基于新網架結構下的水電站汛期運行方式分析及優化

黃 浩，王 倫，李世豪，蘇 彪

（二灘水力發電廠，四川 攀枝花 617100）

1 概述

四川省作為水電之都，水電裝機容量高居中國第一。西南電網異步聯網后，川渝斷面、攀西水電通道輸電能力將會有明顯提高。川渝斷面由洪板雙線、黃萬雙線和資銅雙線組成，共6回500 kV線路。攀西斷面由東天雙線、普天線、城沐雙線、普洪三線組成，共8回500 kV線路，是攀西水電包括雅礱江下游5級電站、藏電、木里水電送四川主網的唯一通道。近年來，攀西地區風光裝機增長迅速，斷面內水電送出受限嚴重，汛期擠占通道，棄水情況嚴重，大型電站汛期發電受限較大，如斷面限額由700萬kW增加至850萬kW，通道空間增長率達21%，考慮新增裝機以及斷面實際限額的因素，預計攀西地區水電站今年汛期發電量應有至少10%以上的增長空間。基于以上形勢，有必要對電站機組汛期運行工況進行分析[1-2]，優化汛期電站機組運行方式和廠用電運行方式，以適應新的發電形勢。

2 原因分析

2.1 汛期機組運行方式分析

電站汛期機組運行水頭為180 m～185 m，對應機組運行振動區下限范圍為150 MW～160 MW，上限范圍為420 MW～455 MW，機組運行水頭與振動區對應關系如表1：

表1 水頭與振動區對應表

因電網需求，電站在汛期一般需要保持6臺機并網運行，承擔事故備用和旋轉備用任務，下面結合今年機組汛期運行特點，總結出6臺機并網運行方式下，機組在振動區邊緣運行時對應的負荷分布情況[3-5]。

監控系統AGC參數設定機組不允許在振動區運行，在AGC參數設置時，考慮到避免因AGC設定值的頻繁變化而導致機組頻發跨越振動區，設置有跨越振動區的功率死區40 MW的條件，當設定值偏差大于40 MW時才會跨越振動區，以表2中所對應的負荷為機組在振動區邊緣運行的情況，當全廠負荷在下述負荷區間時，機組將在振動區邊緣運行。

表2中組合方式為6臺機組負荷分配在振動區上限、下限區域的運行方式，如“6臺機上限”指的是6臺機組的負荷均在振動區上限的運行方式，“5臺機上限”指的是5臺機組負荷在振動區上限區域、1臺機組負荷在振動區下限區域運行的情況，其余組合方式依次類推。

當AGC向上調整負荷時，振動區上限運行機組有功已增加至最大值550 MW，振動區下限運行機組負荷增加至該水頭下振動區下限值，需要向上跨越振動區，由于跨越振動區功率（40 MW）死區的影響，以下負荷區間將存在機組在振動區邊緣運行情況，如表2。

當AGC向下調整負荷時，振動區下緣以下的運行機組有功已減小到最小值20 MW，振動區上緣以上的運行機組負荷已減小至該水頭下的振動區上限值，需要向下跨越振動區，由于跨越振動區功率死區的影響：

（1）因全廠負荷少，機組運行水頭高，6臺機組并網運行，多臺機長期處于空載或低負荷區運行，水輪機空腔汽蝕較以往增加。

（2）因全廠負荷較少，機組運行水頭高，機組在振動區邊緣運行時間長，現場機組振動明顯增大，甚至部分振動、擺度出現超標報警。今年汛期二灘水電站的全廠總負荷，在900～2 730 MW區間范圍的情況較多，所以導致今年汛期機組在振動區邊緣運行情況相對往年明顯增多。

（3）因振動區定值整定（6臺機一套定值）及上下游河道情況變化等原因，機組運行水頭對應的振動區與實際情況有偏差，導致部分機組出現振動、擺度偏大現象。機組長期運行在振動區邊緣，由于振動區死區設定、有功調節測量偏差、一次調頻等影響，機組將頻繁進入振動區內運行，機組振動加劇，甚至振動、擺度值超標報警，長期積累必然對機組造成一定損壞。水電站曾發生過不少機組機械部件受損的缺陷，例如：機組尾水進人門固定螺栓松動、斷裂，水輪機轉輪裂紋嚴重，接力器推拉桿斷裂，水輪機泄水錐脫落，剪斷銷傳感器護套脫落等等。

