優(yōu)化低負荷段協(xié)聯(lián)參數(shù)改善燈泡貫流式水電機組性能

王 培， 岳 青 松， 楊 立 勇， 徐 學 海

(中國華電集團公司四川寶珠寺水力發(fā)電廠，四川 廣元 628003)

水電技術

優(yōu)化低負荷段協(xié)聯(lián)參數(shù)改善燈泡貫流式水電機組性能

王 培， 岳 青 松， 楊 立 勇， 徐 學 海

(中國華電集團公司四川寶珠寺水力發(fā)電廠，四川 廣元 628003)

燈泡貫流式機組的協(xié)聯(lián)曲線直接影響到水輪機運行效率和穩(wěn)定性。制造廠提供的協(xié)聯(lián)參數(shù)固然是重要的參考，但需要經(jīng)過現(xiàn)場試驗驗證。本文對紫蘭壩電站1F機組協(xié)聯(lián)參數(shù)進行優(yōu)化，優(yōu)化后不僅滿足了一次調頻性能的要求，而且改善了機組的穩(wěn)定性，提高了水輪機組的發(fā)電效率，在實際運行過程中，機組發(fā)電效率平均提高達4.5%，為電廠取得了良好的經(jīng)濟效益。

燈泡貫流式機組；調速器試驗；協(xié)聯(lián)參數(shù)優(yōu)化；性能改善

0 引 言

紫蘭壩水電站位于四川省廣元市寶輪鎮(zhèn)，安裝有3臺單機容量34 MW的燈泡貫流式水輪發(fā)電機組，總裝機102 MW，年設計平均發(fā)電量4.41億kWh，自2006年投產以來沒有進行一次調頻試驗。2016年4月1F機組大修時進行了調速器電氣柜的更換，其后開展的一次調頻試驗中發(fā)現(xiàn)在調速器系統(tǒng)施加階躍頻率偏差信號時，發(fā)現(xiàn)有功功率向上、向下調節(jié)的幅度不一致，無法完成一次調頻試驗；同時，在低負荷過程中機組運行工況較差。

筆者對燈泡貫流式機組一次調頻試驗中遇到的問題進行分析，發(fā)現(xiàn)協(xié)聯(lián)參數(shù)的設置對一次調頻性能有很大影響。通過現(xiàn)場試驗獲得優(yōu)化的協(xié)聯(lián)參數(shù)，協(xié)聯(lián)參數(shù)優(yōu)化后不僅保證了一次調頻試驗的順利完成，而且提高了機組運行的穩(wěn)定性和水輪機效率，提升了企業(yè)的經(jīng)濟性。

1 一次調頻和協(xié)聯(lián)參數(shù)

電力系統(tǒng)供電頻率是電能質量的重要指標，發(fā)電機組一次調頻可以在電網(wǎng)發(fā)生大負荷變化時快速地提供功率支援，削弱由于電網(wǎng)負荷變化引起的頻率波動，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。水輪發(fā)電機組的一次調頻功能通過調速器實現(xiàn)，微機型調速器不同的參數(shù)設置對一次調頻性能影響較大，若設置不當，甚至可能導致無法滿足一次調頻的要求[1,2]。

紫蘭壩水電站選用的燈泡貫流式水輪機，其調速器具有調節(jié)導葉和輪葉的雙重功能，使輪葉開度和導葉開度隨機組負荷的增減而變化。輪葉開度和導葉開度具有一定的協(xié)聯(lián)關系，且在不同水頭下的協(xié)聯(lián)關系還不盡相同。為了保證機組運行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性，應當使水輪機在協(xié)聯(lián)工況下運行。一般情況下協(xié)聯(lián)曲線由水輪機制造廠家提供，但是否合適還需根據(jù)實際情況進行驗證和優(yōu)化，以獲得理想的運行效果和經(jīng)濟效益[3,4]。

2 問題的提出

2016年7月16日，對紫蘭壩電站1F機組更換后的調速器電氣柜進行一次調頻試驗。在“開度模式”“自動”“遠方”運行條件下進行試驗(1F機組水頭為18 m)，試驗結果如表1所示，手動設置一次調頻開度限制值為2.1%，調節(jié)機組目標有功功率至20 MW時(導葉開度為60%)，對調速器系統(tǒng)施加+0.25Hz階躍頻率偏差信號，有功功率變化為機組額定容量的10%；但對調速器系統(tǒng)施加-0.25 Hz階躍頻率偏差信號，有功功率變化為機組額定容量的6%，有功功率變化量不一致且差別較大。為了獲得合適的一次調頻開度限制值，在試驗中將一次調頻開度限制值由2.1%降低至1.6%，施加±0.25 Hz階躍頻率偏差信號后，有功功率變化分別為14%與10%，有功功率變化量均有增大，但兩者數(shù)值仍相差較大，且有功功率變化為14%，這一數(shù)值已經(jīng)超出一次調頻技術指標中關于一次調頻的負荷調整限幅為機組額定容量的±10%的參數(shù)要求。另外由于同一水頭下一次調頻開度限制值應一致，因此在試驗中無法設置合適的開度限制值，使有功功率上下調節(jié)幅度都在額定容量的10%左右，進而無法完成一次調頻試驗。

