優(yōu)化低負荷段協(xié)聯(lián)參數(shù)改善燈泡貫流式水電機組性能

王 培， 岳 青 松， 楊 立 勇， 徐 學 海

(中國華電集團公司四川寶珠寺水力發(fā)電廠，四川 廣元 628003)

水電技術(shù)

優(yōu)化低負荷段協(xié)聯(lián)參數(shù)改善燈泡貫流式水電機組性能

王 培， 岳 青 松， 楊 立 勇， 徐 學 海

(中國華電集團公司四川寶珠寺水力發(fā)電廠，四川 廣元 628003)

燈泡貫流式機組的協(xié)聯(lián)曲線直接影響到水輪機運行效率和穩(wěn)定性。制造廠提供的協(xié)聯(lián)參數(shù)固然是重要的參考，但需要經(jīng)過現(xiàn)場試驗驗證。本文對紫蘭壩電站1F機組協(xié)聯(lián)參數(shù)進行優(yōu)化，優(yōu)化后不僅滿足了一次調(diào)頻性能的要求，而且改善了機組的穩(wěn)定性，提高了水輪機組的發(fā)電效率，在實際運行過程中，機組發(fā)電效率平均提高達4.5%，為電廠取得了良好的經(jīng)濟效益。

燈泡貫流式機組；調(diào)速器試驗；協(xié)聯(lián)參數(shù)優(yōu)化；性能改善

0 引 言

紫蘭壩水電站位于四川省廣元市寶輪鎮(zhèn)，安裝有3臺單機容量34 MW的燈泡貫流式水輪發(fā)電機組，總裝機102 MW，年設計平均發(fā)電量4.41億kWh，自2006年投產(chǎn)以來沒有進行一次調(diào)頻試驗。2016年4月1F機組大修時進行了調(diào)速器電氣柜的更換，其后開展的一次調(diào)頻試驗中發(fā)現(xiàn)在調(diào)速器系統(tǒng)施加階躍頻率偏差信號時，發(fā)現(xiàn)有功功率向上、向下調(diào)節(jié)的幅度不一致，無法完成一次調(diào)頻試驗；同時，在低負荷過程中機組運行工況較差。

筆者對燈泡貫流式機組一次調(diào)頻試驗中遇到的問題進行分析，發(fā)現(xiàn)協(xié)聯(lián)參數(shù)的設置對一次調(diào)頻性能有很大影響。通過現(xiàn)場試驗獲得優(yōu)化的協(xié)聯(lián)參數(shù)，協(xié)聯(lián)參數(shù)優(yōu)化后不僅保證了一次調(diào)頻試驗的順利完成，而且提高了機組運行的穩(wěn)定性和水輪機效率，提升了企業(yè)的經(jīng)濟性。

1 一次調(diào)頻和協(xié)聯(lián)參數(shù)

電力系統(tǒng)供電頻率是電能質(zhì)量的重要指標，發(fā)電機組一次調(diào)頻可以在電網(wǎng)發(fā)生大負荷變化時快速地提供功率支援，削弱由于電網(wǎng)負荷變化引起的頻率波動，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。水輪發(fā)電機組的一次調(diào)頻功能通過調(diào)速器實現(xiàn)，微機型調(diào)速器不同的參數(shù)設置對一次調(diào)頻性能影響較大，若設置不當，甚至可能導致無法滿足一次調(diào)頻的要求[1,2]。

紫蘭壩水電站選用的燈泡貫流式水輪機，其調(diào)速器具有調(diào)節(jié)導葉和輪葉的雙重功能，使輪葉開度和導葉開度隨機組負荷的增減而變化。輪葉開度和導葉開度具有一定的協(xié)聯(lián)關(guān)系，且在不同水頭下的協(xié)聯(lián)關(guān)系還不盡相同。為了保證機組運行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性，應當使水輪機在協(xié)聯(lián)工況下運行。一般情況下協(xié)聯(lián)曲線由水輪機制造廠家提供，但是否合適還需根據(jù)實際情況進行驗證和優(yōu)化，以獲得理想的運行效果和經(jīng)濟效益[3,4]。

