石泉水電廠機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行的實(shí)踐

徐峰

摘 要：為提高機(jī)組運(yùn)行發(fā)電經(jīng)濟(jì)性水平，確保機(jī)組長周期的穩(wěn)定運(yùn)行，石泉水電廠積極探索機(jī)組運(yùn)行維護(hù)新思路，不斷在實(shí)踐中摸索、改善。運(yùn)用計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、機(jī)組在線監(jiān)測裝置、水調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)等高科技手段結(jié)合多年機(jī)組運(yùn)行參數(shù)總結(jié)、對比，全面分析查找影響機(jī)組指標(biāo)的因素，堅(jiān)持保安全、搶電量、提效率、降損耗，通過加強(qiáng)操作調(diào)整、量化指標(biāo)設(shè)定、優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行方式，使機(jī)組運(yùn)行指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)值的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)安全和電量效益雙贏。

關(guān)鍵詞：水電廠 機(jī)組 優(yōu)化運(yùn)行 實(shí)踐

中圖分類號：TV737 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）06（c）-0061-02

水輪發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)組利用無污染水能，具有發(fā)電成本低，機(jī)組啟動(dòng)快，增加負(fù)荷迅速，改變工況方便，可調(diào)節(jié)范圍廣等特點(diǎn)，適用承擔(dān)各種類型的系統(tǒng)負(fù)荷和擔(dān)任系統(tǒng)事故備用容量。近年隨著電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)更加合理，伴著經(jīng)濟(jì)水平的快速增長，工業(yè)、民用負(fù)荷日趨增高，對發(fā)電廠尤其具有調(diào)峰能力的水力發(fā)電廠要求更高。

石泉水電廠作為是漢江上游最早建設(shè)的大Ⅱ型水力發(fā)電廠和陜西電網(wǎng)調(diào)峰電廠之一，在汛期承擔(dān)系統(tǒng)基荷，非汛期承擔(dān)系統(tǒng)調(diào)峰和事故備用，是陜南電網(wǎng)主要電源支撐點(diǎn)之一。如何保證機(jī)組長周期的穩(wěn)定、延長機(jī)組運(yùn)行壽命、提高水能利用率，以達(dá)到企業(yè)效益最大化的目標(biāo)值得長期深入的研究和探索。

1 概述

1.1 石泉水電廠概述

石泉水電廠位于漢江上游石泉縣城西一公里處，是漢江上游最早建設(shè)的大Ⅱ型水力發(fā)電廠和陜西電網(wǎng)調(diào)峰電廠之一，兼有灌溉、防洪、發(fā)展?jié)O業(yè)等綜合利用效益。水庫控制流域面積2.34萬km2，屬不完全季調(diào)節(jié)，正常高水位410m，死水位395m。設(shè)計(jì)庫容4.7億m3，2011年3月實(shí)測庫容2.738億m3。電站大壩為混凝土空腹重力壩，壩高65m，壩頂高程416m，壩寬16m，壩長353m。電站廠房為壩后式，1號廠房安裝3臺4.5萬kw混流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量13.5萬kw；1998年又在下游尾水左岸安裝2臺4.5萬kw機(jī)組，為短洞引水岸邊式廠房，1洞2機(jī)，利用石泉大壩棄水發(fā)電，目前電站總裝機(jī)容量22.5萬kw。

1.2 主接線方式介紹

石泉水電廠機(jī)組編號1-5號水輪發(fā)電機(jī)組，主變壓器編號1-4號主變壓器，1-3號機(jī)組、變壓器為機(jī)變單元接線，單機(jī)帶主變；4、5號機(jī)組、4號主變壓器為擴(kuò)大單元接線，兩臺機(jī)共用一臺變壓器。發(fā)電機(jī)機(jī)端額定電壓10.5KV，主變壓器高壓側(cè)額定電壓110KV。正常方式下，1、3號主變壓器運(yùn)行于110KVI母，2、4號主變運(yùn)行于110KVII母，兩條110KV母線經(jīng)1100母聯(lián)開關(guān)聯(lián)絡(luò)運(yùn)行。110KV母線共有出線5回，分別通過漢中電網(wǎng)和安康電網(wǎng)接入主網(wǎng)運(yùn)行，其中石茶線、石洋線、石葛線接入漢中電網(wǎng)，石長線、石古線接入安康電網(wǎng)。正常方式下，石長線、石洋線運(yùn)行于110KVI母，石茶線、石古線、石葛線運(yùn)行于110KVII母。

