石泉水電廠機組優化運行的實踐

徐峰

摘 要：為提高機組運行發電經濟性水平，確保機組長周期的穩定運行，石泉水電廠積極探索機組運行維護新思路，不斷在實踐中摸索、改善。運用計算機監控系統、機組在線監測裝置、水調自動化系統等高科技手段結合多年機組運行參數總結、對比，全面分析查找影響機組指標的因素，堅持保安全、搶電量、提效率、降損耗，通過加強操作調整、量化指標設定、優化機組運行方式，使機組運行指標達到設計值的目標，實現安全和電量效益雙贏。

關鍵詞：水電廠 機組 優化運行 實踐

中圖分類號：TV737 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）06（c）-0061-02

水輪發電機發電機組利用無污染水能，具有發電成本低，機組啟動快，增加負荷迅速，改變工況方便，可調節范圍廣等特點，適用承擔各種類型的系統負荷和擔任系統事故備用容量。近年隨著電力系統的快速發展，電網結構更加合理，伴著經濟水平的快速增長，工業、民用負荷日趨增高，對發電廠尤其具有調峰能力的水力發電廠要求更高。

石泉水電廠作為是漢江上游最早建設的大Ⅱ型水力發電廠和陜西電網調峰電廠之一，在汛期承擔系統基荷，非汛期承擔系統調峰和事故備用，是陜南電網主要電源支撐點之一。如何保證機組長周期的穩定、延長機組運行壽命、提高水能利用率，以達到企業效益最大化的目標值得長期深入的研究和探索。

1 概述

1.1 石泉水電廠概述

石泉水電廠位于漢江上游石泉縣城西一公里處，是漢江上游最早建設的大Ⅱ型水力發電廠和陜西電網調峰電廠之一，兼有灌溉、防洪、發展漁業等綜合利用效益。水庫控制流域面積2.34萬km2，屬不完全季調節，正常高水位410m，死水位395m。設計庫容4.7億m3，2011年3月實測庫容2.738億m3。電站大壩為混凝土空腹重力壩，壩高65m，壩頂高程416m，壩寬16m，壩長353m。電站廠房為壩后式，1號廠房安裝3臺4.5萬kw混流式水輪發電機組，總裝機容量13.5萬kw；1998年又在下游尾水左岸安裝2臺4.5萬kw機組，為短洞引水岸邊式廠房，1洞2機，利用石泉大壩棄水發電，目前電站總裝機容量22.5萬kw。

1.2 主接線方式介紹

石泉水電廠機組編號1-5號水輪發電機組，主變壓器編號1-4號主變壓器，1-3號機組、變壓器為機變單元接線，單機帶主變；4、5號機組、4號主變壓器為擴大單元接線，兩臺機共用一臺變壓器。發電機機端額定電壓10.5KV，主變壓器高壓側額定電壓110KV。正常方式下，1、3號主變壓器運行于110KVI母，2、4號主變運行于110KVII母，兩條110KV母線經1100母聯開關聯絡運行。110KV母線共有出線5回，分別通過漢中電網和安康電網接入主網運行，其中石茶線、石洋線、石葛線接入漢中電網，石長線、石古線接入安康電網。正常方式下，石長線、石洋線運行于110KVI母，石茶線、石古線、石葛線運行于110KVII母。

正常情況下，石泉電廠1號廠房廠用電由3號主變經21B廠高變帶，2號廠房廠用電由4號主變經T41廠高變帶，1、2號廠房間設有廠聯開關，平時互為備用，1、2號機可在空載及并網狀態下均可經22B廠高變帶1號廠房廠用電。

1.3 機組運行特點

1-3號機于1975年投產發電，機組已運行40年，過水部件汽蝕嚴重，導葉漏水量偏大，機組運行期間振動區較多，以1號機由為明顯，可調節能力差，2號機定子鐵芯水平振動超標。在歷年的機組檢修過程中，1-3號發電機定、轉子均發現不同程度析出物，且1號發電機與2、3號機同等工況下比較，定子線圈溫度及空冷器熱風溫度明顯偏高，高溫大負荷運行時，接近正常溫度極限。4、5號機運行工況相對穩定，但在30%-60%額定負荷區間，由于大軸補氣造成的機組振動較大，可調節范圍小。

2011年11月19日1號機在運行中，由于141號線棒下部壓齒與底部環板疲勞開焊，造成141號上層線棒絕緣擊穿接地，經過臨修，更換了損壞的線棒。2007年11月-12月，2號機組大修中，對有匝間短路的25磁極線圈進行了更換。經陜西電力科學院對1-3號機進行老化鑒定試驗，結論為：整相繞組的介損，介損增量及電容增加率均未超過部頒標準，但局部放電量超過部頒標準，起始、熄滅電壓值較低。可以認為機組出現老化征兆，內部有干枯、分層、少膠現象。

