水輪機(jī)調(diào)速器電氣開(kāi)限及水頭協(xié)聯(lián)機(jī)制研究

陳宇凡，翟玉杰，朱 斌

（三峽水力發(fā)電廠，湖北省宜昌市 443133）

0 引言

水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)，導(dǎo)葉一般應(yīng)根據(jù)水輪機(jī)出力限制線(xiàn)設(shè)定相應(yīng)水頭的開(kāi)度限制。水輪機(jī)出力限制線(xiàn)的意義是：考慮到水輪機(jī)在最大出力下運(yùn)行時(shí)，不可能按照正常調(diào)節(jié)規(guī)律實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)，同時(shí)當(dāng)機(jī)組在超過(guò)95%最大功率運(yùn)行時(shí)，流量增多也會(huì)導(dǎo)致水輪機(jī)水頭損失增加和效率下降，從而使得調(diào)速器對(duì)水輪機(jī)的調(diào)節(jié)性能變差[1]。最大開(kāi)度限制設(shè)定若與當(dāng)前水頭下機(jī)組能滿(mǎn)發(fā)的開(kāi)度相符，則機(jī)組既可以按要求發(fā)現(xiàn)，又不會(huì)出現(xiàn)過(guò)調(diào)風(fēng)險(xiǎn)[2]。如果水輪機(jī)開(kāi)度限制設(shè)置過(guò)大，當(dāng)上游水位高時(shí)，機(jī)組調(diào)整出力容易過(guò)負(fù)荷；當(dāng)水庫(kù)上游水位低時(shí)，易使水輪機(jī)的效率急劇下降，產(chǎn)生機(jī)組振動(dòng)。如果水輪機(jī)開(kāi)度限制偏小，則又限制了機(jī)組不能發(fā)出最大出力[3][4]。所以，應(yīng)根據(jù)水頭對(duì)導(dǎo)葉最大開(kāi)度限制進(jìn)行合理設(shè)置，保證水輪發(fā)電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)不影響水電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

某大型水電站機(jī)組調(diào)速器導(dǎo)葉開(kāi)限不實(shí)時(shí)跟蹤水頭問(wèn)題長(zhǎng)期存在，機(jī)組實(shí)際運(yùn)行水頭降低后，導(dǎo)葉開(kāi)限限制出力，此時(shí)為了滿(mǎn)足調(diào)度下發(fā)的負(fù)荷需求，只能由當(dāng)班運(yùn)行人員通過(guò)手動(dòng)方式增加機(jī)組電氣開(kāi)限，此種水頭與開(kāi)限協(xié)聯(lián)方式目前運(yùn)行良好，但若機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間并網(wǎng)則可能會(huì)需要運(yùn)行人員多次手動(dòng)修改機(jī)組開(kāi)限，這不僅不能體現(xiàn)機(jī)組出力限制線(xiàn)這一重要特性在實(shí)際運(yùn)行中的指導(dǎo)意義，同時(shí)也因頻繁的人工操作增加了機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)。為了解決該電站調(diào)速器導(dǎo)葉開(kāi)限不跟蹤水頭從而限制機(jī)組出力問(wèn)題，研究工作對(duì)幾種大型水電站常用的調(diào)速器電氣開(kāi)限及水頭協(xié)聯(lián)機(jī)制進(jìn)行詳述，并對(duì)各機(jī)制優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析，最終確定了該水電站機(jī)組調(diào)速器電氣開(kāi)限及水頭協(xié)聯(lián)機(jī)制優(yōu)化方案。

1 大型水電站常用電氣開(kāi)限與水頭協(xié)聯(lián)機(jī)制

1.1 開(kāi)限不實(shí)時(shí)跟蹤水頭流程

大型水電站水輪發(fā)電機(jī)組電氣開(kāi)限與水頭協(xié)聯(lián)關(guān)系之一為開(kāi)限不實(shí)時(shí)跟蹤水頭，其選擇邏輯如圖1所示，機(jī)組電氣開(kāi)限僅在負(fù)載態(tài)上升沿即機(jī)組并網(wǎng)瞬間將開(kāi)限通過(guò)當(dāng)前水頭查表進(jìn)行賦值，在機(jī)組正常運(yùn)行過(guò)程中，若要對(duì)機(jī)組開(kāi)限進(jìn)行改變，只能由運(yùn)行人員根據(jù)需求對(duì)機(jī)組開(kāi)限進(jìn)行手動(dòng)修改設(shè)定值，從而改變開(kāi)度限制對(duì)機(jī)組最大出力的限制。

查詢(xún)某電站機(jī)組2014～2016年運(yùn)行水頭歷史數(shù)據(jù)如圖2所示，可以觀察到該電站歷年水頭變化最快的階段為每年汛期開(kāi)始的5～6月之間，為滿(mǎn)足大壩防洪度汛要求，騰出足夠的防洪庫(kù)容，電站機(jī)組在一個(gè)月時(shí)間內(nèi)運(yùn)行水頭減小10m左右，水頭變化較大。