正常情況下，石泉電廠1號廠房廠用電由3號主變經(jīng)21B廠高變帶，2號廠房廠用電由4號主變經(jīng)T41廠高變帶，1、2號廠房間設(shè)有廠聯(lián)開關(guān)，平時(shí)互為備用，1、2號機(jī)可在空載及并網(wǎng)狀態(tài)下均可經(jīng)22B廠高變帶1號廠房廠用電。

1.3 機(jī)組運(yùn)行特點(diǎn)

1-3號機(jī)于1975年投產(chǎn)發(fā)電，機(jī)組已運(yùn)行40年，過水部件汽蝕嚴(yán)重，導(dǎo)葉漏水量偏大，機(jī)組運(yùn)行期間振動(dòng)區(qū)較多，以1號機(jī)由為明顯，可調(diào)節(jié)能力差，2號機(jī)定子鐵芯水平振動(dòng)超標(biāo)。在歷年的機(jī)組檢修過程中，1-3號發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子均發(fā)現(xiàn)不同程度析出物，且1號發(fā)電機(jī)與2、3號機(jī)同等工況下比較，定子線圈溫度及空冷器熱風(fēng)溫度明顯偏高，高溫大負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，接近正常溫度極限。4、5號機(jī)運(yùn)行工況相對穩(wěn)定，但在30%-60%額定負(fù)荷區(qū)間，由于大軸補(bǔ)氣造成的機(jī)組振動(dòng)較大，可調(diào)節(jié)范圍小。

2011年11月19日1號機(jī)在運(yùn)行中，由于141號線棒下部壓齒與底部環(huán)板疲勞開焊，造成141號上層線棒絕緣擊穿接地，經(jīng)過臨修，更換了損壞的線棒。2007年11月-12月，2號機(jī)組大修中，對有匝間短路的25磁極線圈進(jìn)行了更換。經(jīng)陜西電力科學(xué)院對1-3號機(jī)進(jìn)行老化鑒定試驗(yàn)，結(jié)論為：整相繞組的介損，介損增量及電容增加率均未超過部頒標(biāo)準(zhǔn)，但局部放電量超過部頒標(biāo)準(zhǔn)，起始、熄滅電壓值較低?？梢哉J(rèn)為機(jī)組出現(xiàn)老化征兆，內(nèi)部有干枯、分層、少膠現(xiàn)象。

2 機(jī)組運(yùn)行方式優(yōu)化的提出

2.1 機(jī)組運(yùn)行優(yōu)化的概念

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率，提高水電機(jī)組安全運(yùn)行的水平。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]。

2.2 限制機(jī)組運(yùn)行方式的因素

（1）機(jī)組動(dòng)力特性（即耗水率）。（2）機(jī)組穩(wěn)定性特性。（3）電氣主接線及電力系統(tǒng)潮流控制要求。（4）對機(jī)組運(yùn)行方式的特殊要求。

3 機(jī)組運(yùn)行方式優(yōu)化的實(shí)踐運(yùn)用

石泉水電廠運(yùn)用計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、機(jī)組在線監(jiān)測裝置、水調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)等高科技手段結(jié)合多年機(jī)組運(yùn)行參數(shù)總結(jié)、對比，全面分析查找限制機(jī)組運(yùn)行方式因素的原因，通過加強(qiáng)操作調(diào)整、量化指標(biāo)設(shè)定，全面優(yōu)化水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行方式，使機(jī)組運(yùn)行指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)值的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)安全和電量效益雙贏。

