水電廠機組AGC運行影響分析及控制對策

湖北省水利水電規劃勘測設計院 黃 戡

1 引言

AGC 技術在水力發電領域得到了廣泛應用，該項技術通過精準調控進而較好地滿足了不同時段內用戶的差異化電力需求，增加了整個水電廠的運行效率，謀得更多的經濟收益。對于系統而言，AGC 反應快、調節精準度高，但高性能也會將引起負荷頻繁變動，特別是在振動區內運作的時間較長時，機組局部會出現嚴重的磨損等問題，降低水輪機組的運行效率，縮短相關構件的運行壽命。在這樣的情景下，應嘗試用多種技術措施增加AGC 的實用性，以確保水電廠的發電質量，滿足現代智能電網的現實運行需求。

2 AGC 系統的介紹

AGC 系統主要是依照設定好的負荷曲線及其他類型的自動化控制系統協同調控發電機組的運作狀態，明顯減少了人工手動操作的介入次數，水電廠AGC 控制原理如圖1所示[1]。國內水電廠一般結合用戶用電需求改變情況投用AGC 系統，利用該項技術精準地調控機組的發電狀態，輔助構建不同機組間的同步運作模式。在水電機組建設規模及投入量持續擴增的背景下，AGC 系統成為水電網絡內不可缺少的一類基礎性裝置。能源供應方式呈現出多樣化特征，水電、風電、光電等均能為用戶供能，用戶群體的用電量也是實時改變，如在工作時間對電能需求較大，在夜間及休息時間內用電需求會驟然下降，故應及時有效地調控機組運行狀態以快速增減負荷，一方面能增加電能資源的利用度，另一方面也能減輕電網運行負擔。

圖1 水電廠AGC 控制原理

AGC 系統投入后能快速調整機組運行模式，實現實時或分級控制，進而改變用電負荷。過于頻繁或過快調整AGC 系統可能會帶來機組的嚴重磨損問題，縮短設備使用壽命，產生較大的經濟損失。水電廠應明確AGC 運行帶來的影響，摸索最優的控制對策。

3 AGC 運行方式給水電廠機組帶來的影響

3.1 降低運行效率

AGC 系統運行快速，靈敏度高，以致調速器頻繁執行調度指令，機具局部磨損相應增加，導水器械間隙漏水問題日益嚴重，密封圈嚴重磨損甚至損壞，機組在很長時間內低效運作。

對于水輪機組而言，若其長期處在低工作區，無法恢復正常運行狀態，機組使用效率會降低，壽命縮短，運作期間無法取得理想的經濟效益。由于發電裝置長期處于發電低能量運作狀態下，耗損的液體量也會增多。若發電設備在不發電的狀況下運作，本體工作狀態異常也會造成損耗量進一步增多。應嚴控AGC 系統的運行速度，不可過快。

3.2 頻繁調節帶來的影響

3.2.1 增加損耗

AGC 投用期間，電廠機組負荷會屢屢變化，以致水輪機有關機構往復運動的次數明顯增多，軸套、活塞環等導水用機構的損耗量增大。加速了接力器導管位置密封圈的磨損，可能會導致漏油問題；機組運行狀態頻繁變化時，導葉反饋鋼絲繩局部斷裂的風險相應增加，以致后續機組調節失效，需要在停機狀態下更換新的鋼絲繩，此時發電廠的發電效率下降；頻繁調節還會帶來電位器嚴重磨損的問題，不利于快捷、高效地傳輸信號；接力器過度地進行頻繁操作會帶來壓力油管的振動問題，部分情景下可能導致局部油管脫離原位，帶來更嚴重的安全事故。

3.2.2 增加導葉套筒L 型密封圈斷裂的風險

AGC 系統調節次數的增多易使導葉軸高頻率地進行往復運轉，以致其上安裝的L 型密封圈形體發生異常改變。當這種結構變形到達一定極限時，則就會發生斷裂，造成頂蓋局部發生較嚴重的滲漏水問題。

3.2.3 壓油裝置供油量增多

水電廠項目建設期間是參照水輪機存有間歇期的特殊運行方式設計壓油裝置的工作容量。啟用AGC 后，運行負荷的屢次調整會使油泵頻繁執行啟、閉動作，基本不存在間歇期，長期處于這種運作狀態下會縮短油泵的使用年限。高頻率啟、閉電源也會增加電源開關故障問題的發生率。

3.2.4 水輪機轉輪葉片故障應力的改變

在差異化工況下，水輪機轉輪承受的應力大小也有差別。AGC 系統運行后，水輪機組的轉輪葉片故障狀態頻繁變動，承受應力也會迅速改變，長期維持這種作業狀態會帶來葉片的磨損及金屬疲勞問題[2]。

3.3 負荷調節幅度過大產生的影響

3.3.1 尾水管中渦帶誘導生成壓力脈動

水輪機長期運作期間尾水管內易生成渦帶，進而引起水壓脈動，混流式水輪機更易出現上這種狀況。一般情況下，水壓脈動的相對值≤7.0%，若出現超上限情況，可以用補氣形式及時減小水壓脈動值。AGC 運行期間會大幅度地調控負荷量，部分情景下機組可能會處于帶負荷的作業模式下，水輪機生成的水壓脈動會超出上限，對其尾水管造成不同的損害。補氣裝置發生故障時，會造成水壓脈動劇烈改變，給水輪機組帶來更嚴重的損壞。