2.2 汛期廠用電運行方式分析

進入汛期大發電后，電站送出負荷將逐步上升，根據電站歷年的發電規律，預計到7月初，二灘電站大部分時間將大負荷運行，這勢必要求發電機組發出更多的無功。同時根據電力系統逆調壓的原則，在電網負荷高峰時段，電站500 kV系統電壓將調至上限運行，這也勢必要求機組發出更多的無功。因此，為確保二灘電站廠用電系統安全運行，電站廠高變分接頭由3檔調整至2檔；進入到枯水期后的11月份，又將分接頭由2擋調整至3檔。

（1）6 kV母線電壓的運行規定

規程規定：正常運行時6 kV母線電壓保持在5.80～6.42 kV范圍內，400 V母線電壓保持在360～407 V范圍內，其中1號、2號照明盤母線電壓保持在350～380 V范圍內。超過上述范圍應查明原因，并設法調整至正常。

廠用電壓過低或者過高，會影響電動機負荷的正常運行，從而影響機組的安全運行。電壓過高，會導致電動機的定子磁通接近飽和狀態，出現電流急劇增大，電機效率下降而發熱嚴重。電壓過低，會使電動機起動轉矩下降很多，起動困難，也會導致定子電流增大，造成電動機過熱，溫升增高，縮短電動機壽命，甚至燒毀電動機。由于進入汛期，電站廠用電壓會升高，在這里只需分析電壓過高的情況。

（2）電力系統的無功功率平衡

電力系統的無功電源有發電機、同步調相機、靜止電容器及靜止補償器等。具備進相運行能力的發電機也可以作為系統無功負荷消耗系統無功。電力系統的無功負荷和無功損耗主要有異步電動機、變壓器、輸電線路等。輸電線路的無功功率損耗分為兩個部分，其串聯電抗中的無功功率損耗與通過線路的功率或電流的平方成正比，而其并聯電納中發出的無功功率（即線路充電功率）與電壓的平方成正比。當線路傳輸功率較大時，電抗中消耗的無功功率大于電容中發出的無功功率時，線路等值為消耗無功；當線路傳輸功率較小、線路運行電壓水平較高，電容中產生的無功功率大于電抗中消耗的無功功率時，線路等值為無功電源。當線路電抗中消耗的無功功率等于電容中發出的無功功率時，此時線路輸送的功率為自然功率，也稱為“波阻抗負載”。未補償線路的自然功率為：

表2 高水頭下機組振動區邊緣負荷

式中，Pn表示自然功率，單位為MW；U表示線路電壓，單位為kV；Zc表示線路波阻抗，l為線路單位長度電感，c為線路單位長度對地電容。

在電力系統運行的任何時刻，電源發出的無功功率總是等于同時刻系統無功負荷和無功損耗之和。由無功平衡與電壓水平的關系可知：當系統無功負荷或無功損耗增加，而系統的無功電源出力沒有相應地增加時，系統的無功電源無法滿足原電壓下的無功功率平衡，系統電壓水平會降低。

（3）汛期廠高變運行在3檔的6 kV母線電壓

從監控系統歷史數據取得了2015年7月25日至10月25日3個月期間6段6 kV母線電壓、電站總有功、總無功、機組有功、無功數據以及相關事件分析汛期負荷高峰期6 kV母線電壓的情況。

統計6 kV母線電壓越上限報警事件，共計出現過162次報警：Ⅰ段出現37次，Ⅱ段出現119次，Ⅲ段未出現過，Ⅳ段出現6次，Ⅴ段未出現過，Ⅵ段未出現。分析事件及數據發現6 kVⅡ段出現多次電壓越限的原因為2號機未進相運行導致。汛期大負荷期間，6 kV母線電壓能滿足要求。

理論上當500 kV系統電壓最上限運行時，停機備用機組對應的6 kV 母線電壓在廠高變分接頭在3檔時有越上限的可坑。但是考慮到：我廠機組具備一定的無功裕度，系統電壓通常不會最上限運行；6 kV母線帶有一定的負荷會有一定的電壓降。所以，一般停機機組對應6 kV母線電壓也不會越限。