2 問題的提出

2016年7月16日，對紫蘭壩電站1F機組更換后的調(diào)速器電氣柜進行一次調(diào)頻試驗。在“開度模式”“自動”“遠方”運行條件下進行試驗(1F機組水頭為18 m)，試驗結(jié)果如表1所示，手動設置一次調(diào)頻開度限制值為2.1%，調(diào)節(jié)機組目標有功功率至20 MW時(導葉開度為60%)，對調(diào)速器系統(tǒng)施加+0.25Hz階躍頻率偏差信號，有功功率變化為機組額定容量的10%；但對調(diào)速器系統(tǒng)施加-0.25 Hz階躍頻率偏差信號，有功功率變化為機組額定容量的6%，有功功率變化量不一致且差別較大。為了獲得合適的一次調(diào)頻開度限制值，在試驗中將一次調(diào)頻開度限制值由2.1%降低至1.6%，施加±0.25 Hz階躍頻率偏差信號后，有功功率變化分別為14%與10%，有功功率變化量均有增大，但兩者數(shù)值仍相差較大，且有功功率變化為14%，這一數(shù)值已經(jīng)超出一次調(diào)頻技術(shù)指標中關(guān)于一次調(diào)頻的負荷調(diào)整限幅為機組額定容量的±10%的參數(shù)要求。另外由于同一水頭下一次調(diào)頻開度限制值應一致，因此在試驗中無法設置合適的開度限制值，使有功功率上下調(diào)節(jié)幅度都在額定容量的10%左右，進而無法完成一次調(diào)頻試驗。

表1 優(yōu)化前一次調(diào)頻試驗中的有功功率變化

3 分析及對策

紫蘭壩1F機組協(xié)聯(lián)參數(shù)由原機組制造廠家提供，調(diào)速器的參數(shù)參照設置，投產(chǎn)以來未試驗其合理性；在一次調(diào)頻試驗中出現(xiàn)了有功功率向上、向下調(diào)節(jié)幅度不一致的問題，因此需要檢查調(diào)速器系統(tǒng)中協(xié)聯(lián)參數(shù)的設置。如表2所示，有功功率在20 MW(導葉開度為60%，水頭為18 m)，當導葉開度由60%開至66.67%時，輪葉開度由45%變化至60%，輪葉開度隨導葉開度變化率為7.5%；當導葉開度由60%關(guān)至58%時，輪葉開度由45%變化至30%，輪葉開度隨導葉開度變化率為2.2%?？梢娸喨~開度隨導葉開度變化率前后不一致且差別較大，說明協(xié)聯(lián)曲線不平坦，存在明顯拐點，分析認為協(xié)聯(lián)參數(shù)設置不合理。

為了易于觀察，根據(jù)協(xié)聯(lián)參數(shù)繪制協(xié)聯(lián)曲線(如圖1)，圖中顯示導葉開度在60%時，各水頭下協(xié)聯(lián)曲線均有明顯拐點，更直觀說明了協(xié)聯(lián)參數(shù)的設置不當。

表2 優(yōu)化前輪葉、葉葉協(xié)聯(lián)參數(shù)

圖1 優(yōu)化前輪葉、導葉協(xié)聯(lián)曲線

基于以上分析，需對調(diào)速器系統(tǒng)中協(xié)聯(lián)參數(shù)進行優(yōu)化，主要優(yōu)化的范圍為導葉開度在0%～60%的協(xié)聯(lián)參數(shù)點，通過優(yōu)化使輪葉開度隨導葉開度變化率減小，進而得到平坦的協(xié)聯(lián)曲線，期望滿足一次調(diào)頻的品質(zhì)要求，改善機組運行狀況。

