水電機(jī)組運(yùn)行優(yōu)化分析

林 繁

（四川省紫坪鋪開發(fā)有限責(zé)任公司，四川 成都610091）

0 引言

隨著我國西電東送、全國聯(lián)網(wǎng)以及南北互供等工程的實(shí)施，我國水電機(jī)組自身的運(yùn)行方式也在不斷發(fā)生變化。優(yōu)化水電機(jī)組的運(yùn)行方式，提高水電機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性，成為了現(xiàn)階段我國相關(guān)工作人員的重要研究課題。就目前情況而言，我國水電機(jī)組自動(dòng)化技術(shù)有了一定程度的發(fā)展，但還有待改善。

1 水電機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行的相關(guān)概念

水電機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行指的是在保證水電站穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上，利用機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行手段與優(yōu)化運(yùn)行狀態(tài)等，全面提升水電能源的利用效率，提高水電機(jī)組安全運(yùn)行的水平。因?yàn)樗姍C(jī)組運(yùn)行屬于一個(gè)非線性、高維數(shù)的問題，特別是在水電站中機(jī)組數(shù)偏多且機(jī)組動(dòng)力特性并不相同的情況下，水電機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行顯得尤為復(fù)雜。通常情況下，以最少的發(fā)電耗水量作為優(yōu)化準(zhǔn)則，然而只是關(guān)注發(fā)電耗水量并不能完全降低水電機(jī)組的運(yùn)行成本。長(zhǎng)此以往，在考慮電網(wǎng)運(yùn)行安全的基礎(chǔ)上，忽視了水電機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性，在低谷時(shí)段往往會(huì)出現(xiàn)低負(fù)荷運(yùn)行問題，使水電機(jī)組擺度增大，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪汽蝕更加嚴(yán)重，水導(dǎo)軸承發(fā)生嚴(yán)重磨損［1］。

2 限制水電機(jī)組運(yùn)行方式的因素

為進(jìn)一步提升水電機(jī)組的安全運(yùn)行水平與水能利用效率，分析限制水電機(jī)組運(yùn)行方式的因素如下：（1）水電機(jī)組動(dòng)力來源是水能，然而水資源并不是取之不盡、用之不竭的資源。如何使有限的水資源產(chǎn)生更多的電能，是我國電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的主要課題。（2）水電廠水庫的主要作用是蓄水發(fā)電，同時(shí)也起到供水、灌溉、航運(yùn)以及防洪等作用，所以，水電廠的水庫調(diào)節(jié)是一個(gè)系統(tǒng)、復(fù)雜的問題。（3）水電機(jī)組運(yùn)行方式需要按照電網(wǎng)中事故備用、調(diào)峰以及調(diào)頻這3個(gè)方面的具體要求來安排。（4）和火電機(jī)組相比較，水電機(jī)組調(diào)節(jié)的靈活性較強(qiáng)，然而還是存在著振動(dòng)區(qū)、汽蝕區(qū)等限制性條件［2］。

3 水電機(jī)組自動(dòng)化技術(shù)的實(shí)際發(fā)展情況

水電站機(jī)組的自動(dòng)化系統(tǒng)能夠滿足社會(huì)對(duì)高質(zhì)量電能的市場(chǎng)需求，提高了發(fā)電效率與電能質(zhì)量，也實(shí)現(xiàn)了水電機(jī)組的自動(dòng)化管理。我國水電機(jī)組自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展歷程如下：1955年，官廳水電站建立，這是我國水電機(jī)組自動(dòng)化技術(shù)的起步；20世紀(jì)80年代后，出現(xiàn)了葛洲壩以及富春江等主要試點(diǎn)；花了20年的時(shí)間建立了大中型水電站，并對(duì)傳統(tǒng)水電站進(jìn)行了改造。在我國，以計(jì)算機(jī)監(jiān)控為基礎(chǔ)的自動(dòng)化系統(tǒng)是整個(gè)水電機(jī)組自動(dòng)化、智能化技術(shù)的主要發(fā)展目標(biāo)之一。此外，水電機(jī)組的維修技術(shù)對(duì)水電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行也產(chǎn)生了一定程度的影響。因此在實(shí)際的工作過程中，需要不斷優(yōu)化水電機(jī)組的運(yùn)行方式，同時(shí)也需要改進(jìn)機(jī)組的維修技術(shù)。下文針對(duì)水電機(jī)組的優(yōu)化運(yùn)行措施進(jìn)行重點(diǎn)分析。