圖1 電氣開(kāi)限不實(shí)時(shí)跟蹤水頭流程Figure 1 The diagram of electrical opening limit not tracking the water head

圖2 某大型水電站2014～2016年水頭變化Figure 2 The water head of a large-scale hydropower station from 2014 to 2016

2018年5月2日，該電站機(jī)組開(kāi)機(jī)時(shí)機(jī)組水頭為96.4m，通過(guò)查表計(jì)算開(kāi)限為77.1%。5月2～16日期間，機(jī)組運(yùn)行水頭減少接近6.5m，而水頭90m時(shí)對(duì)應(yīng)的機(jī)組開(kāi)限應(yīng)為89.9%，但在這段時(shí)間內(nèi)該臺(tái)機(jī)組一直保持并網(wǎng)態(tài)，機(jī)組調(diào)速器電氣開(kāi)限將始終保持在機(jī)組并網(wǎng)時(shí)水頭的對(duì)應(yīng)開(kāi)限即77.1%不變，調(diào)速器開(kāi)限與當(dāng)前水頭不匹配，這必然導(dǎo)致機(jī)組不能滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行。最終處理方法是由運(yùn)行人員手動(dòng)將開(kāi)限調(diào)整至81.3%使得機(jī)組可滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行。在同時(shí)期該電站其他機(jī)組上也出現(xiàn)類(lèi)似的工況，說(shuō)明在調(diào)速器開(kāi)限不能跟蹤機(jī)組水頭變化的情況下，會(huì)出現(xiàn)因?qū)~開(kāi)限數(shù)值不合理導(dǎo)致機(jī)組無(wú)法滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行或機(jī)組水能利用率低的情況。

1.2 開(kāi)限實(shí)時(shí)跟蹤水頭

1.2.1 水頭變化超閾值時(shí)更新開(kāi)限

如圖3所示的是一種機(jī)組電氣開(kāi)限實(shí)時(shí)跟蹤水頭的協(xié)聯(lián)機(jī)制。該方法通過(guò)水頭查表的方式得到導(dǎo)葉開(kāi)限，并在機(jī)組進(jìn)入并網(wǎng)態(tài)或水頭變化超過(guò)0.2m時(shí)，將通過(guò)水頭查表得到的開(kāi)限值寫(xiě)入機(jī)組調(diào)速器程序作為導(dǎo)葉開(kāi)限值使用。這種開(kāi)限選擇方式能根據(jù)水頭變化進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，不需要人為干預(yù)。但運(yùn)行人員根據(jù)需求通過(guò)現(xiàn)地、遠(yuǎn)方手動(dòng)增加或減少導(dǎo)葉開(kāi)限后，當(dāng)機(jī)組水頭變化超過(guò)閾值時(shí)會(huì)再次將水頭查表得到的開(kāi)限值選為實(shí)際使用的開(kāi)限值，手動(dòng)設(shè)置的開(kāi)限值將被查表后的開(kāi)限值刷新，無(wú)法真正做到手動(dòng)對(duì)開(kāi)限進(jìn)行設(shè)置。

圖3 水頭變化超閾值更新開(kāi)限流程Figure 3 The diagram of electrical opening updating when water head changes over threshold

1.2.2 定時(shí)更新開(kāi)限

某大型水電站水頭較高（最大水頭229.4m，最小水頭154.6m），水頭變化幅度較大，水頭對(duì)機(jī)組轉(zhuǎn)矩影響較大。該電站目前采用間隔30min通過(guò)水頭計(jì)算并更新一次開(kāi)限的方案。通過(guò)對(duì)電氣開(kāi)限流程進(jìn)行分析不難得出，水頭信號(hào)的穩(wěn)定性對(duì)該種方式影響較大。如果出現(xiàn)機(jī)組負(fù)載態(tài)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，水頭產(chǎn)生跳變，那么根據(jù)機(jī)組調(diào)速器水頭處理流程，機(jī)組調(diào)速器將使用當(dāng)前閉鎖的較低水頭。若實(shí)際水頭正處于上升階段，則可能存在短時(shí)間內(nèi)因?qū)嶋H水頭偏高，調(diào)速器開(kāi)限設(shè)置過(guò)大而引起機(jī)組過(guò)速的風(fēng)險(xiǎn)。此工況一旦出現(xiàn)，其風(fēng)險(xiǎn)相較因開(kāi)限較小限制機(jī)組出力更大。

圖4 定時(shí)更新開(kāi)限流程Figure 4 The diagram of electrical opening limit updating on scheduled time

2 各運(yùn)行方式比較分析

上節(jié)中所描述各大型水電站所采用的電氣開(kāi)限與水頭協(xié)聯(lián)機(jī)制，可以分為開(kāi)限實(shí)時(shí)跟蹤水頭變化和開(kāi)限不實(shí)時(shí)跟蹤水頭變化兩類(lèi)，兩類(lèi)運(yùn)行方式各有優(yōu)缺點(diǎn)：

