合复杂及微弱故障难以辨识等问题,文章构建了水轮机调速系统高保真数字孪生模型,并提出了基于孪生残差特征的健康状态智能评估方法.试验结果表明,该方法能够提升复杂工况下的模型拟合精度,识别亚健康状态,并实现分级预警.
水轮机调速系统数字孪生参数辨识残差特征健康评估
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为改善单管四机水电站系统控制性能,基于二端口网络理论构建引水系统数学模型,建立单管四机水电站调节系统整体模型,引入鮣鱼算法(ROA)对四台水轮机组调速器PID控制参数同步优化.针对单管四机水电站调节系统频率调节和开度调节模式进行仿真验证,利用ROA算法优化对比参数同步与不同步调速系统响应特性,验证所提方法在单管四机水电站调节系统控制参数优化的可行性.仿真结果表明,同步优化后系统振荡次数至少减小50％,提高了系统运行的稳定性.
单管四机水电站结构二端口网络引水系统模型ROA算法PID参数同步优化
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探讨了自动化技术在水电站中的全方位应用.在水轮机、发电机及辅助设备控制中,自动化技术实现了精准调节与智能保护;在监测与诊断领域,设备状态监测、故障诊断及安全监测自动化系统保障了设备安全运行;在综合管理方面,生产调度、运维管理及信息化管理系统提升了管理效率与决策科学性.研究表明,自动化技术是水电站高效、稳定、安全运行的关键支撑.
自动化控制技术设备状态监测系统生产调度自动化故障诊断技术
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针对混流式水轮机在毛水头 135 m 下,650～850 MW 等多个典型出力工况开展了非定常空化流动特性开展数值模拟研究,并结合模型试验数据进行了对比校核.计算结果表明,仅在 850 MW 负荷工况下于泄水锥出口附近出现明显空化现象,其位置与形态与试验结果基本一致.在 750 MW 及以上负荷工况时,95～101 Hz 频段出现多个高频波峰,且最高幅值频率随出力增加发生规律性偏移;750 MW 负荷工况下泄水锥内主频为 0.94 Hz,显著区别于其他工况.在现有计算条件下,模拟结果与试验整体趋势相符,具有一定可靠性,研究对深入理解水轮机空化流动特性及压力脉动演变规律具有一定工程参考价值.
混流式水轮机空化压力脉动数值模拟泄水锥尾水管涡带
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随着水电行业智能化运维水平的不断提高,水轮机调速器电气系统运行可靠性成为保证机组安全稳定运行的重要因素.针对目前调速器电气故障诊断依靠人工经验、响应滞后的情况,本文对调速器液压随动系统、微机 PID 调节和电液转换环节的工作机理进行了系统的分析,并对位移传感器零点漂移、比例伺服阀线圈烧毁和电源模块电压波动等常见的电气故障的物理原因和演变规律作了详细的分析.在此基础上,本文提出了一种结合振动波形特征提取、电气参数在线监测和专家系统推理的综合诊断方法,使用历史故障数据库和多源信号分析来达到故障特征准确识别和自动定位的目的.研究成果很好地解决了传统诊断方法中误判率高、时效性差的问题,给水电站调速器状态检修和智能化故障预警提供了理论依据和技术支持.
水轮机调速器电气故障故障机理
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[目的]深入分析混流式发电机组在变水头、变负荷工况下的压力脉动影响.[方法]以实际运行电站混流式水轮机组为研究对象,通过对机组在不同工况下实际运行的参数监测,得到了机组在不同水头、负荷工况下的压力脉动运行数据,且对该机组的主轴摆度、振动进行了监测.[结果]在中间负荷区域,混流式水轮机机组会产生较大的压力脉动,且随水头的增加,该压力波动区间会向高负荷值侧移动;主轴摆度与压力脉动呈正相关.此外,机组尾水区域的压力脉动较大,受负荷变化的影响更大.[结论]因此,机组应尽可能运行在 80%负荷以上的高负荷工况附近,如果大幅度偏离最优工况,机组所受压力脉动和摆度较大,从而增加部件损伤风险,降低机组效率.
水轮机压力脉动摆度振动试验
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为了准确评估灯泡贯流式机组定子运行温度,避免绝缘损坏,影响机组的使用寿命和安全运行,以王甫洲电站灯泡贯流式机组为例,分别采用热网络法和有限元法对定子在运行时的温度进行计算.结果表明:热网络法和有限元法两种方法的计算结果具有一致性,且与实测值基本吻合;可通过提高定子铁心齿部的散热能力和减小定子线棒铜芯与定子铁心间的热阻,降低定子的温度.研究成果可为同类水轮机定子的结构设计和分析提供参考.
灯泡贯流式热网络法有限元分析温度计算定子温度
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针对老旧引水式水电站设备老化、生态流量管控缺失、智能化水平不足导致的相关问题,以苦竹坪水电站为工程实例,开展以生态流量全链条管控为刚性约束、智能化升级为效益核心的扩容改造工程实践与综合效益研究.本次改造在不改变原有枢纽总体布置与拦河建筑物主体结构的前提下,实施主机组增效扩容、引水系统水力优化,重点构建生态流量智能闭环管控体系与全站一体化智能运行系统.改造后电站总装机容量由410 kW提升至900 kW,设计多年平均发电量提升至320万kW·h,水轮机水能转换效率提升12％;智能化改造实现运维成本下降45％、设备全生命周期寿命延长30％,年增量发电与成本节约收益超19万元;生态流量达标率稳定保持100％,项目静态投资回收期仅0.46 a.该方案实现了生态、经济、安全与管理效益的深度协同,为同类型老旧小水电绿色智慧升级提供了可复制的实践范式.表2个.
引水式小水电站扩容改造水能利用效率综合效益