3 運行方式優化措施

為進一步優化機組運行環境，確保機組安全穩定運行，提出以下措施：

3.1 合理安排機組運行方式

在實際運行過程中，加強監視，避免機組長時間在振動區邊緣運行，必要時手動調整手控機組負荷，使投入AGC運行機組快速跨離振動區。在負荷頻繁變化時段，應根據運行工況合理調整機組優先級，均衡每臺機組跨越振動區的次數。

3.2 重新核定各臺機組振動區范圍

現二灘水電站機組振動區的整定是依據2007年華中科技大學編制的《二灘水力發電廠機組運行穩定性試驗報告》和多年的運行經驗在2004年確定的振區定值的基礎上優化而來，并于2009年7月啟用，6臺機組振區定值設置一致。應按各臺機實際測量的振動區進行設定。運行水頭自動采集實際水頭。目前AGC中6臺機共用一個水頭設定值，振動區每臺機均一樣。但實際1～3號機共用1號尾水調壓室、4～6號機共用2號尾水調壓室，因2個尾水調壓室底板高程不一樣，導致機組實際運行水頭不一樣。現AGC系統中水頭值是人工根據上、下游水位計算后手動設置，AGC系統根據人工手動設置的水頭值，自動在預先整定的振動區定值中，選擇相對應的振動區定值執行。為更準確、真實地反應機組在運行過程的運行水頭與振動區情況，應根據實際水頭變化適時自動計算每臺機的水頭，至少做到1～3號機共用1個水頭，4～6號機共用1個水頭，并分別自動啟用相應振動區定值。

3.3 避開機組振動區運行

（1）控制權在二灘水電站側時，電站運行人員加強巡回檢查和監視，掌握AGC在振動區邊緣運行的實際情況，合理調整機組優先級，申請一臺機組手動控制，及時調整手控機組負荷，盡量使機組離開振動區及振動區邊緣運行。由于調度AGC負荷設定值頻繁調整等原因，不能從根本上解決機組在振動區邊緣運行的問題。

（2）二灘電站實行無人值班時，應統計機組跨振動區的情況，注重機組運行工況分析，并將分析統計情況及時反饋給上級調度機構。

（3）因每臺機組在實際運行中其工況會有差異，不可能完全一致，建議利用機組檢修后試驗的機會，組織技術力量對各臺機組在不同水頭下的振動區進行更加細致的測定，對工況較差的機組適當增大振動區定值范圍，并根據實際情況為各臺機組設置不同的振動區定值。

（4）實際運行中，因尾水調壓室底板高程不同、機組所帶負荷不同等原因，機組運行水頭有差異；且由于二灘水電站承擔電網調峰、調頻任務，負荷變化幅度大且頻繁，出庫流量變化大，水頭的變化幅度約3～4 m，經常出現實際水頭與AGC設定的水頭值不符，從而導致機組振動區設定不合理。在進行AGC中的水頭值設定時，應避開運行在振動區邊緣不好的工況。

（5）通過調整機組優先級、修改AGC中水頭值，手控一臺機組配合AGC調整，避免了部分情況下機組跨振動區以及機組運行在振動區邊緣的情況，減小了機組的傷害，但由于二灘電站在川渝電網中調峰、調頻任務重，有時AGC下發負荷值變化非常大，且在增減200 MW左右頻繁變化，這種情況下機組不可避免的要頻繁跨越振動區。

3.4 合理安排廠用電運行方式

根據對廠高變分接頭調整分析，電站廠高變分接頭近兩年的汛期均保持在3檔運行，并未出現6 kV母線電壓越上限后不可調整的情況，經過調整均能保證在額定電壓范圍內運行。因此，廠高變分接頭不需要進行調整，枯期、汛期均保持3檔運行即可。

4 結語

通過分析二灘電站汛期機組運行工況，優化機組運行方式，調整廠高變運行方式，減少了機組因頻繁跨越振動區和頻繁調整負荷產生的設備缺陷，尤其對防止重大機械故障引起災難性事故有著重要的意義，也能減輕機組維護工作量。汛期大發嚴峻考驗設備發電能力，加強機組運行工況的分析，是運行工作的重要內容，在今后的工作中，我們將做好設備定期輪換工作，定期開展設備運行分析工作，加強巡檢，及時消缺，為發電設備穩定運行提供保障。