1 概況
牛欄溝水電站位于云南省橫江流域岔河至鹽津縣城段，電站引用流量 230.4m3/s,額定水頭 12.3m,電站主要任務是發電。裝設 2 臺12.4MW 的燈泡貫流式水輪發電機組，總裝機容量為 24.8MW.機組年利用小時為 4560h,多年平均發電量 1.14 億 kW·h.電站為低水頭徑流式日調節水電站，上游水位基本在正常蓄水位和死水位之間波動，變幅不大，下游水位受下泄流量影響，有較大變幅。
2 機組特點
燈泡貫流式機組的發電機置于水下的燈泡體內，發電機體積小、重量輕、轉動慣量小、飛輪力矩 GD2相應較??；機組額定轉速低，起動和停機過程短，轉速變化快；低水頭大流量，機組動態調節品質比較難以控制。調速器通過限制兩個主配壓閥活塞開腔、關腔的行程來滿足主機廠給出的導葉、槳葉最快開關速度；而主機廠給出的導葉關閉速度最快 10.5s,導葉的開啟速度較慢一般在 10s,常規設定槳葉的開啟 20s、關閉 40s 速度更是比導葉的開關速度慢很多；造成調速器主配壓閥活塞的限制行程嚴重不對稱，導致在調速器 PID運算輸出相同控制量對應的導葉、槳葉開關速度的不對稱。
2.1 設計要求
牛欄溝電站水輪機型號 GZ995a-WP-380,在額定水頭 12.3m工況下，機組飛輪力矩 GD2（發電機 GDf2=3800KN·m2、轉輪 GDz2=400KN·m2、轉輪水體 GDw2=1000KN·m2）=5200KN·m2時，按第一段關閉時間 Ts為 3.0s、第二段關閉時間為 7.5s 時，機組甩 100%負荷的轉速率上升值 βmax≤60%.在最大水頭 15.2m 時，機組甩 100%負荷，導葉前的最大壓力上升值不大于 50%.調速器型號 GLT-100-6.3,采用了智能變結構、變參數的調節模式，并網前為 PID 調節，并網后為 PI 調節，根據工況辨識設置不同的調節參數，以確保各種工況下調節的穩定性和速動性。槳葉控制采用數字協聯，由可編程控制器采集水頭與導葉接力器行程，按協聯函數關系進行查表計算，計算值經數模轉換變為電壓信號，帶動槳葉電液隨動裝置，使槳葉轉角等于計算值，從而實現槳葉協聯。當導葉開度等于零，或者轉速低于 52%時，起動轉角信號將使槳葉開至起動轉角。
調節保證，導葉分兩段關閉，第一段關閉時間：3.0s,第二段關閉時間：7.5s,拐點：30%aomax.槳葉關閉時間：40s.
調速器主要技術指標：
轉速死區 ix≤0.04%靜態特性線性度誤差 ε≤5%
2.2 試驗分析
機組甩負荷試驗記錄如表 2:通過對牛欄溝電站 2 號甩 100%額定負荷試驗分析，發現在機組甩負荷時，機組分段關閉拐點上移至 36.23%,第一段關閉時間縮短為 2.08s,機組轉速最高達到 219.7r/min,機組轉速在關閉階段轉速低于 135r/min,導致機組自動滅磁。
相關試驗結果如下：（1）整機的靜態特性和槳葉隨動系統，轉速死區ix=0.026,優于國家標準的 0.04%;槳葉隨動系統的不準確度 is=0.39%,優于國家標準的規定 1.5%.（2）甩 25%額定負荷時，接力器不動時間的測定 Tq=0.16s,優于國家標準的 0.2s.（3）甩 100%額定負荷的過渡過程時間為 34s,優于國家標準的 40s,超過穩態轉速 3%以上的波峰次數為 3 次，不滿足國家標準的規定。（4）在甩 100%額定負荷時，出現機組最低轉速低于 45Hz 的情況，勵磁系統自動滅磁，不滿足 DL/T563-2004《水輪機電液調節系統及裝置技術規程》規定的“機組甩負荷最低轉速不能低于 90%額定轉速（45Hz）”.（5）機組甩 25%、50%、75%和 100%負荷的轉速率上升值 βmax≤60%,導葉前最大壓力上升率<45%（對應壓力值為 30.84m）。