表1 優(yōu)化前一次調頻試驗中的有功功率變化

3 分析及對策

紫蘭壩1F機組協(xié)聯(lián)參數(shù)由原機組制造廠家提供，調速器的參數(shù)參照設置，投產以來未試驗其合理性；在一次調頻試驗中出現(xiàn)了有功功率向上、向下調節(jié)幅度不一致的問題，因此需要檢查調速器系統(tǒng)中協(xié)聯(lián)參數(shù)的設置。如表2所示，有功功率在20 MW(導葉開度為60%，水頭為18 m)，當導葉開度由60%開至66.67%時，輪葉開度由45%變化至60%，輪葉開度隨導葉開度變化率為7.5%；當導葉開度由60%關至58%時，輪葉開度由45%變化至30%，輪葉開度隨導葉開度變化率為2.2%。可見輪葉開度隨導葉開度變化率前后不一致且差別較大，說明協(xié)聯(lián)曲線不平坦，存在明顯拐點，分析認為協(xié)聯(lián)參數(shù)設置不合理。

為了易于觀察，根據(jù)協(xié)聯(lián)參數(shù)繪制協(xié)聯(lián)曲線(如圖1)，圖中顯示導葉開度在60%時，各水頭下協(xié)聯(lián)曲線均有明顯拐點，更直觀說明了協(xié)聯(lián)參數(shù)的設置不當。

表2 優(yōu)化前輪葉、葉葉協(xié)聯(lián)參數(shù)

圖1 優(yōu)化前輪葉、導葉協(xié)聯(lián)曲線

基于以上分析，需對調速器系統(tǒng)中協(xié)聯(lián)參數(shù)進行優(yōu)化，主要優(yōu)化的范圍為導葉開度在0%～60%的協(xié)聯(lián)參數(shù)點，通過優(yōu)化使輪葉開度隨導葉開度變化率減小，進而得到平坦的協(xié)聯(lián)曲線，期望滿足一次調頻的品質要求，改善機組運行狀況。

4 參數(shù)優(yōu)化方法與過程

通過查詢機組運行資料，機組在導葉開度

>60%運行時，能夠滿足一次調頻的要求，機組運行的聲音、振動和擺度較小，說明導葉開度>60%的協(xié)聯(lián)參數(shù)設置比較合理。因此，主要需要優(yōu)化導葉開度≤60%的協(xié)聯(lián)參數(shù)。

合理的協(xié)聯(lián)參數(shù)可通過現(xiàn)場試驗來獲得和驗證，試驗中主要監(jiān)測因素包括機組導葉開度、輪葉開度、有功功率、機組水頭、發(fā)導擺度、組合軸承振動、水導擺度、水導軸承振動及定子機架振動等。協(xié)聯(lián)參數(shù)優(yōu)化需要在不同水頭下采用定導葉變輪葉方式，即將導葉固定在某個開度下改變不同的輪葉開度進行若干測試，測取機組的有功功率、振動及擺度情況，根據(jù)試驗結果確定導葉與輪葉的協(xié)聯(lián)關系。

試驗過程如下：

(1)將調速器水頭調整至18 m(一次調頻開始試驗時水頭)；

(2)試驗過程中首先固定導葉開度測點，分別為36.8%、40.3%、47.6%、60%、66.7%、73.33%、80.33%、86.68%、93.33%、100%，然后退出自動協(xié)聯(lián)，手動調節(jié)輪葉開度，在協(xié)聯(lián)開度±10%附近調節(jié)6個輪葉開度點，在每個輪葉開度工況點穩(wěn)定3～5 min，并記下各輪葉開度下機組的出力值、振動、擺度情況，根據(jù)結果分析得到最優(yōu)的輪葉開度，從而獲得特定水頭下導葉開度與輪葉開度最優(yōu)協(xié)聯(lián)關系；

例如：選取水頭為18 m，導葉開度為40.3%，調節(jié)6個輪葉開度進行試驗，在各輪葉開度工況穩(wěn)定3分鐘后，記錄各測點數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)作圖(圖2)。圖2為機組在該導葉開度下綜合運行狀態(tài)圖，如圖所示，機組的相對效率是隨著輪葉開度增大而增大的，當輪葉開度增加至5.42%時，出現(xiàn)下降拐點，而此時發(fā)導擺度、組合軸承振動、水導擺度、水導軸承振動、定子機架振動均為最低點。由此可見，當導葉開度為40.3%時，輪葉開度的最優(yōu)協(xié)聯(lián)狀態(tài)為5.42%。同樣，按照此步驟可得到水頭為18m時不同導葉開度下最優(yōu)協(xié)聯(lián)狀態(tài)的輪葉開度。

