軸流轉槳式機組在孤網運行中的探索與創新

李 杰，謝 暉，盧自富

（1.長江三峽能事達電氣股份有限公司，湖北 武漢 430072；2.中國水利電力對外公司，北京 100871）

軸流轉槳式機組在孤網運行中的探索與創新

李 杰1，謝 暉2，盧自富1

（1.長江三峽能事達電氣股份有限公司，湖北 武漢 430072；2.中國水利電力對外公司，北京 100871）

經過對水輪機調速器孤網參數的優化和槳葉控制策略的創新，很好的解決了軸流轉槳式機組在孤網運行時增減負荷慢、運行不穩定、接負荷能力差等一系列問題，對孤網運行的適應能力取得了極大的改善和提高。

軸流轉槳；調速器；孤網；槳葉

1 引言

凱樂塔水利樞紐工程位于幾內亞共和國的西部，孔庫雷河下游，距離首都科納克里公路里程140km。凱樂塔水利樞紐工程以發電為主，正常蓄水庫容2 300萬m3，總裝機容量為234.6 MW，發電機采用東芝水電設計生產的軸流轉槳式機組，單機容量78.2 MW，是幾內亞政府優先、重點發展的能源項目，是幾內亞境內骨干電源電站。

凱樂塔電廠在首臺機組（3F）投運初期同樣遇到了上述問題。在首臺機組72 h運行期間，由于電網不同原因和不明原因的解列，造成凱樂塔電廠6次停機。在后期的單機運行中也發現，軸流轉槳式機組在孤網運行條件下，由于槳葉和水流特性的影響，機組在20～40 MW振動區時極易出現負荷震蕩，從而導致整個電網震蕩的情況。鑒于幾內亞電網此種惡劣情況及雙調機組孤網運行不穩定的特性，電網方面束手無策，寄希望于通過調速器來穩定網頻，減少電網解列次數。

2 軸流轉槳式機組常規控制方式在孤網運行中遇到的問題

2.1 孤網運行條件下不能人為增減負荷

在孤網運行條件下，目前國內調速器大多設計為運行在頻率模式，即在機組孤網運行工況時，調速器以頻率調節為主，頻率調節死區為零，這種運行狀態在短時間孤網運行時，滿足穩定孤網頻率和快速調節負荷的要求。但作為長期運行機組，此種運行方式存在調速器油耗大、機組調節頻繁、對設備損耗較大等問題，且凱樂塔電廠在幾內亞電網中并非單一運行機組，各機組間或電廠間存在負荷相互轉移的情況，頻率模式不能人為的增減負荷，只能根據電網頻率波動自動調整機組負荷大小，此種運行方式明顯不適合幾內亞電網孤網運行的現狀。

2.2 槳葉調整對孤網運行的影響

在正常的負荷調整過程中，槳葉的轉角跟隨協聯關系曲線的給定值，以此來提高水輪機效率。孤網運行中網頻的穩定主要是靠導葉的快速調整來完成，但由于協聯關系的影響，槳葉此時也跟隨導葉的變化量參與調節，從而影響了機組出力，打亂了導葉的調整規律，對網頻的穩定帶來了極大的負面影響。尤其是在電網出現大負荷波動或振動區水流特性不穩定時，此時導葉的調整速度與幅度和槳葉調整的速度與幅度都較大，電網頻率波動、導葉開度變化，槳葉開度變化、機組水流特性、水頭變化等因素都對機組出力產生嚴重影響。由于影響機組出力的因素太多，致使導葉不能正確的判斷頻率變化速度和幅度，影響了導葉調整的規律，致使系統頻率長時間震蕩，不能快速穩定。見圖1、圖2。

圖1 孤網條件下各條件對電網頻率的影響

圖2 槳葉手動和自動調節對電網穩定的不同影響

2.3 電網大范圍負荷波動對調速器調節能力的考驗

幾內亞電網屬于典型的孤網運行模式，由于電網設備老舊和惡劣天氣的影響，電網異常脆弱，隨時面臨著超過全網負荷10%以上的大范圍負荷波動，調速器必須具備承受大負荷沖擊和快速調整負荷的能力。根據國際電工委員會IEC60308《水輪機控制系統試驗》中提到孤立電網試驗中，施加的階躍擾動量經典的最大值為其機組額定功率的10%，但能接受10%負荷擾動量遠遠不能滿足幾內亞電網的要求，例如Garafiri水電廠極易將其所帶的40～50MW負荷甩掉，甩負荷容量占全網總發電量的25%～35%，導致全網頻率雪崩式下滑，調速器能否快速穩定頻率是面臨的最大考驗。

對此，Joseph [10]63-64是這樣解釋的：音響形象的所指是概念，概念的所指是事物。但通過對比，我們發現，Joseph所持的是詞語—概念—事物觀，跟索緒爾的符號觀在本質上是不同的：前者假定存在語言世界和外部世界兩個世界，符號的最終指向是外部世界的事物，而索緒爾語言學只有一個語言的世界，能指和所指是語言符號內部的兩個要素，沒有外部基礎[11]80-82。換句話說，Joseph的符號觀和索緒爾的符號觀完全是兩碼事，沒有可比性可言，因此用詞語—概念—事物觀來解釋上述現象肯定是說不通的。