3 原因分析
影響牛欄溝電站機組甩負荷試驗的主要因素如下：（1） 燈泡貫流式機組由于水頭低，流量大，轉動慣量小，導葉、槳葉開關速度不同，帶來正、負調整超調量的不對稱及超調和滯后，在甩負荷試驗過程中穩定性較差，容易出現來回抽動現象，調整不好很難達到調速器標準指標要求。（2）由于燈泡貫流式機組的協聯配合對機組甩負荷試驗影響很大，在調速器調節過程中，槳葉緩慢關閉，在相應水頭下，導葉開度、槳葉開度存在協聯函數關系中的最優效率點，將導致機組轉速迅速升高，增加調速器調節的難度。（3）對于常規機組，甩負荷試驗的轉速上升率 β 值隨機組所甩負荷的增大而增大，而燈泡貫流式機組不一定隨甩負荷值得增大而增大。（4）由于燈泡貫流式機組的轉動慣量及飛輪力矩 FD2小，導致轉速上升速度快，對流量增大的影響大，甩負荷轉速升高后易出現較為明顯的壓力下降產生負水錘。
綜合上述影響燈泡貫流式機組甩負荷的原因為：燈泡貫流式機組水頭低、流量大、轉動慣量小、導葉與槳葉關閉時間不一致、水輪機導葉與槳葉的協聯關系和尾水位的變化等，都對機組甩負荷產生很大的影響。
4 解決方法
經業主在現場與試驗、安裝和廠家人員不懈努力，共同找尋方法，最終圓滿完成機組甩負荷試驗。
（1）在牛欄溝電站 2 號機組調試過程中，與調速器廠家協調通過改變調速器在甩負荷過程中對導葉的控制規律來限制最低轉速下降。當機組甩負荷后轉速下降至 110%額定轉速以下時，將導葉開啟至空載開度直至機組加速度由負轉正，進入正常的頻率空載狀態，此法可在很大程度上提高機組甩負荷時最低轉速同時避免機組在 115%額定轉速、導葉空載以上開度且主配壓閥拒動三條件成立是造成事故停機。（2）經現場協調，在機組甩負荷過程中，通過不斷修改 PID 調節參數的積分系數 KI量，修正不同控制量，經多次調試最終找到最優值，實現機組的正負超調和對稱，很大程度上改變了超調和滯后的問題。（3）經與主機廠水輪機設計人員協調，在保證水力特性及水輪機機械強度的情況下，經其復核后，相應加快槳葉的開關速度。
5 燈泡貫流式機組幾點注意事項
電站機組投產發電以來，已連續穩定運行近兩年。根據作者多年安裝、調試經驗，值得注意的主要有以下幾點：（1）在燈泡貫流式水輪機發動機招標階段，業主應充分考慮機組穩定運行，在全廠甩負荷的極端情況下廠用電消失，雖設置柴油發電機或外來電源作為備用電源，但對設備同樣存在沖擊和損壞的可能，故作者認為在水輪發電機設計時應充分考慮轉子重量，若機組機械強度、剛度足夠可考慮加裝轉子配重塊。（2）在水輪機調節系統建模和仿真時，應確定一組較好的調速器 PAD 參數，使機組頻率對于頻率階躍擾動的相應過程有一定的頻率擾動的超調量、調節時間短的動態過程，同時使機組空載頻率波動特性滿足國標的要求。（3）考慮到機組運行水頭對甩負荷試驗的影響，要采用機組水流修正系數 KY對機組水流時間常數 Tw進行修正。（4）在設備選擇時，應充分考慮水輪機與調速器的配合問題，槳葉關閉盡量接近導葉關閉速度，優化調速器控制策略等。
6 結束語
通過對燈泡貫流式機組甩負荷試驗的介紹和分析，可以肯定通過對調速器參數和控制規律細心調整和合理優化，燈泡貫流式機組甩負荷試驗可以達到相應標準的要求，機組穩定性也可以達到規范要求。事實證明是可行的，牛欄溝電站投產發電后在經歷線路跳閘后，1 臺機組甩完 100%額定負荷后自帶廠用電運行，可靠性及穩定性都比較好。
參考文獻
[1]中華人民共和國國家標準。GB/T 9652.1-2007.水輪機控制系統技術條件[S].
[2]中華人民共和國國家標準。GB/T 9652.2-2007.水輪機控制系統試驗規程[S].
[3]燈泡貫流式機組協聯優化試驗分析[J].水利水電技術，2014.
