水電廠內(nèi)的優(yōu)化負(fù)荷分配

曾 進(jìn)，曾安四

(1．上海交通大學(xué)，上海 200240;2．通遼發(fā)電廠，內(nèi)蒙古 通遼 028011)

隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國電力工業(yè)已經(jīng)進(jìn)入多能源、高參數(shù)、大機(jī)組、大系統(tǒng)、智能化的新時(shí)代。大系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的顯著標(biāo)志之一是系統(tǒng)已經(jīng)從最初以小型發(fā)電機(jī)組供電為主的小系統(tǒng)發(fā)展成為以中型和大型發(fā)電機(jī)變壓器組、發(fā)電機(jī)變壓器線路組為主向系統(tǒng)供電的大系統(tǒng)［1］。電力生產(chǎn)管理，包括經(jīng)濟(jì)調(diào)度也應(yīng)該與大系統(tǒng)的生產(chǎn)方式相適應(yīng)。

1 動(dòng)力系統(tǒng)的能功特性

動(dòng)力系統(tǒng)是將各種不同形式的一次能源轉(zhuǎn)換成電能并輸送給電力用戶的大系統(tǒng)。GB3100—93系列標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各種能和能流量的計(jì)量單位做出了明確的規(guī)定。各種形式的一次能源和其轉(zhuǎn)換成的電能的法定計(jì)量單位都是J，而功率、有功功率、輻射功率、熱流量等的單位都是W，其實(shí)質(zhì)都是單位時(shí)間內(nèi)通過一個(gè)面的能量 (J/s)，可總稱為能流量。能量、能流量的統(tǒng)一法定計(jì)量單位是動(dòng)力系統(tǒng)加強(qiáng)生產(chǎn)管理的技術(shù)基礎(chǔ)。

數(shù)十年來，國內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度的目的僅限于在供應(yīng)同樣大小負(fù)荷有功功率的前提下，使單位時(shí)間內(nèi)的燃料消耗、總耗水量最少或燃料成本、綜合成本最?。?－5］。這種以物質(zhì)消耗最小為目標(biāo)的優(yōu)化負(fù)荷分配，僅為對(duì)經(jīng)濟(jì)調(diào)度所耗能量的初步認(rèn)識(shí)。

文獻(xiàn)［6］對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的能功特性進(jìn)行了詳細(xì)的分析。高效率發(fā)電、輸電是電力行業(yè)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目標(biāo)。發(fā)電設(shè)備系統(tǒng)有功功率經(jīng)濟(jì)調(diào)度的目的是在保證正常生產(chǎn)運(yùn)行的基礎(chǔ)上節(jié)約系統(tǒng)發(fā)電所消耗的能源，使上網(wǎng)供電效率達(dá)到其可能的最大值。文獻(xiàn)［1］提出了火力發(fā)電廠按組合上網(wǎng)功熱比(上網(wǎng)效率)最大進(jìn)行機(jī)組負(fù)荷分配的原理與計(jì)算方法。本文將以水力發(fā)電廠的組合上網(wǎng)功勢(shì)比(上網(wǎng)效率)最大為目標(biāo)進(jìn)行水力發(fā)電機(jī)組的優(yōu)化負(fù)荷分配。

2 水輪發(fā)電機(jī)組的上網(wǎng)能功特性

水是一種由氫、氧原子組成的物質(zhì)，有多種屬性可供人們利用。相對(duì)高處的水具有勢(shì)能，電力行業(yè)筑壩蓄水利用水的勢(shì)能發(fā)電。重力勢(shì)能的計(jì)算公式為水電廠耗水率沒有反映水的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換成電能的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系，不能作為與發(fā)出的電能相對(duì)應(yīng)的水的勢(shì)能消耗指標(biāo)。

表1 1號(hào)、2號(hào)水輪發(fā)電機(jī)組的上網(wǎng)能功特性

根據(jù)水勢(shì)能的計(jì)算公式，Ep=mgh，參照GB 3100—93中關(guān)于熱流量的定義，我們可以定義水的勢(shì) (能)能量φp為單位時(shí)間內(nèi)通過一個(gè)面的勢(shì)能，單位為kJ/s。水的勢(shì)流量的計(jì)算公式為

式中 ρ——水流的體積質(zhì)量，kg/m3;

qv——水流的體積流量，m3/s;

g——當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣龋话憧扇?.806 65 m/s2;

h——機(jī)組水頭，m。

和火力發(fā)電廠一樣，水輪發(fā)電機(jī)組接入系統(tǒng)也有以發(fā)電機(jī)組、發(fā)電機(jī)變壓器組和發(fā)電機(jī)變壓器線路組等3種基本接入方式。本文僅以發(fā)電機(jī)組接入系統(tǒng)為例來說明機(jī)組之間的優(yōu)化負(fù)荷分配。為此首先研究水輪發(fā)電機(jī)組的上網(wǎng)效率特性。

［2］得到某廠1號(hào)、2號(hào)水輪發(fā)電機(jī)組在某一水頭 (H=62.2 m)下的上網(wǎng)能功特性列于表1。表1中，發(fā)電機(jī)功率、效率為原試驗(yàn)值，廠用電率為補(bǔ)充增加項(xiàng)，其余量為計(jì)算數(shù)據(jù)。由于廠用電率的存在，使上網(wǎng)效率低于發(fā)電效率。

對(duì)于發(fā)電機(jī)變壓器組、發(fā)電機(jī)變壓器線路組，其上網(wǎng)效率會(huì)因主變壓器和一段線路損耗的存在而降低。

數(shù)十年來，我國電力行業(yè)一直把水電廠耗水率定義為水電廠每發(fā)1 kWh電能所需要的水量［7］，其單位為m3/(kWh)，計(jì)算式為水電廠耗水率=

