淺談江埡水電站機組節(jié)水降耗措施

張桉榕

（湖南澧水流域水利水電開發(fā)有限責(zé)任公司江埡水電站，湖南 張家界 427221）

引 言

江埡水電站地處澧水一級支流溇水中游，距慈利縣城57 km，為碾壓混凝土重力壩，最大壩高131 m，總庫容17.40 億m3，總裝機容量3×100 MW，設(shè)計年發(fā)電量7.56 億kW·h，以防洪為主，兼有發(fā)電、灌溉、旅游等多種功能，是澧水防洪規(guī)劃中第一個興建的骨干工程。對水電機組來說，在降低耗水率方面，主要考慮的是盡可能地提高機組運行水頭，來降低單位電量所消耗的水量。但實際運行中影響機組耗水率的原因是多方面的，除了運行水頭外，還受機組效率、空耗水量（開、停機過程及旋轉(zhuǎn)備用的耗水量）、調(diào)速器性能等因素影響，本文就這些因素展開分析并采取了相應(yīng)的優(yōu)化措施，對提高水電機組的安全經(jīng)濟運行有一定實踐意義。

1 影響機組耗水率的因素

水電機組節(jié)水增效的主要方法是降低發(fā)電耗水率，除了運行水頭外，機組耗水率還受以下一些因素的影響。

1.1 機組運行效率

水輪發(fā)電機組的效率通常根據(jù)機組運行工況的不同而變化，由公式N=9.81QHη式中 N——出力；

Q——流量；

H——水頭；

η——效率。

得知，在水頭、流量相對固定時，應(yīng)盡可能使機組在高效區(qū)運行，以達到提高出力的目的。對于投入AGC（自動發(fā)電控制）功能的水電機組，除了考慮運行方式外，還應(yīng)確保AGC 功能中的水頭-出力參數(shù)配置準(zhǔn)確，否則將影響機組運行效率并產(chǎn)生AGC 考核費用。

由于發(fā)現(xiàn)江埡水電站機組在70 m 水頭附近運行時，存在因AGC 拒動而被考核的情況，結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)和水輪機運轉(zhuǎn)綜合特性曲線進行分析為：

1）AGC 程序中的水頭-出力參數(shù)配置與水輪機運轉(zhuǎn)綜合特性曲線不符，導(dǎo)致當(dāng)前水頭下AGC 程序計算出的全廠有功上限值高于機組實際可調(diào)出力。如圖1 所示，在71 m 水頭下2 臺機組運行時AGC 程序計算出的全廠有功上限值為175 MW，而實際最大有功值僅為160 MW 左右。

圖1 江埡機組運行負荷曲線圖

2）AGC 程序同時將計算出的全廠有功限值上送至調(diào)度機構(gòu)，此時調(diào)度下發(fā)的AGC 調(diào)節(jié)指令會出現(xiàn)高于實際可調(diào)出力的情況，這樣就導(dǎo)致了兩個后果：

①當(dāng)前水頭下AGC 程序分配到每臺機組的負荷大于機組的最大出力，使得機組導(dǎo)葉開度增加但出力卻不變，從而造成了耗水量的增加和機組效率的降低。

②如表1 所示，因收到調(diào)度的有功指令175 MW越限，使AGC 無法進行調(diào)節(jié)，調(diào)度判定江埡水電站AGC 拒動，并下達多個175 MW 的調(diào)節(jié)指令，導(dǎo)致出現(xiàn)了多條AGC 拒動考核的情況。

表1 江埡機組AGC 拒動情況考核表

1.2 監(jiān)控系統(tǒng)有功調(diào)節(jié)速率和調(diào)速器響應(yīng)時間

水電機組的調(diào)速器若在不同調(diào)節(jié)過程中存在響應(yīng)延遲問題，也會影響機組運行的耗水量，當(dāng)調(diào)節(jié)速率或調(diào)節(jié)精度不滿足要求時，還會產(chǎn)生AGC 考核費用。江埡機組的負荷調(diào)節(jié)方式為計算機監(jiān)控系統(tǒng)閉環(huán)，調(diào)速器開度調(diào)節(jié)模式，即收到調(diào)度下發(fā)的AGC 調(diào)節(jié)指令時，由計算機監(jiān)控系統(tǒng)的AGC 程序?qū)⒇摵砂床呗苑峙渲敛⒕W(wǎng)運行機組的LCU，通過PLC 程序中的有功PID調(diào)節(jié)功能塊轉(zhuǎn)換為調(diào)節(jié)脈沖輸出至調(diào)速器，調(diào)速器再按脈沖的寬度來控制導(dǎo)葉開度，實現(xiàn)機組有功功率的調(diào)節(jié)。

通過機組功率調(diào)節(jié)試驗發(fā)現(xiàn)，在某些水頭下江埡機組存在LCU 的PID 調(diào)節(jié)速率不滿足要求，調(diào)速器響應(yīng)時間較長、不同調(diào)節(jié)過程延遲時間差別較大等問題，導(dǎo)致機組有功調(diào)節(jié)速率受影響。如表2 所示，以江埡3#機組為例，在進行5～90 MW 區(qū)間的增、減負荷試驗時，調(diào)速器導(dǎo)葉開度變化滯后于監(jiān)控系統(tǒng)LCU 脈沖的時間為1.21～2.73 s 不等，即調(diào)速器響應(yīng)時間較長，使得有功調(diào)節(jié)的速率降低，容易發(fā)生AGC 考核的情況。