4 水電機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行措施

4．1 AGC機(jī)組的優(yōu)化運(yùn)行

水電廠運(yùn)行方式主要由水庫的實(shí)際調(diào)節(jié)容量決定，可以分為長(zhǎng)期調(diào)節(jié)水庫的水電廠與短期調(diào)節(jié)水庫的水電廠。（1）長(zhǎng)期調(diào)節(jié)水庫的水電機(jī)組運(yùn)行方式主要針對(duì)能夠長(zhǎng)期對(duì)水庫進(jìn)行調(diào)節(jié)的水電廠，其目的在于防止或減少廢水，同時(shí)還能夠保障水電廠的正常發(fā)電、灌溉與航運(yùn)等。其主要任務(wù)是在對(duì)全年來水量進(jìn)行預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，合理安排全年發(fā)電量，按照每個(gè)月的實(shí)際來水情況，根據(jù)水庫其他功能要求合理安排月度發(fā)電量和運(yùn)行方式等。（2）短期進(jìn)行調(diào)節(jié)的水電廠，機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行主要依據(jù)的是：預(yù)測(cè)具備短期調(diào)節(jié)性能的水電廠的具體來水量；估算每日負(fù)荷；水電機(jī)組以及火電機(jī)組的檢修；在長(zhǎng)期運(yùn)行方式下，對(duì)短期運(yùn)行耗水量或是發(fā)電量進(jìn)行合理分配［3］。

4．2 水電廠機(jī)組的負(fù)荷分配

（1）優(yōu)化水電機(jī)組的組合。在按照水耗微增率對(duì)機(jī)組功率進(jìn)行分配的過程中，整個(gè)發(fā)電廠耗水量最少。在水電機(jī)組型號(hào)與容量相同的情況下，水耗微增率的特點(diǎn)相同。因此，水電機(jī)組功率可以按照相同的比例進(jìn)行分配，以此提高發(fā)電廠的經(jīng)濟(jì)效益。假設(shè)水電機(jī)組的水耗微增率并不相同，首選高效率機(jī)組。假設(shè)同時(shí)將多臺(tái)水電機(jī)組投入工作，就需要根據(jù)等微增率的原則，對(duì)這些正在工作的水電機(jī)組平均分配負(fù)荷，以此提高水電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行效率，建立最優(yōu)化數(shù)據(jù)模型，全面控制水電機(jī)組的發(fā)電成本，減少水電機(jī)組的運(yùn)行損失［3］。

（2）水電機(jī)組開機(jī)與停機(jī)。在實(shí)際工作過程中，機(jī)組間經(jīng)常出現(xiàn)停機(jī)或是開機(jī)的情況，這對(duì)水電機(jī)組的安全運(yùn)行產(chǎn)生了不利影響，同時(shí)也違反了相關(guān)的操作規(guī)程。頻繁停機(jī)或開機(jī)將會(huì)增加水電機(jī)組開關(guān)的跳合頻率，也會(huì)縮短機(jī)組開關(guān)的實(shí)際使用壽命。因此，在優(yōu)化組合水電機(jī)組過程中，需要充分考慮到水電機(jī)組的停機(jī)與開機(jī)頻率。如果發(fā)生了系統(tǒng)負(fù)荷增加等問題，就需要及時(shí)轉(zhuǎn)換至發(fā)電狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)負(fù)荷的相對(duì)平衡［4］。

（3）加強(qiáng)水電廠調(diào)節(jié)性能的主要方式：1）準(zhǔn)確預(yù)測(cè)電力系統(tǒng)每日的負(fù)荷量，在峰負(fù)荷前，合理讓出發(fā)電容量，以保障電能在負(fù)荷快速升高狀態(tài)下的頻率質(zhì)量。2）從耗水量角度分析，水電機(jī)組的功率需要按照等微增率進(jìn)行分配。在機(jī)組型號(hào)相同的情況下，水耗微增率相同［5］。