圖5 并網(wǎng)后開(kāi)限不實(shí)時(shí)跟蹤水頭優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)分析Figure 5 The advantages and disadvantages of whether or not the opening limit tracking the water head

（1）開(kāi)限不實(shí)時(shí)跟蹤水頭運(yùn)行方式：此種運(yùn)行方式僅在機(jī)組并網(wǎng)時(shí)自動(dòng)查表下發(fā)當(dāng)前水頭對(duì)應(yīng)開(kāi)限值，只要機(jī)組一直保持并網(wǎng)態(tài)，則導(dǎo)葉開(kāi)限不會(huì)自動(dòng)跟蹤水頭變化而改變。其優(yōu)點(diǎn)為機(jī)組水頭值跳變或波動(dòng)對(duì)導(dǎo)葉開(kāi)度限制沒(méi)有影響，同時(shí)運(yùn)行人員手動(dòng)方式具有更高優(yōu)先級(jí)，可根據(jù)需求對(duì)導(dǎo)葉開(kāi)限進(jìn)行修改，不受水頭實(shí)時(shí)值影響；其缺點(diǎn)為機(jī)組實(shí)際運(yùn)行水頭降低后，導(dǎo)葉開(kāi)限可能會(huì)限制機(jī)組出力，此時(shí)為了滿(mǎn)足調(diào)度下發(fā)的負(fù)荷需求，只能由當(dāng)班運(yùn)行人員通過(guò)手動(dòng)方式增加機(jī)組電氣開(kāi)限，若機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間并網(wǎng)則可能會(huì)需要運(yùn)行人員多次手動(dòng)修改機(jī)組開(kāi)限。

（2）開(kāi)限實(shí)時(shí)跟蹤水頭運(yùn)行方式：此種方式在機(jī)組并網(wǎng)期間，以水頭變化量或時(shí)長(zhǎng)設(shè)定值為閾值，超過(guò)閾值即進(jìn)行“開(kāi)限-水頭”查表，并將最新機(jī)組開(kāi)限值送入機(jī)組調(diào)速器程序中用于機(jī)組運(yùn)行控制。其優(yōu)點(diǎn)為機(jī)組導(dǎo)葉開(kāi)度限制自動(dòng)跟隨水頭的變化而調(diào)整，不會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)葉開(kāi)限限制機(jī)組出力的情況；其缺點(diǎn)為對(duì)機(jī)組水頭處理精度等要求較高，水頭數(shù)值的波動(dòng)對(duì)導(dǎo)葉開(kāi)度限制有直接影響，可能會(huì)因水頭值跳變、閉鎖等造成機(jī)組過(guò)負(fù)荷等運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

基于上述分析，決定對(duì)某大型水電站機(jī)組電氣開(kāi)限與水頭協(xié)聯(lián)機(jī)制進(jìn)行優(yōu)化如圖6所示，即在調(diào)速器電氣開(kāi)限選擇邏輯中加入手動(dòng)使能開(kāi)關(guān)，當(dāng)手動(dòng)使能功能投入時(shí)，機(jī)組保持當(dāng)前開(kāi)限值不變，但只能由運(yùn)行人員人工設(shè)定最新開(kāi)限值；當(dāng)手動(dòng)使能功能退出時(shí)，若水頭變化超過(guò)0.2m，將通過(guò)水頭查表得到的新開(kāi)限值寫(xiě)入機(jī)組調(diào)速器程序作為導(dǎo)葉開(kāi)限值使用。經(jīng)過(guò)改進(jìn)，新的開(kāi)限選擇方式能根據(jù)水頭變化對(duì)開(kāi)限進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，不需要人為干預(yù)。但在需要人工對(duì)機(jī)組導(dǎo)葉開(kāi)度限制進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，只需要投入手動(dòng)使能功能，即可讓運(yùn)行人員根據(jù)需求遠(yuǎn)方或現(xiàn)地增減機(jī)組開(kāi)限。

圖6 某大型水電站電氣開(kāi)限與水頭協(xié)聯(lián)機(jī)制改進(jìn)后流程Figure 6 The diagram of the electrical opening and water head assosication mechanism of the large-scale hydropower unit after improvement

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)某大型水電站導(dǎo)葉開(kāi)限不實(shí)時(shí)跟蹤水頭問(wèn)題，本文分析了其產(chǎn)生原因，并與其他大型水電站現(xiàn)有調(diào)速系統(tǒng)導(dǎo)葉開(kāi)限與水頭協(xié)聯(lián)機(jī)制進(jìn)行對(duì)比。在詳細(xì)分析了機(jī)組導(dǎo)葉開(kāi)限實(shí)時(shí)跟蹤和不實(shí)時(shí)跟蹤水頭的運(yùn)行方式的優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了符合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)要求的優(yōu)化方案。大型水輪機(jī)組電氣開(kāi)限與水頭協(xié)聯(lián)機(jī)制的研究能夠一定程度上優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行流程，保障水電站經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行。