2.4 槳葉限速后對于機組增減負荷的影響

為了提高調速器穩定電網的能力，避免槳葉對導葉快速穩定調節的影響，我們對槳葉進行了四檔速度變速控制的處理，這種處理方式雖然避免了槳葉波動對頻率調節的影響，但由于幾內亞電網增減負荷采用變電站投切斷路器的方式，每一次增減負荷都是一次對電網的沖擊。調速器經常進入槳葉慢速調節方式（類似定槳運行），延緩了機組并網加負荷的速度，導致機組停留在振動區的時間過長，影響機組的安全穩定運行。

3 軸流轉槳式機組在孤網模式下的探索與創新

3.1 開度模式與孤網運行模式自動切換

為了克服孤網運行條件下不能人為增減負荷的缺陷和幾內亞電網的特殊要求，目前凱樂塔電廠調速器采用開度模式和孤網模式自動切換的方式來滿足運行要求（見圖3）。在正常工況下，調速器運行在開度模式，頻率死區為±0.5 Hz，在50±0.5 Hz區間內導葉不自動調整負荷，但可以通過監控系統下發給調速器增減負荷的指令，調速器根據指令調整機組有功。當電網頻率超過50±0.5 Hz時，調速器根據負載PID自動調整導葉開度，維持電網頻率在50±0.5 Hz區間。當電網頻率超過50±1 Hz時，調速器自動切換至孤網運行模式，以孤網運行pid參數控制導葉運行。在電網頻率恢復至50±0.5 Hz區間內，調速器自動切換為開度模式運行。這種處理方式既能滿足電網穩定的要求，又能在保證網頻合理范圍內人為增減機組有功，實現各機組之間或各電廠之前進行有功功率的轉移。

圖3 模式切換流程圖

3.2 槳葉采用四檔速度自動選擇模式

鑒于槳葉調整對機組效率和穩定性的影響之大，目前孤網運行槳葉控制策略簡要總結為：高速跟進，低速定槳，中速跟隨，空載不限。現場調速器控制流程改為把槳葉的開度調整分為四檔速度，分別為高速、中速、低速和空載高速。具體控制波形圖如圖4所示。

3.2.1 高速檔的設計原理（高速跟進）

當機組負荷在穩定運行時，此時出現大范圍負荷波動（網頻低于49 Hz或者高于51 Hz），導葉將有大范圍開度變化，此時為了滿足機組快速負荷調整的目的，槳葉必須快速跟隨協聯給定值，此時，槳葉以設定的最高速度跟進，但為了保持增加和減少負荷的均衡性，槳葉限速為開關方向相同速度。導葉和槳葉的快速調整是機組接受最大負荷擾動的關鍵，也是快速穩定網頻的關鍵，它能夠在網頻大范圍波動的第一個半波迅速把網頻拉回，不至于網頻過低或過高導致機組解列停機。

圖4 凱樂塔2F負荷由11 MW突增至18 MW波形圖

3.2.2 低速檔設計原理（低速定槳）

設置低速定槳的目的有兩個：第一是減少槳葉在負荷調整過程中對導葉調整的干擾；第二是槳葉定槳在協聯開度較高的位置，增加承受電網波動的能力。在大范圍負荷波動時，機組可以通過導葉和槳葉的快速調整，迅速抑制網頻突變的第一個波頭，但抑制不是目的，穩定才是關鍵。穩定網頻的關鍵點是采取槳葉自動轉為低速調整的方式，近似于定槳運行。槳葉在改為低速運行時分為兩種不同的工況，當電網負荷突然降低時（例如Garafiri水電廠突然甩負荷），在頻率下降的第一個半波回到接近50Hz時，開始投入槳葉低速運行，此時位置處在協聯位置偏上，可以有效地增加接負荷的能力。當電網負荷突然減少時（電網某段線路突然跳閘），此時頻率上升的第一個半波槳葉以中速調整，不做處理，當頻率回升到50 Hz附近時，槳葉再采用低速運行方式。

3.2.3 中速檔設計原理（中速跟隨）

在正常運行時，為了滿足正常的增減負荷和小范圍的負荷波動的要求，槳葉不能一直處于高速模式，高速模式運行不穩定，也不能一直處于低速模式，低速模式槳葉調整速度慢，負荷增減速度也慢。我們設計了中速檔位，中速檔既能滿足穩定性的要求，又能滿足小范圍負荷波動的要求，同時在進入中速檔以后，槳葉開度會慢慢跟隨槳葉協聯給定值，避免因大負荷波動后造成的槳葉和槳葉協聯給定值不同步的現象，避免機組工作在非協聯區間。