（4）按照電廠的工作任務(wù)將水電機(jī)組的 運(yùn)行方式分為3種：發(fā)電、調(diào)頻與調(diào)峰；調(diào)相；旋轉(zhuǎn)備用。

1）發(fā)電、調(diào)頻與調(diào)峰：針對(duì)發(fā)電、調(diào)頻以及調(diào)峰的運(yùn)行方式，可以利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法，設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)規(guī)劃推算模型，計(jì)算出水電機(jī)組的出力，分析水電機(jī)組的負(fù)荷動(dòng)態(tài)最優(yōu)分配方式和最優(yōu)的機(jī)組組合方式。

2）調(diào)相運(yùn)行：在對(duì)水電機(jī)組進(jìn)行調(diào)相的過程中，需要將導(dǎo)葉關(guān)閉，依靠電網(wǎng)的反送有功功率來驅(qū)動(dòng)本機(jī)組的旋轉(zhuǎn)，同時(shí)轉(zhuǎn)輪在水中調(diào)相吸收的電網(wǎng)有功為10 MW左右，轉(zhuǎn)成壓水調(diào)相后，吸收電網(wǎng)有功為2 MW左右。在水中進(jìn)行調(diào)相的過程中，機(jī)組的振動(dòng)與擺度均比較大，容易出現(xiàn)水力自激振動(dòng)的問題，對(duì)水電機(jī)組的穩(wěn)定、安全運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重影響，因此需要快速完成過渡過程［6］。

3）旋轉(zhuǎn)備用：水電機(jī)組在低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下，其擺動(dòng)幅度與振動(dòng)均比較大，且隨著系統(tǒng)潮流的不斷調(diào)整，水電機(jī)組在短期內(nèi)會(huì)出現(xiàn)大幅度的調(diào)整，且調(diào)整次數(shù)較多，這種運(yùn)行方式使得水電機(jī)組的工作效率不斷下降，對(duì)機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生了嚴(yán)重影響，同時(shí)增加了設(shè)備的維修成本，因此旋轉(zhuǎn)備用機(jī)組需要采取以下運(yùn)行方式：把帶負(fù)荷旋轉(zhuǎn)的備用機(jī)組中的負(fù)荷集中安排給負(fù)荷最小的機(jī)組，并對(duì)其他機(jī)組進(jìn)行調(diào)相［7］。

5 結(jié)語

綜上所述，隨著社會(huì)現(xiàn)代化發(fā)展進(jìn)程的不斷加快，人們對(duì)水電站的自動(dòng)化運(yùn)行提出了更高層次的要求。實(shí)現(xiàn)水電機(jī)組的自動(dòng)化運(yùn)行與監(jiān)控，是水電站今后自動(dòng)化管理的主要發(fā)展趨勢(shì)，也是科學(xué)技術(shù)日益進(jìn)步的表現(xiàn)，更是水電站得以生存與發(fā)展的具體要求。

［1］朱永法，陳彩香，鄧一飛．水電機(jī)組振動(dòng)故障的智能診斷方法研究［J］．華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，10（21）

［2］傅先蘭，姜連英，宿麗麗．火電機(jī)組運(yùn)行指標(biāo)監(jiān)管系統(tǒng)的研究與開發(fā)［J］．西南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：社會(huì)科學(xué)版，2014，3（1）

［3］孫健敏，穆桂斌．?dāng)?shù)據(jù)挖掘技術(shù)在火電廠優(yōu)化運(yùn)行中的應(yīng)用芻議［J］．呼倫貝爾學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，13（8）

［4］高明，湯茂林，吳先華．火電機(jī)組運(yùn)行優(yōu)化系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用［J］．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2013，10（1）

［5］韓炎，王秀麗，杜娟娟．豐滿發(fā)電廠水電機(jī)組運(yùn)行方式優(yōu)化研究［J］．科學(xué)中國人，2011，21（7）

［6］高守平，胡山泉，劉建國．基于蟻群算法和變角相似關(guān)系的泵站優(yōu)化運(yùn)行研究［J］．廣東培正學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，22（9）

［7］周文章，文國瑋，劉淑英．火電機(jī)組節(jié)能在線分析與智能運(yùn)行優(yōu)化方法研究［J］．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2013，2（11）