3.3.2 加速葉片裂紋的生成進度

AGC 運行期間，水輪機組的導葉張開度減小、正沖角擴張，以致葉片進水邊局部發生脫流問題。若導葉張開度長時間處在上限，由轉輪葉片進口脫流引起的葉道渦問題會加速，若葉片本體存在著質量隱患因素，葉道渦的加速形成很易導致葉片局部出現裂紋。水電機組運轉期間，若水庫本體處在高水位，水輪機運行期間的水頭超過設計要求，相應的導葉不能抵達全開度的狀態，同樣會使葉片出現裂紋。

3.4 頻繁投切機組開關的影響

AGC 系統運作期間負荷量持續改變，會使機組高頻率啟、停，一方面會帶來機組電廠磨損問題，另一方面也會帶來開關觸指松動、螺帽脫落等隱患。因為頻繁性的操作也會使開關轉換節點發生不同程度的變形與移位情況，帶來水輪機組開關不能正常合閘等問題。

4 水電廠機組AGC 運行控制方法

4.1 完善機組的有功分配算法

為了增加水資源的利用度，確保電廠機組能經濟、可靠運行并盡可能地減少調節頻次，降低機組局部的損耗量，對AGC 系統運用修正等功率算法。但現實中等功率分配很易把機組出力配置值振動區域中，為了規避以上情況，對AGC 運用了修正等功率算法。這樣在配置有功功率環節中，若部分水輪機機組有功功率被胚子到振動區內時，工作人員運用以上算法就能快速判別出機組是跨至振動區上限或下限，減少調節機組的頻次，也能降低數臺機組參與小負荷變動調控引起的累積偏差，實時追蹤有功設計值的改變情況。

4.2 針對調度的負荷調節要求進行再分配

在過去的運行管理模式下，AGC 系統運作期間，電網還會直接調控電廠內部機組。而在高新技術持續發展與應用的背景下，電子計算機監控系統在負荷調度領域內的應用范疇呈現出不斷拓展的態勢，調度負荷時可以將調度信號先傳送給控制中心的計算機，電廠控制中心結合分析運算結果，科學地把變動負荷配置到電廠部分機組上，通過這種方式弱化AGC 運行時給發電廠內大部分機組產生的影響，計算機調控AGC 的運行負荷如圖2所示[3]。運用本文所述方法時，要在水電廠中配置一臺備用機組，且要確保機組處于實時旋轉狀態，以防負荷調節期間因相應機組沒有開機而造成調節速率明顯降低。

圖2 計算機調控AGC 的運行負荷

基于調配方式控制AGC 時，按照下式運算AGC 的總有功：

式中，PACT為全廠實發總有功；K為調頻系數；Δf為頻率偏差；為不參與AGC 機組的實發有功總和。

用總負荷觸發方式優化配置負荷，當全電廠負荷出現改變時，自動執行負荷優化配置運算過程，針對所得的優化結果以信號接收及處理模塊作為載體傳送到機組熱工盤，以自動增減機組負荷。為了減少或規避水輪機機組頻繁調節的情況，可以布置調節不靈敏區（“死區”）。現實中，要依照水電廠的現實狀況合理設置“死區”，其中全廠的總裝機容量是主要的影響因素，范圍不可過大。一旦“死區”范圍過大，無法確保機組的實時出力效果，也還會對整個電網運行頻率的穩定性、電能質量等產生不良影響。

4.3 替換或更新老舊設備

AGC 系統控制期間，水電廠機制的各類配套設備均處于頻繁啟動、暫停及運行狀態調整之中，會使設備承受較繁重的工作壓力，運行可靠度隨之降低。水電廠應結合機組的真實運作狀況及時更新老舊設備，重點關注不能適應AGC 控制模式的低精度設備，作為首要更換對象。如某水電廠機組的整體使用壽命已超20年，機組內很多配套設備已經更新升級數次，依然不能滿足全新的AGC 控制需求，如在AGC 控制模式下發電機的閥門會高頻率地出現投切動作，很難確保閥門的精準度，使用壽命也呈現出不斷減少的態勢。為了改善以上狀況，要依照水電廠機組原設計要求及AGC 系統控制需求更新、調整相關設備，加大現代化設備的應用力度，通過這種方式輔助增加水電廠機組的整體運行效率。

4.4 改善與強化受力部件

社會經濟壯大發展中用電需求出現了巨大的改變，水電廠機組運行負荷的調整頻率也處于持續增加的態勢中，難免會出現過快或過頻繁地調整設備的現象。為了改善這種狀況，技術人員在實踐中要合理調控AGC 系統的運行狀態，始終將負荷改變速率調控在電廠機組設計范疇中，盡可能將AGC 調控過程給機組運行穩定性造成的不良影響降到最低[4]。AGC 調整過程中很易在水流與外力等因素作用下使機組的工作機械承受較高的工作壓力，負荷量波動過程中帶來較嚴重的磨損問題，技術人員應及時更換設備的關鍵部件，如空氣圍帶、軸套等，通過這種方式改善與強化受力部件性能，減少或規避機組設備工作期間發生局部破損等問題[5]。

5 結語

我國電力行業快速發展并持續改革，水電廠應明確AGC 系統運行過快，調度過于頻繁及負荷調節幅度過大等帶來的影響及后果，積極優化調整運行方案，不僅能明顯改善以上狀況，全面增強水電廠機組的運行能力，減少損耗，還能明顯增加機組的發電效率，使電廠運營中創造更理想的經濟及生態效益。