3.1 依據(jù)機(jī)組動(dòng)力特性的不同，優(yōu)化運(yùn)行方式

對于水電站，水頭的高低對發(fā)電耗水率及機(jī)組出力影響很大，宜保持高水頭運(yùn)行，抬高運(yùn)行水頭可以減小水耗。石泉水電廠平均水頭42m，設(shè)計(jì)水頭39m，最大工作水頭47.5m，最小工作水頭26.3m，在設(shè)計(jì)水頭附近每增加或降低1m水頭，發(fā)電耗水率減小或增加0.2m3/kWh左右；水頭達(dá)到42m以上，機(jī)組出力最大為5.0萬kW。合理安排機(jī)組啟停順序，優(yōu)先安排相同工況下機(jī)組耗水率小的機(jī)組機(jī)組應(yīng)先開，盡量多運(yùn)行，以降低耗水率，增發(fā)電量。

（1）在設(shè)備系統(tǒng)無故障、水位正常的情況下，（35m～17m水頭下4、5號機(jī)耗水率比1～3號機(jī)耗水率小約0.12～0.22m3/kwh）。開機(jī)順序?yàn)?號機(jī)（5號機(jī)）—3號機(jī)—5號機(jī)（4號機(jī)）—2號機(jī)—1號機(jī)。

如表1、表2所示，以年平均水頭42m時(shí)，1-3號機(jī)耗水率為10.23 m3/kwh，4-5號機(jī)耗水率為10.08 m3/kwh，機(jī)組按額定出力運(yùn)行時(shí)計(jì)算：

機(jī)組運(yùn)行1天發(fā)電量：4.5*24=108萬kWh。

①1-3號機(jī)運(yùn)行1天耗水量為：發(fā)電量*耗水率=108*10.23=11048400 m3

②4-5號機(jī)運(yùn)行1天耗水量為：發(fā)電量*耗水率=108*10.08=10086400 m3

③耗水量相差：11086400-11048400=38000m3

④相同水頭下，4-5號機(jī)運(yùn)行比1-3號機(jī)運(yùn)行1天，可增發(fā)電量為：

耗水量/耗水率=38000/10.08≈3770 kwh

（2）由于1號機(jī)振動(dòng)區(qū)較多，運(yùn)行工況較差，調(diào)峰運(yùn)行時(shí)，安排1號機(jī)最后開，最后停，減少頻繁開、停機(jī)對工況相對較差機(jī)組的影響。

（3）兩臺及以上機(jī)組運(yùn)行時(shí)，盡可能滿足110KV，I母和II母至少各有一臺機(jī)組運(yùn)行，減輕一條母線故障時(shí)對機(jī)組出力和廠用電的影響，其中1、3號機(jī)運(yùn)行于110KVI母，2、4、5號機(jī)運(yùn)行于110KVII母。

（4）盡可能的維持高水位運(yùn)行，機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行（機(jī)組可銘牌出力運(yùn)行，工況穩(wěn)定，耗水率低）范圍為39～47.5m工作水頭，即上游水位在402～410m之間。

（5）機(jī)組的啟、停過程中，由于沒有并入電網(wǎng)，既不能送出有功電量，同時(shí)又要產(chǎn)生水耗。盡可能的縮短機(jī)組啟、停時(shí)間，縮短機(jī)組狀態(tài)（停機(jī)、空轉(zhuǎn)、空載、并網(wǎng)發(fā)電）轉(zhuǎn)換時(shí)間，以減少未與系統(tǒng)并列運(yùn)行時(shí)電耗和水耗。

3.2 依據(jù)機(jī)組穩(wěn)定特性不同，優(yōu)化運(yùn)行方式

石泉水電廠非汛期（每年11月-次年4月）主要承擔(dān)系統(tǒng)調(diào)峰和事故備用。調(diào)峰運(yùn)行時(shí)，受天氣及系統(tǒng)負(fù)荷需求影響，在高峰和低谷時(shí)，系統(tǒng)負(fù)荷變化大，開、停機(jī)頻繁。合理的優(yōu)化運(yùn)行方式，振動(dòng)、汽蝕嚴(yán)重的機(jī)組應(yīng)盡量少運(yùn)行，尤其應(yīng)避開強(qiáng)振區(qū)，同時(shí)盡量減少機(jī)組的頻繁開、停，見表1。頻繁停機(jī)或開機(jī)將會增加機(jī)組開關(guān)的跳合頻率，也會縮短機(jī)組開關(guān)的實(shí)際使用壽命。