3 水電廠內(nèi)水輪發(fā)電機(jī)組的優(yōu)化負(fù)荷分配

設(shè)水電廠有n臺(tái)機(jī)組，令Ph表示水電廠總給Ph)，求解各機(jī)組的負(fù)荷值，使得以下目標(biāo)函數(shù)取得最高值。即:

式中 φii——第i臺(tái)機(jī)組的勢(shì)流量，MJ/s;

Pis——第i臺(tái)機(jī)組的上網(wǎng)有功功率，MW;

ηs——機(jī)組組合工況的上網(wǎng)效率，%。

現(xiàn)以表1所示1號(hào)、2號(hào)水輪發(fā)電機(jī)組的上網(wǎng)效率特性為例來說明機(jī)組間的優(yōu)化負(fù)荷分配。

采用組合優(yōu)化法，以機(jī)組組合工況的總上網(wǎng)效率最高為目標(biāo)，得到1號(hào)、2號(hào)水輪發(fā)電機(jī)組組合優(yōu)化負(fù)荷分配表 (表2)。便于分析對(duì)比，表3列出1號(hào)、2號(hào)水輪發(fā)電機(jī)組組合最差負(fù)荷分配。

表2中，上網(wǎng)總效率的平均值為80.27%;表3中，上網(wǎng)總效率的平均值為79.12%。

由表2、表3可見，優(yōu)化組合分配負(fù)荷比最差組合分配負(fù)荷的平均效率高1.15%。

對(duì)于水輪發(fā)電機(jī)組，通過上網(wǎng)效率特性可以查到與該上網(wǎng)功率點(diǎn)相應(yīng)的勢(shì)流量、水流量，以調(diào)整負(fù)荷滿足電廠下游對(duì)水流量的需求。

以組合工況總效率最高作為優(yōu)化負(fù)荷分配目標(biāo)的優(yōu)化法不僅適用于水力發(fā)電系統(tǒng)、火力發(fā)電系統(tǒng)，對(duì)不同能源的電力系統(tǒng)都適用。組合工況總效率是建立在輸出與輸入量的基礎(chǔ)上，通過效率優(yōu)化得到的結(jié)論可以返回到輸出與輸入量的分析計(jì)算中，如煤耗、水耗、燃料成本和效益等。定負(fù)荷，Pi表示第i臺(tái)機(jī)組的負(fù)荷，已知各臺(tái)機(jī)組在同一水頭下的勢(shì) (流量)功 (率)特性和效率。水電廠調(diào)度的任務(wù)是合理分配機(jī)組間的負(fù)荷使水電廠的總效率最高。

水電廠內(nèi)機(jī)組之間的優(yōu)化負(fù)荷分配的目標(biāo)函數(shù)是在滿足水電廠總給定負(fù)荷的條件下

表2 1號(hào)、2號(hào)機(jī)組優(yōu)化負(fù)荷分配表

表3 1號(hào)、2號(hào)機(jī)組最差負(fù)荷分配表

4 水輪發(fā)電機(jī)組優(yōu)化負(fù)荷分配的在線實(shí)施

火力發(fā)電機(jī)組的上網(wǎng)能功特性通常是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的二次函數(shù)，當(dāng)設(shè)備系統(tǒng)的特性沒有重大改變時(shí)，這個(gè)二次函數(shù)也不會(huì)變。水輪發(fā)電機(jī)組的上網(wǎng)能功特性則不同，同一水輪發(fā)電機(jī)組在不同的水頭下、帶不同的負(fù)荷時(shí)有不同的上網(wǎng)能功特性。因?yàn)樗姀S的水頭經(jīng)常變化，因此，對(duì)于同一水輪發(fā)電機(jī)組需要測(cè)量不同水頭下的多組上網(wǎng)能功特性，以備優(yōu)化負(fù)荷分配。水輪發(fā)電機(jī)組的上網(wǎng)能功特性可以通過在線監(jiān)測(cè)得到。

水的勢(shì)流量的計(jì)算公式 (2)中，水流的體積質(zhì)量ρ通常取1 000 kg/m3;當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭可以通過測(cè)量得到或取9.806 65 m/s2;水流的體積流量qv，可以通過機(jī)組的水流量計(jì)讀取;機(jī)組水頭h可以通過測(cè)量水庫的水位計(jì)算得到。將上述數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，就可以得到水的勢(shì)流量φp。上網(wǎng)功率可以從現(xiàn)有的功率表讀取，將讀數(shù)輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)就可以顯示機(jī)組的上網(wǎng)效率。根據(jù)設(shè)計(jì)的優(yōu)化負(fù)荷分配方案，機(jī)組就可以自動(dòng)加減負(fù)荷，直到得到符合設(shè)計(jì)的優(yōu)化負(fù)荷分配方案為止。注意各表計(jì)的準(zhǔn)確度應(yīng)滿足監(jiān)測(cè)要求。

5 結(jié)論

a． 水輪發(fā)電機(jī)組將水的勢(shì)能轉(zhuǎn)換成電能，其上網(wǎng)能功特性是進(jìn)行機(jī)組之間的優(yōu)化負(fù)荷分配的基礎(chǔ)。

b． 采用組合優(yōu)化法，以組合工況總上網(wǎng)效率最高為目標(biāo)，可以實(shí)現(xiàn)水電廠內(nèi)機(jī)組之間的優(yōu)化負(fù)荷分配。

c． 以組合工況總上網(wǎng)效率最高為目標(biāo)的優(yōu)化法，不僅適用于水力發(fā)電系統(tǒng)、火力發(fā)電系統(tǒng)，而且對(duì)不同能源的電力系統(tǒng)都適用。

d． 水電機(jī)組的能功特性可以實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，機(jī)組之間的優(yōu)化負(fù)荷分配可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

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