3.2.4 空載高速檔設計原理（空載不限）

在空載位置，槳葉根據設計院設計的最大開關機速度進行運行，速度不受限制，可以有效滿足機組甩負荷和機組正常開停機的需要。

3.3 優化負載和孤網pid參數

調速器在孤網模式的bp參數和pid參數及其重要，它決定了調速器導葉開關的幅度、速度和孤網穩定的調節時間。國內調速器性能試驗只包含空載擾動實驗，不包含孤網運行下的負載擾動實驗。鑒于幾內亞電網的現狀及特殊要求，我們申請在凱樂塔電廠單機帶孤網的條件下做負載擾動實驗（見圖5），要求電網中只有凱樂塔電廠一臺機組發電，總負荷在50～60 MW之間，頻率擾動范圍在49～51 Hz，波動范圍在48～52 Hz，通過對調整速度及穩定時間進行pid最優選擇。最終確定調速器的最佳參數為bp=6%，kp=1.8，ki=0.14，kd=1.4。

3.4 加負荷采用分段定槳方式

為了使機組能夠承受最大負荷擾動，我們采用了四檔速度自動選擇模式。但機組在孤網的條件下啟動，負荷增加的初始階段容易使槳葉進入低速模式，這樣每次從零負荷增加到超越振動區負荷的時間比較長，對機組運行不利。因此，我們采用在機組導葉低于40%開度時，退出槳葉四檔速度判斷，而是根據槳葉協聯曲線采用分段定槳的方式，即在導葉分別開至15%、20%、30%，40%時，槳葉給定開度為10%、20%、30%、40%。此種方式既解決了前期加負荷過慢的問題，又能基本滿足協聯曲線的要求。當超過40%導葉開度后，投入槳葉四檔速度自動選擇模式，也可以滿足大范圍負荷波動的要求。

4 控制策略后的試驗效果

4.1 機組增減負荷速度加快，網頻穩定能力提高

孤網運行控制策略修改前，機組從開機起網頻一直處于波動狀態，機組不能有效的控制網頻波動，尤其在振動區，網頻波動幅值更大，最終導致機組解列停機，如圖6所示。

圖5 負載擾動波形圖

圖6 增加負荷時機組不穩定導致甩負荷

孤網運行控制策略修改后，機組加負荷平穩，網頻穩定能力增強，且加負荷速度快，能夠迅速通過振動區，整體效果提升顯著，如圖7所示。

圖7 控制策略修改后增加負荷情況

4.2 接負荷能力有了質的飛躍

孤網運行控制策略修改前，機組在振動區根本不具備接負荷的能力，一旦有5 MW以上的負荷波動就可能引起機組和電網的頻率震蕩。孤網控制策略采用四檔限速控制以后，接負荷能力有了質的提高，在實驗條件下，單機接負荷能力最大測試到15 MW（占單機容量的19.2%，如圖8），雙機接負荷能力運行中最大測試到38.3 MW（占雙機總容量的24.5%，如圖9）。在現場實際運行中，出現負荷波動的范圍更大，運用目前的控制策略，實際接負荷能力遠遠超過試驗時的范圍（2015年7月6日記錄，雙機接負荷能力占雙機總容量的38.7%，如圖10），對穩定幾內亞電網起到了關鍵作用。

4.3 負荷增減速度明顯加快

在控制策略修改前，機組并網以后，每次小的負荷沖擊都要經過很長一段時間的穩定，而且在機組振動區時很難穩定，一旦有大的負荷沖擊也容易解列停機。控制策略修改后，采用槳葉在振動區之前分段定槳的方式，使機組在低負荷時可以快速增加負荷，使其快速越過振動區。在振動區以后，槳葉控制采用四檔變速方式，有效應對大范圍負荷波動。這兩種方式相結合，使機組前期加負荷速度和后期接負荷能力都得到了明顯的提升。

圖8 遠方電廠甩負荷15 MW試驗波形圖

圖9 控制策略修改后雙機帶孤網負荷擾動38.3 MW曲線圖

圖10 控制策略修改后雙機帶孤網負荷擾動60.4 MW曲線圖

5 結論

幾內亞電網為典型的孤網運行方式，要求調速系統具有嚴格的靜態特性、良好的穩定性和動態響應特性，以保證在電網負荷變化時自動快速維持電網頻率穩定。經過對水輪機調速器孤網參數的優化和槳葉控制策略的創新，很好的解決了軸流轉槳式機組在孤網運行時增減負荷慢、運行不穩定、接負荷能力差等一系列問題，對孤網運行的適應能力取得了極大的改善和提高。凱樂塔水電站自投運以來良好的運行記錄和運行經驗表明，軸流轉槳式機組完全有能力滿足孤網運行時負荷增減、負荷沖擊、黑啟動、網頻穩定的要求。同時，凱樂塔電廠的成功投運，也為軸流轉槳式機組在大中型水電站孤網運行積累了寶貴的實踐經驗。

［1］魏守平.水輪機控制工程［M］.武漢：華中科技大學出版社，2005.

［2］魏守平.水輪機系統仿真［M］.武漢：華中科技大學出版社，2011.

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TK733+5

A

1672-5387（2016）10-0001-05

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.10.001

2016-05-04

李 杰（1985-），男，工程師，從事水輪機調速研發與調試工作。