圖2 機組在導葉開度為40.3%時綜合運行狀態(tài)圖

(3)改變機組運行水頭，手動設置水頭分別為8.1 m、10 m、12 m、13 m、14 m、15.4 m、16.4 m、17 m、19.9 m，重復第2項工作。在綜合考慮水輪機效率、出力及機組穩(wěn)定性的基礎上，可以得到導葉開度和輪葉開度的在不同水頭下的最優(yōu)協(xié)聯(lián)關系(表3)。

通過以上步驟，根據(jù)獲得的協(xié)聯(lián)參數(shù)繪制導葉開度與輪葉開度二者協(xié)聯(lián)曲線(圖3)。如圖所示，可以看出優(yōu)化之后的協(xié)聯(lián)曲線平坦、無明顯拐點。此外，優(yōu)化后機組輪葉開度在導葉開度為37%時出現(xiàn)明顯的協(xié)聯(lián)關系，而優(yōu)化之前導葉開度為50%時兩者才出現(xiàn)明顯的協(xié)聯(lián)關系。以上變化說明優(yōu)化之后導葉開度與輪葉開度協(xié)聯(lián)關系得到改善。

表3 優(yōu)化后輪葉、導葉協(xié)聯(lián)參數(shù)

圖3 優(yōu)化后輪葉、導葉協(xié)聯(lián)曲線

5 協(xié)聯(lián)參數(shù)優(yōu)化的效果

將優(yōu)化后的協(xié)聯(lián)參數(shù)輸入到調速器中，在 “開度模式”“自動”“遠方”狀態(tài)下進行一次調頻試驗。試驗結果如表4所示，有功功率變化均符合有關規(guī)定的±10%參數(shù)要求。同時進行了一次調頻其它試驗，試驗數(shù)據(jù)均滿足《水輪機調節(jié)系統(tǒng)并網(wǎng)運行技術導則》相關標準。

表4 優(yōu)化后一次調頻試驗中的有功功率變化

協(xié)聯(lián)參數(shù)優(yōu)化后，水輪機的發(fā)電效率明顯得到了提高。以16.4 m、17 m、18 m水頭下優(yōu)化協(xié)聯(lián)參數(shù)前后發(fā)電效率情況為例(表5)。由表5可以看出，在不同水頭下，機組發(fā)電效率平均提高達4.5%，這在一定程度上提高了電廠的經(jīng)濟效益。

表5 優(yōu)化協(xié)聯(lián)參數(shù)前后發(fā)電機組效率提高情況

6 結 語

燈泡貫流式機組的協(xié)聯(lián)曲線直接影響到水輪機運行效率和穩(wěn)定性。制造廠提供的協(xié)聯(lián)參數(shù)固然是重要的參考，但需要經(jīng)過現(xiàn)場試驗驗證。本文對紫蘭壩電站1F機組協(xié)聯(lián)參數(shù)進行優(yōu)化，優(yōu)化后不僅滿足了一次調頻性能的要求，而且改善了機組的穩(wěn)定性，提高了水輪機組的發(fā)電效率，在實際運行過程中，機組發(fā)電效率平均提高達4.5%，為電廠取得了良好的經(jīng)濟效益，同時也為燈泡貫流式機組協(xié)聯(lián)參數(shù)優(yōu)化的提出、方法和驗證提供了良好的借鑒。

[1] 吳利國. 雙調水輪發(fā)電機組最優(yōu)協(xié)聯(lián)測試系統(tǒng)研究與設計[D]. 蘭州: 蘭州理工大學, 2011: 2-3.

[2] 宋厚彬, 李正貴. 協(xié)聯(lián)曲線修改對燈泡貫流式水輪機組的影響[J]. 甘肅科學學報, 2010, 22(4): 145-149.

[3] 曾仕釗. 淺析黃丹水電站機組協(xié)聯(lián)曲線對運行穩(wěn)定性的影響[J]. 四川水力發(fā)電, 2016, 35(2): 87-92.

[4] 李海軍, 田延霞. 參窩發(fā)電廠微機調速器協(xié)聯(lián)曲線的修改[J]. 吉林水力, 2007, 297(3): 41-42.

TM714；TU192；[TV734.2+1]

B

1001-2184(2017)06-0103-04

2017-11-07

王 培(1985-)，男，山東濟寧人，畢業(yè)于山東菏澤學院計算機科學與技術專業(yè)，助理工程師，現(xiàn)從事四川寶珠寺水力發(fā)電廠電氣維護工作；

岳青松(1972-)，男，四川南江人，畢業(yè)于西安理工大學，高級工程師，主修電力系統(tǒng)及其自動化，現(xiàn)從事水電廠生產技術管理工作；

楊立勇(1976-)，男，山東平陰人，畢業(yè)于四川大學，助理工程師，主修電氣工程及其自動化，現(xiàn)從事四川寶珠寺水力發(fā)電廠教育培訓工作；

徐學海(1972-)，男，四川廣元人，畢業(yè)于四川大學，助理工程師，主修電氣工程及其自動化，現(xiàn)從事四川寶珠寺水力發(fā)電廠電氣二次檢修工作.

卓政昌)