（1）加強(qiáng)與調(diào)度的溝通，對短時(shí)的負(fù)荷限制，盡量申請旋轉(zhuǎn)備用，減少機(jī)組啟、停次數(shù)。

（2）運(yùn)用發(fā)電負(fù)荷調(diào)度系統(tǒng)和水調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)，進(jìn)行系統(tǒng)負(fù)荷和水情預(yù)測，科學(xué)的定發(fā)電量計(jì)劃，合理制安排不同時(shí)段機(jī)組運(yùn)行臺數(shù)。根據(jù)當(dāng)天發(fā)電計(jì)劃安排，早晚高峰多申請機(jī)組運(yùn)行，搶發(fā)電量；夜間低谷時(shí)段申請機(jī)組全停，回蓄水位，抬高機(jī)組運(yùn)行水頭，提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

（3）根據(jù)省調(diào)下達(dá)的全廠總負(fù)荷，結(jié)合當(dāng)前水頭情況，按兼顧穩(wěn)定和效率的原則，進(jìn)行各臺機(jī)組間負(fù)荷的最優(yōu)分配，盡可能保持各機(jī)組在高效率區(qū)和穩(wěn)定工況區(qū)運(yùn)行，避免機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行。

（4）負(fù)荷調(diào)整過程，要縮短機(jī)組穿越振動(dòng)區(qū)時(shí)間和減少穿越振動(dòng)區(qū)次數(shù)，嚴(yán)禁機(jī)組在振動(dòng)區(qū)運(yùn)行，避免機(jī)組在0～30MW區(qū)間運(yùn)行，加強(qiáng)對機(jī)組在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實(shí)施監(jiān)控、對比。

3.3 依據(jù)電氣主接線及電力系統(tǒng)潮流控制要求，優(yōu)化運(yùn)行方式

石泉水電廠5條110KV出線中，接入漢中網(wǎng)的石茶線、石洋線、石葛線同5臺機(jī)組電氣量（負(fù)荷、電流）引入穩(wěn)控裝置，運(yùn)行過程中需滿足系統(tǒng)穩(wěn)定控制要求。接入安康網(wǎng)的石長線、石古線正常方式下為直饋線，且石古線通常帶有鐵路機(jī)車牽引變，沿線并入地方小水電較多，豐水期線路倒送有功、無功負(fù)荷較重，嚴(yán)重影響機(jī)組出力。陜西東南部電網(wǎng)樞紐線路硤漢三回線在冬、夏兩季負(fù)荷較重且潮流變化頻繁，且線路穩(wěn)定極限為82萬千瓦。為確保電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，滿足系統(tǒng)潮流有不同的要求，需對機(jī)組運(yùn)行方式進(jìn)行合理、機(jī)動(dòng)、靈活的安排。

（1）針對石茶線、石洋線、石葛線負(fù)荷潮流變化，在滿足出線有功負(fù)荷和電流不超過穩(wěn)定極限前提下，合理安排機(jī)組運(yùn)行臺數(shù)，適當(dāng)提高單機(jī)負(fù)荷，避免機(jī)組帶備用容量運(yùn)行，減少水耗，合理進(jìn)行負(fù)荷分配，盡量減小流過母聯(lián)開關(guān)電流。

（2）石泉水電廠穩(wěn)控裝置過載切機(jī)設(shè)定最多切除三臺運(yùn)行且出力最大機(jī)組。在5機(jī)滿發(fā)，漢中網(wǎng)三條線路均接近滿載運(yùn)行情況下，2號機(jī)、4號機(jī)（或5號機(jī)）負(fù)荷安排應(yīng)略小于（0.5MW）其他三臺機(jī)組，且將切機(jī)壓板打開，以保證線路過載切機(jī)時(shí)廠用系統(tǒng)的安全可靠。

（3）加強(qiáng)與調(diào)度的溝通，避免系統(tǒng)倒送對出力的影響，無功倒送，系統(tǒng)電壓高時(shí)，避免機(jī)組進(jìn)行運(yùn)行，盡可能不參與系統(tǒng)調(diào)壓。

（4）及時(shí)了解系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線（硤漢三回線）負(fù)荷潮流變化情況，汛期大發(fā)電期間，及時(shí)申請?jiān)黾訖C(jī)組出力，確保機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行，盡量減少出力受限的影響。