2 機組運行方式優化的提出

2.1 機組運行優化的概念

機組優化運行指的是在保證水電站穩定運行的基礎上，利用機組優化運行手段與優化運行狀態等，全面提升水電能源的利用率，提高水電機組安全運行的水平。通常情況下，以最少的發電耗水量作為優化準則，然而只是關注發電耗水量并不能完全降低水電機組的運行成本。長此以往，在考慮電網運行安全的基礎上，忽視了水電機組運行的穩定性與經濟性，在低谷時段往往會出現低負荷運行問題，使水電機組擺度增大，水輪機轉輪汽蝕更加嚴重，水導軸承發生嚴重磨損[1]。

2.2 限制機組運行方式的因素

（1）機組動力特性（即耗水率）。（2）機組穩定性特性。（3）電氣主接線及電力系統潮流控制要求。（4）對機組運行方式的特殊要求。

3 機組運行方式優化的實踐運用

石泉水電廠運用計算機監控系統、機組在線監測裝置、水調自動化系統等高科技手段結合多年機組運行參數總結、對比，全面分析查找限制機組運行方式因素的原因，通過加強操作調整、量化指標設定，全面優化水輪發電機組的運行方式，使機組運行指標達到設計值的目標，實現安全和電量效益雙贏。

3.1 依據機組動力特性的不同，優化運行方式

對于水電站，水頭的高低對發電耗水率及機組出力影響很大，宜保持高水頭運行，抬高運行水頭可以減小水耗。石泉水電廠平均水頭42m，設計水頭39m，最大工作水頭47.5m，最小工作水頭26.3m，在設計水頭附近每增加或降低1m水頭，發電耗水率減小或增加0.2m3/kWh左右；水頭達到42m以上，機組出力最大為5.0萬kW。合理安排機組啟停順序，優先安排相同工況下機組耗水率小的機組機組應先開，盡量多運行，以降低耗水率，增發電量。

（1）在設備系統無故障、水位正常的情況下，（35m～17m水頭下4、5號機耗水率比1～3號機耗水率小約0.12～0.22m3/kwh）。開機順序為4號機（5號機）—3號機—5號機（4號機）—2號機—1號機。

如表1、表2所示，以年平均水頭42m時，1-3號機耗水率為10.23 m3/kwh，4-5號機耗水率為10.08 m3/kwh，機組按額定出力運行時計算：

機組運行1天發電量：4.5*24=108萬kWh。

①1-3號機運行1天耗水量為：發電量*耗水率=108*10.23=11048400 m3

②4-5號機運行1天耗水量為：發電量*耗水率=108*10.08=10086400 m3

③耗水量相差：11086400-11048400=38000m3

④相同水頭下，4-5號機運行比1-3號機運行1天，可增發電量為：

耗水量/耗水率=38000/10.08≈3770 kwh

（2）由于1號機振動區較多，運行工況較差，調峰運行時，安排1號機最后開，最后停，減少頻繁開、停機對工況相對較差機組的影響。

（3）兩臺及以上機組運行時，盡可能滿足110KV，I母和II母至少各有一臺機組運行，減輕一條母線故障時對機組出力和廠用電的影響，其中1、3號機運行于110KVI母，2、4、5號機運行于110KVII母。

（4）盡可能的維持高水位運行，機組經濟運行（機組可銘牌出力運行，工況穩定，耗水率低）范圍為39～47.5m工作水頭，即上游水位在402～410m之間。

（5）機組的啟、停過程中，由于沒有并入電網，既不能送出有功電量，同時又要產生水耗。盡可能的縮短機組啟、停時間，縮短機組狀態（停機、空轉、空載、并網發電）轉換時間，以減少未與系統并列運行時電耗和水耗。

3.2 依據機組穩定特性不同，優化運行方式

石泉水電廠非汛期（每年11月-次年4月）主要承擔系統調峰和事故備用。調峰運行時，受天氣及系統負荷需求影響，在高峰和低谷時，系統負荷變化大，開、停機頻繁。合理的優化運行方式，振動、汽蝕嚴重的機組應盡量少運行，尤其應避開強振區，同時盡量減少機組的頻繁開、停，見表1。頻繁停機或開機將會增加機組開關的跳合頻率，也會縮短機組開關的實際使用壽命。

（1）加強與調度的溝通，對短時的負荷限制，盡量申請旋轉備用，減少機組啟、停次數。

（2）運用發電負荷調度系統和水調自動化系統，進行系統負荷和水情預測，科學的定發電量計劃，合理制安排不同時段機組運行臺數。根據當天發電計劃安排，早晚高峰多申請機組運行，搶發電量；夜間低谷時段申請機組全停，回蓄水位，抬高機組運行水頭，提高機組運行經濟性。

（3）根據省調下達的全廠總負荷，結合當前水頭情況，按兼顧穩定和效率的原則，進行各臺機組間負荷的最優分配，盡可能保持各機組在高效率區和穩定工況區運行，避免機組進相運行。

（4）負荷調整過程，要縮短機組穿越振動區時間和減少穿越振動區次數，嚴禁機組在振動區運行，避免機組在0～30MW區間運行，加強對機組在線監測系統數據的實施監控、對比。

