水輪發(fā)電機(jī)組單管雙機(jī)干擾問題研究與應(yīng)用

劉 萌

（大唐石泉水力發(fā)電廠，陜西 石泉 725200）

1 石泉水輪發(fā)電機(jī)組概況

石泉水電廠位于漢江干流陜西省石泉縣縣城上游1 km的峽谷出口處，總裝機(jī)容量5×45 MW，機(jī)組為東方電機(jī)廠生產(chǎn)立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組，1號主廠房1-3號水輪發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量135 MW，于1975年底全部投產(chǎn)發(fā)電。石泉水電廠二期工程（即2號廠房4、5號機(jī)組）是在利用原石泉水電廠已建成的水利樞紐基礎(chǔ)上，在壩左岸增建引水隧洞,建成引水式岸邊廠房。工程裝有2臺東方電機(jī)股份公司生產(chǎn)的45 MW立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組，該工程2臺機(jī)組于1998年9月興建，于2000年9月19日、11月29日分別投產(chǎn)發(fā)電。其中4號、5號發(fā)電機(jī)采用一條引水管道供兩臺發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的結(jié)構(gòu)形式，由于兩臺機(jī)組共用一個(gè)引水管道，當(dāng)其中一臺機(jī)組開機(jī)、停機(jī)、調(diào)節(jié)負(fù)荷、事故停機(jī)時(shí)，會對另一臺發(fā)電機(jī)形成干擾，造成調(diào)速器抽動(dòng)、機(jī)組出力大幅度擺動(dòng)，最大功率波動(dòng)可達(dá)15%以上，波動(dòng)持續(xù)時(shí)間10 s～20 s，甚至引起發(fā)電機(jī)保護(hù)動(dòng)作，嚴(yán)重危及機(jī)組及電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1]。

針對這一問題，曾嘗試過用監(jiān)控系統(tǒng)AGC[2][3]來彌補(bǔ)水力擾動(dòng)引起的功率波動(dòng)，但未能解決，主要原因是監(jiān)控系統(tǒng)AGC為二次調(diào)節(jié)，屬于管理級控制范疇，其實(shí)時(shí)性與響應(yīng)速度無法保證，反而加劇了功率波動(dòng)，且調(diào)節(jié)過程不穩(wěn)定。

理想的方法是通過機(jī)組一次調(diào)節(jié)來彌補(bǔ)水力擾動(dòng)，以保證實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性與響應(yīng)速度，由于調(diào)速器是水輪機(jī)的一次調(diào)節(jié)設(shè)備，故通過調(diào)速器直接補(bǔ)償水輪機(jī)的水力擾動(dòng)是首選方案[4]。

為保證機(jī)組及電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，開展雙機(jī)干擾問題研究[5]。對4號、5號發(fā)電機(jī)調(diào)速器進(jìn)行改造，并利用實(shí)時(shí)采集的蝸殼水壓信號及綜合特性曲線的數(shù)據(jù)推算出導(dǎo)葉控制及功率限制參考量，調(diào)速器內(nèi)部程序中加入水壓—開度補(bǔ)償功能以消除功率波動(dòng)，加入功率限制和甩負(fù)荷標(biāo)記的功能，以消除機(jī)組間水力干擾影響，保證機(jī)組和電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，防止有功越上限和欠發(fā)情況的發(fā)生。

2 方案改造及工作原理

為保證機(jī)組及電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，對4、5號發(fā)電機(jī)調(diào)速器進(jìn)行改造，利用蝸殼壓力實(shí)時(shí)值監(jiān)測值作為參考，進(jìn)行導(dǎo)葉調(diào)節(jié)，并在調(diào)速器內(nèi)部程序中加入功率限制和甩負(fù)荷標(biāo)記功能，將兩臺發(fā)電機(jī)之間的相互的影響降低，保證機(jī)組和電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，防止出現(xiàn)超發(fā)和欠發(fā)的情況。

具體實(shí)施內(nèi)容為整體更換4號、5號發(fā)電機(jī)調(diào)速器電氣部分、機(jī)械部分、分段關(guān)閉閥，在調(diào)速器中加入水壓—開度補(bǔ)償功能，以消除功率波動(dòng)，保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.1 水輪機(jī)綜合特性曲線離散化