4 參數(shù)優(yōu)化方法與過程

通過查詢機組運行資料，機組在導葉開度

>60%運行時，能夠滿足一次調(diào)頻的要求，機組運行的聲音、振動和擺度較小，說明導葉開度>60%的協(xié)聯(lián)參數(shù)設置比較合理。因此，主要需要優(yōu)化導葉開度≤60%的協(xié)聯(lián)參數(shù)。

合理的協(xié)聯(lián)參數(shù)可通過現(xiàn)場試驗來獲得和驗證，試驗中主要監(jiān)測因素包括機組導葉開度、輪葉開度、有功功率、機組水頭、發(fā)導擺度、組合軸承振動、水導擺度、水導軸承振動及定子機架振動等。協(xié)聯(lián)參數(shù)優(yōu)化需要在不同水頭下采用定導葉變輪葉方式，即將導葉固定在某個開度下改變不同的輪葉開度進行若干測試，測取機組的有功功率、振動及擺度情況，根據(jù)試驗結(jié)果確定導葉與輪葉的協(xié)聯(lián)關(guān)系。

試驗過程如下：

(1)將調(diào)速器水頭調(diào)整至18 m(一次調(diào)頻開始試驗時水頭)；

(2)試驗過程中首先固定導葉開度測點，分別為36.8%、40.3%、47.6%、60%、66.7%、73.33%、80.33%、86.68%、93.33%、100%，然后退出自動協(xié)聯(lián)，手動調(diào)節(jié)輪葉開度，在協(xié)聯(lián)開度±10%附近調(diào)節(jié)6個輪葉開度點，在每個輪葉開度工況點穩(wěn)定3～5 min，并記下各輪葉開度下機組的出力值、振動、擺度情況，根據(jù)結(jié)果分析得到最優(yōu)的輪葉開度，從而獲得特定水頭下導葉開度與輪葉開度最優(yōu)協(xié)聯(lián)關(guān)系；

例如：選取水頭為18 m，導葉開度為40.3%，調(diào)節(jié)6個輪葉開度進行試驗，在各輪葉開度工況穩(wěn)定3分鐘后，記錄各測點數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)作圖(圖2)。圖2為機組在該導葉開度下綜合運行狀態(tài)圖，如圖所示，機組的相對效率是隨著輪葉開度增大而增大的，當輪葉開度增加至5.42%時，出現(xiàn)下降拐點，而此時發(fā)導擺度、組合軸承振動、水導擺度、水導軸承振動、定子機架振動均為最低點。由此可見，當導葉開度為40.3%時，輪葉開度的最優(yōu)協(xié)聯(lián)狀態(tài)為5.42%。同樣，按照此步驟可得到水頭為18m時不同導葉開度下最優(yōu)協(xié)聯(lián)狀態(tài)的輪葉開度。

圖2 機組在導葉開度為40.3%時綜合運行狀態(tài)圖

(3)改變機組運行水頭，手動設置水頭分別為8.1 m、10 m、12 m、13 m、14 m、15.4 m、16.4 m、17 m、19.9 m，重復第2項工作。在綜合考慮水輪機效率、出力及機組穩(wěn)定性的基礎上，可以得到導葉開度和輪葉開度的在不同水頭下的最優(yōu)協(xié)聯(lián)關(guān)系(表3)。

通過以上步驟，根據(jù)獲得的協(xié)聯(lián)參數(shù)繪制導葉開度與輪葉開度二者協(xié)聯(lián)曲線(圖3)。如圖所示，可以看出優(yōu)化之后的協(xié)聯(lián)曲線平坦、無明顯拐點。此外，優(yōu)化后機組輪葉開度在導葉開度為37%時出現(xiàn)明顯的協(xié)聯(lián)關(guān)系，而優(yōu)化之前導葉開度為50%時兩者才出現(xiàn)明顯的協(xié)聯(lián)關(guān)系。以上變化說明優(yōu)化之后導葉開度與輪葉開度協(xié)聯(lián)關(guān)系得到改善。

表3 優(yōu)化后輪葉、導葉協(xié)聯(lián)參數(shù)