3.3 依據電氣主接線及電力系統潮流控制要求，優化運行方式

石泉水電廠5條110KV出線中，接入漢中網的石茶線、石洋線、石葛線同5臺機組電氣量（負荷、電流）引入穩控裝置，運行過程中需滿足系統穩定控制要求。接入安康網的石長線、石古線正常方式下為直饋線，且石古線通常帶有鐵路機車牽引變，沿線并入地方小水電較多，豐水期線路倒送有功、無功負荷較重，嚴重影響機組出力。陜西東南部電網樞紐線路硤漢三回線在冬、夏兩季負荷較重且潮流變化頻繁，且線路穩定極限為82萬千瓦。為確保電力系統穩定運行，滿足系統潮流有不同的要求，需對機組運行方式進行合理、機動、靈活的安排。

（1）針對石茶線、石洋線、石葛線負荷潮流變化，在滿足出線有功負荷和電流不超過穩定極限前提下，合理安排機組運行臺數，適當提高單機負荷，避免機組帶備用容量運行，減少水耗，合理進行負荷分配，盡量減小流過母聯開關電流。

（2）石泉水電廠穩控裝置過載切機設定最多切除三臺運行且出力最大機組。在5機滿發，漢中網三條線路均接近滿載運行情況下，2號機、4號機（或5號機）負荷安排應略小于（0.5MW）其他三臺機組，且將切機壓板打開，以保證線路過載切機時廠用系統的安全可靠。

（3）加強與調度的溝通，避免系統倒送對出力的影響，無功倒送，系統電壓高時，避免機組進行運行，盡可能不參與系統調壓。

（4）及時了解系統聯絡線（硤漢三回線）負荷潮流變化情況，汛期大發電期間，及時申請增加機組出力，確保機組滿負荷運行，盡量減少出力受限的影響。

3.5 根據特殊要求的特點，優化運行方式

影響機組運行方式的特殊情況一般指廠用電方式特殊時、汛期大發電期間、攔污柵壓差異常時。合理的安排特殊要求下的機組運行方式，對廠用電系統和機組本身運行期間的安全、穩定、經濟尤為重要。

（1）單機帶廠用電運行期間，盡量避免負荷調整，定子電壓已保證廠用系統電壓穩定、合格為前提進行調整，解除系統對機組控制權（AGC退出），穩控裝置切機壓板嚴禁投入。

（2）機組汛期大發電期間，嚴格按照機組水頭、出力對照表運行，根據水頭變化，及時增加機組出力，搶發電量。

（3）洪汛期間，嚴密監視機組進水口攔污柵壓差變化，堅持開機清浮渣、停機撈沉渣，確保1、2號進水口壓差最小。泄洪期間，通過調整閘門運行方式（至少保證有一個中孔運行），聯系調度臨時停機30min，利用泄洪水流降低壓差。非泄洪期間，采用聯系調度停機進行反沖的方式降低壓差。

4 石泉水電廠機組優化運行效益評價

4.1 安全效益

見表2，是石泉水電廠2010年-2014年影響出力的主設備缺陷的統計結果。可以看出，通過機組優化運行的實踐運用，自2010年-2014年，影響出力的主設備缺陷成逐年明顯下降趨勢。表明其設備運行的可靠性大大加強，截至2015年5月30日，石泉水電廠實現安全生產無事故4776d，保持了長周期的安全生產態勢。

4.2 經濟效益

見表3，是石泉水電廠2011年-2014年機組優化運行增發電量及經濟效益統計。2011年至2014年，通過抬高水頭、實施水位動態控制、機組出力、水頭對標等手段，4年累計增發電量39272.92萬kWh，創造額外效益8640.0424萬元。

5 結語

在適應新形勢的同時，又要力爭企業自身利益的最大化，石泉水電廠不斷在探索中實踐。根據機組設計參數，開展機組運行數據的試驗和研究，找出機組運行規律，全面分析查找影響機組指標的因素，編制《機組運行優化實施細則》，對機組優化運行提供詳細的技術指導。認真開展機組軸電壓、擺度、振動值測量等定期工作，發現異常及時調整機組工況，保證機組在最優工況運行。流域行洪期，在保證機組滿發的基礎上，嚴格按照《機組水頭出力對照表》優化機組出力能力。重點關注進水口壓差變化趨勢，深入開展清渣工作，有效降低了機組攔污柵壓差，提高了機組運行水頭，降低耗水率，最大化向電網輸送電能，實現了實現安全和電量效益雙贏。

參考文獻

[1] 馮雁敏，張成鑄，張雪源.豐滿發電廠水電機組運行方式優化研究[J].水電能源科學，2011（8）：155-158.

[2] 暢建霞，黃強，王義民.水電站水庫優化調度幾種方法的探討[J].水電能源科學，2000（3）：19-22.

[3] 王黎，馬光文.水電廠經濟運行的遺傳算法[J].四川大學學報（工程科學版），1997（1）：44-49.