G4、G5的轉(zhuǎn)輪型號為LD260b-LJ-386，其對應(yīng)的綜合特性曲線見圖1，對該曲線進(jìn)行離散化，即以表格的形式反映相關(guān)物理參量，以便于輸入調(diào)速器的PLC控制器[6][7]。表1為離散化后的數(shù)表，其中，n1′為導(dǎo)葉開度、q1′為水輪機(jī)單位轉(zhuǎn)速、η為水輪機(jī)單位流量、為水輪機(jī)效率。

表1 水輪機(jī)單位流量及效率表

圖1 水輪機(jī)綜合特性曲線

2.2 調(diào)速器采集轉(zhuǎn)換

2.3 功率信號轉(zhuǎn)換

機(jī)組功率表達(dá)式為P=ρgQHη，其中，ρ為水的密度；g為重力加速度；Q為水輪機(jī)工作流量；H為水輪機(jī)工作水頭；η為機(jī)組效率。

2.4 目標(biāo)功率的確定

結(jié)合上述表達(dá)式與表格1，即可獲取目標(biāo)功率與開度及水壓的對應(yīng)關(guān)系。某臺機(jī)組在正常運(yùn)行過程中，具有一確定的目標(biāo)功率，若此時(shí)另一臺機(jī)組突然增減負(fù)荷，將產(chǎn)生機(jī)組內(nèi)部水壓波動(dòng)，調(diào)速器將根據(jù)變化的水壓、波動(dòng)前的目標(biāo)功率，通過埃爾米特插值計(jì)算出對應(yīng)的開度、開限，并保證差值曲線連續(xù)光滑。通過機(jī)械控制，導(dǎo)葉開度可迅速適應(yīng)水壓變化，即水壓變、開度也瞬時(shí)變，從而使機(jī)組功率始終維持在目標(biāo)功率，保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，避免了有功越上限和欠發(fā)情況的發(fā)生。

工程實(shí)施于2015年開展，電廠整體更換4號、5號發(fā)電機(jī)調(diào)速器的電氣部分、機(jī)械部分、分段關(guān)閉閥。在新更換的調(diào)速器PLC中加入水壓—開度補(bǔ)償功能，以消除功率波動(dòng)，保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，并在隨后的運(yùn)行過程中不斷根據(jù)反饋的壓力信息進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)。

3 技術(shù)改造后效果分析

通過對4號、5號發(fā)電機(jī)的調(diào)速器技術(shù)改造，提高了4號、5號發(fā)電機(jī)及電網(wǎng)運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性，確保了機(jī)組穩(wěn)定快速的開停機(jī)、并網(wǎng)及增減負(fù)荷，保障了機(jī)組的安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)行。自改造完成至今，無論是在日常運(yùn)行過程中，還是試驗(yàn)中，4號、5號發(fā)電機(jī)調(diào)速器都能快速穩(wěn)定機(jī)組負(fù)荷，也沒有發(fā)生過調(diào)速器抽動(dòng)的現(xiàn)象，目前已取得較為滿意的運(yùn)行效果。

4 結(jié)論

通過將水輪機(jī)綜合特性曲線離散化，進(jìn)行曲線差值，其物理參量以表格形式存入調(diào)速器PLC控制器，結(jié)合水輪機(jī)相似理論基本計(jì)算式，建立目標(biāo)功率、水壓、開度對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)機(jī)組出現(xiàn)水力擾動(dòng)時(shí)，根據(jù)水壓變化測量的實(shí)時(shí)壓力信息，調(diào)速器通過插值程序，立即得出目標(biāo)功率對應(yīng)的開度與開限，控制過程直接、迅速，有效地消除了機(jī)組間運(yùn)行時(shí)的水力干擾影響，保證機(jī)組和電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，避免了有功越上限和欠發(fā)的情況的發(fā)生。

后期的運(yùn)行中、試驗(yàn)中，將進(jìn)一步收集數(shù)據(jù)、積累資料，將此方法推廣至受同類問題困擾的機(jī)組運(yùn)行調(diào)度過程中，以提高發(fā)電過程中的穩(wěn)定性。