1.3 自動化設(shè)備可靠性

由于水電機組正常的開、停機時間較短，因此容易忽略開、停機過程的空耗水量問題。當(dāng)機組自動化設(shè)備的可靠性不足而發(fā)生異常時（如反映油位狀態(tài)的液位開關(guān)、冷卻水示流器等），將使得計算機監(jiān)控系統(tǒng)開、停機流程時間變長甚至流程無法正常執(zhí)行，造成機組空耗水量的增加，運行時的耗水率變大。

表2 江埡3#機組調(diào)功試驗參數(shù)表

2 機組節(jié)水降耗的措施

針對這些影響因素和發(fā)現(xiàn)的問題，對江埡機組采取了以下措施進行優(yōu)化和處理。

2.1 優(yōu)化AGC 水頭-出力參數(shù)

核對江埡機組水輪機運轉(zhuǎn)綜合特性曲線，重新確認AGC 程序中水頭-出力參數(shù)，修改了程序配置文件中70 m 水頭對應(yīng)的機組出力值，使其與實際運行工況一致，同時在AGC 配置文件中新增數(shù)組水頭-出力關(guān)系參數(shù)，通過細化AGC 程序的水頭-出力關(guān)系曲線，達到使機組有功調(diào)節(jié)范圍更準(zhǔn)確的目的，避免了因AGC拒動而造成的考核。

2.2 優(yōu)化機組LCU 程序和調(diào)速器參數(shù)

根據(jù)華中網(wǎng)“兩個細則”（《華中區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理實施細則》和《華中區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運行管理實施細則》）中水電機組AGC 性能考核標(biāo)準(zhǔn)要求（見表3），可計算出江埡機組的有功調(diào)節(jié)速率應(yīng)大于80 MW/min，調(diào)節(jié)誤差應(yīng)小于9 MW，按照該規(guī)則開展了江埡機組監(jiān)控系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)試驗，并對相關(guān)參數(shù)進行優(yōu)化。

表3 水電機組AGC 考核規(guī)則表

1）將上、下游水位模擬量信號引入LCU 程序并進行水頭計算，并通過多次試驗確定不同水頭下能滿足機組調(diào)節(jié)速率和精度的參數(shù)，再以計算水頭作為判據(jù)，使程序在不同的水頭下自動選擇對應(yīng)的有功調(diào)節(jié)參數(shù)，解決了程序功能塊在單一參數(shù)下調(diào)節(jié)速率和精度不能適應(yīng)水頭變化的問題。

2）江埡AGC 程序的有功分配策略為：

式中 Pi——每臺機組分配的負荷；

P——給定總出力；

factor[i]——當(dāng)前計算的機組比例系數(shù)；

factor[總]——成組可調(diào)機組發(fā)電態(tài)機組比例系數(shù)總和。

為了防止機組頻繁調(diào)節(jié)，AGC 程序設(shè)定每臺機的步長循環(huán)分配，有功增加時，機組實發(fā)有功占最大容量比例小的機組優(yōu)先增加負荷；有功減少時，實發(fā)有功占最大容量比例大的機組優(yōu)先減負荷。當(dāng)AGC 分配的負荷較小時，會由1 臺機組來進行調(diào)節(jié)，其LCU 調(diào)功程序?qū)⑦M入速率較慢的小閉環(huán)調(diào)節(jié)方式，為保證調(diào)節(jié)性能，通過試驗修改了LCU 程序中小閉環(huán)調(diào)節(jié)的邊界判定條件，并對小閉環(huán)參數(shù)進行優(yōu)化，使機組在負荷變化較小時的調(diào)節(jié)速率基本滿足要求。

3）優(yōu)化調(diào)速器參數(shù)。通過試驗對機組調(diào)速器的功率調(diào)節(jié)參數(shù)進行了優(yōu)化，縮短了調(diào)速器在不同調(diào)節(jié)過程中的響應(yīng)時間，并減少了超調(diào)次數(shù)，在一定程度上提高了調(diào)速系統(tǒng)的響應(yīng)速率。

4）通過對監(jiān)控系統(tǒng)LCU 程序和調(diào)速器參數(shù)進行優(yōu)化后，經(jīng)對比驗證機組有功調(diào)節(jié)速率和精度有所提高，在各運行工況下基本能滿足“兩個細則”要求，優(yōu)化效果如錄波圖所示（見圖2）。

2.3 機組自動化元件改造換型

開展設(shè)備狀態(tài)評估工作，對江埡機組部分超年限運行的壓力開關(guān)、示流器、液位信號開關(guān)等自動化元件進行改造換型，并定期開展機組電量變送器校驗工作，以減少引起開、停機過程異常的設(shè)備因素，降低機組運行時的空耗水量。

圖2 優(yōu)化后的機組有功調(diào)節(jié)過程曲線圖示

3 結(jié) 語

本文針對江埡水電站機組運行中發(fā)現(xiàn)的一些影響耗水率的因素以及由此產(chǎn)生的AGC 考核問題，對計算機監(jiān)控系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)、自動化元件等設(shè)備采取了相關(guān)的優(yōu)化措施，以達到降低機組運行耗水率、減少AGC 考核的節(jié)水降耗目的。