圖3 優(yōu)化后輪葉、導葉協(xié)聯(lián)曲線

5 協(xié)聯(lián)參數(shù)優(yōu)化的效果

將優(yōu)化后的協(xié)聯(lián)參數(shù)輸入到調(diào)速器中，在 “開度模式”“自動”“遠方”狀態(tài)下進行一次調(diào)頻試驗。試驗結(jié)果如表4所示，有功功率變化均符合有關(guān)規(guī)定的±10%參數(shù)要求。同時進行了一次調(diào)頻其它試驗，試驗數(shù)據(jù)均滿足《水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)并網(wǎng)運行技術(shù)導則》相關(guān)標準。

表4 優(yōu)化后一次調(diào)頻試驗中的有功功率變化

協(xié)聯(lián)參數(shù)優(yōu)化后，水輪機的發(fā)電效率明顯得到了提高。以16.4 m、17 m、18 m水頭下優(yōu)化協(xié)聯(lián)參數(shù)前后發(fā)電效率情況為例(表5)。由表5可以看出，在不同水頭下，機組發(fā)電效率平均提高達4.5%，這在一定程度上提高了電廠的經(jīng)濟效益。

表5 優(yōu)化協(xié)聯(lián)參數(shù)前后發(fā)電機組效率提高情況

6 結(jié) 語

燈泡貫流式機組的協(xié)聯(lián)曲線直接影響到水輪機運行效率和穩(wěn)定性。制造廠提供的協(xié)聯(lián)參數(shù)固然是重要的參考，但需要經(jīng)過現(xiàn)場試驗驗證。本文對紫蘭壩電站1F機組協(xié)聯(lián)參數(shù)進行優(yōu)化，優(yōu)化后不僅滿足了一次調(diào)頻性能的要求，而且改善了機組的穩(wěn)定性，提高了水輪機組的發(fā)電效率，在實際運行過程中，機組發(fā)電效率平均提高達4.5%，為電廠取得了良好的經(jīng)濟效益，同時也為燈泡貫流式機組協(xié)聯(lián)參數(shù)優(yōu)化的提出、方法和驗證提供了良好的借鑒。

[1] 吳利國. 雙調(diào)水輪發(fā)電機組最優(yōu)協(xié)聯(lián)測試系統(tǒng)研究與設計[D]. 蘭州: 蘭州理工大學, 2011: 2-3.

[2] 宋厚彬, 李正貴. 協(xié)聯(lián)曲線修改對燈泡貫流式水輪機組的影響[J]. 甘肅科學學報, 2010, 22(4): 145-149.

[3] 曾仕釗. 淺析黃丹水電站機組協(xié)聯(lián)曲線對運行穩(wěn)定性的影響[J]. 四川水力發(fā)電, 2016, 35(2): 87-92.

[4] 李海軍, 田延霞. 參窩發(fā)電廠微機調(diào)速器協(xié)聯(lián)曲線的修改[J]. 吉林水力, 2007, 297(3): 41-42.

TM714；TU192；[TV734.2+1]

B

1001-2184(2017)06-0103-04

2017-11-07

王 培(1985-)，男，山東濟寧人，畢業(yè)于山東菏澤學院計算機科學與技術(shù)專業(yè)，助理工程師，現(xiàn)從事四川寶珠寺水力發(fā)電廠電氣維護工作；

岳青松(1972-)，男，四川南江人，畢業(yè)于西安理工大學，高級工程師，主修電力系統(tǒng)及其自動化，現(xiàn)從事水電廠生產(chǎn)技術(shù)管理工作；

楊立勇(1976-)，男，山東平陰人，畢業(yè)于四川大學，助理工程師，主修電氣工程及其自動化，現(xiàn)從事四川寶珠寺水力發(fā)電廠教育培訓工作；

徐學海(1972-)，男，四川廣元人，畢業(yè)于四川大學，助理工程師，主修電氣工程及其自動化，現(xiàn)從事四川寶珠寺水力發(fā)電廠電氣二次檢修工作.

卓政昌)