3.5 根據(jù)特殊要求的特點(diǎn)，優(yōu)化運(yùn)行方式

影響機(jī)組運(yùn)行方式的特殊情況一般指廠用電方式特殊時(shí)、汛期大發(fā)電期間、攔污柵壓差異常時(shí)。合理的安排特殊要求下的機(jī)組運(yùn)行方式，對廠用電系統(tǒng)和機(jī)組本身運(yùn)行期間的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)尤為重要。

（1）單機(jī)帶廠用電運(yùn)行期間，盡量避免負(fù)荷調(diào)整，定子電壓已保證廠用系統(tǒng)電壓穩(wěn)定、合格為前提進(jìn)行調(diào)整，解除系統(tǒng)對機(jī)組控制權(quán)（AGC退出），穩(wěn)控裝置切機(jī)壓板嚴(yán)禁投入。

（2）機(jī)組汛期大發(fā)電期間，嚴(yán)格按照機(jī)組水頭、出力對照表運(yùn)行，根據(jù)水頭變化，及時(shí)增加機(jī)組出力，搶發(fā)電量。

（3）洪汛期間，嚴(yán)密監(jiān)視機(jī)組進(jìn)水口攔污柵壓差變化，堅(jiān)持開機(jī)清浮渣、停機(jī)撈沉渣，確保1、2號進(jìn)水口壓差最小。泄洪期間，通過調(diào)整閘門運(yùn)行方式（至少保證有一個(gè)中孔運(yùn)行），聯(lián)系調(diào)度臨時(shí)停機(jī)30min，利用泄洪水流降低壓差。非泄洪期間，采用聯(lián)系調(diào)度停機(jī)進(jìn)行反沖的方式降低壓差。

4 石泉水電廠機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行效益評價(jià)

4.1 安全效益

見表2，是石泉水電廠2010年-2014年影響出力的主設(shè)備缺陷的統(tǒng)計(jì)結(jié)果?？梢钥闯?，通過機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行的實(shí)踐運(yùn)用，自2010年-2014年，影響出力的主設(shè)備缺陷成逐年明顯下降趨勢。表明其設(shè)備運(yùn)行的可靠性大大加強(qiáng)，截至2015年5月30日，石泉水電廠實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)無事故4776d，保持了長周期的安全生產(chǎn)態(tài)勢。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益

見表3，是石泉水電廠2011年-2014年機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行增發(fā)電量及經(jīng)濟(jì)效益統(tǒng)計(jì)。2011年至2014年，通過抬高水頭、實(shí)施水位動(dòng)態(tài)控制、機(jī)組出力、水頭對標(biāo)等手段，4年累計(jì)增發(fā)電量39272.92萬kWh，創(chuàng)造額外效益8640.0424萬元。

5 結(jié)語

在適應(yīng)新形勢的同時(shí)，又要力爭企業(yè)自身利益的最大化，石泉水電廠不斷在探索中實(shí)踐。根據(jù)機(jī)組設(shè)計(jì)參數(shù)，開展機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)的試驗(yàn)和研究，找出機(jī)組運(yùn)行規(guī)律，全面分析查找影響機(jī)組指標(biāo)的因素，編制《機(jī)組運(yùn)行優(yōu)化實(shí)施細(xì)則》，對機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行提供詳細(xì)的技術(shù)指導(dǎo)。認(rèn)真開展機(jī)組軸電壓、擺度、振動(dòng)值測量等定期工作，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)調(diào)整機(jī)組工況，保證機(jī)組在最優(yōu)工況運(yùn)行。流域行洪期，在保證機(jī)組滿發(fā)的基礎(chǔ)上，嚴(yán)格按照《機(jī)組水頭出力對照表》優(yōu)化機(jī)組出力能力。重點(diǎn)關(guān)注進(jìn)水口壓差變化趨勢，深入開展清渣工作，有效降低了機(jī)組攔污柵壓差，提高了機(jī)組運(yùn)行水頭，降低耗水率，最大化向電網(wǎng)輸送電能，實(shí)現(xiàn)了實(shí)現(xiàn)安全和電量效益雙贏。

參考文獻(xiàn)

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