水電廠機(jī)組AGC運(yùn)行影響分析及控制對(duì)策

湖北省水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院 黃 戡

1 引言

AGC 技術(shù)在水力發(fā)電領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，該項(xiàng)技術(shù)通過(guò)精準(zhǔn)調(diào)控進(jìn)而較好地滿足了不同時(shí)段內(nèi)用戶的差異化電力需求，增加了整個(gè)水電廠的運(yùn)行效率，謀得更多的經(jīng)濟(jì)收益。對(duì)于系統(tǒng)而言，AGC 反應(yīng)快、調(diào)節(jié)精準(zhǔn)度高，但高性能也會(huì)將引起負(fù)荷頻繁變動(dòng)，特別是在振動(dòng)區(qū)內(nèi)運(yùn)作的時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，機(jī)組局部會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的磨損等問(wèn)題，降低水輪機(jī)組的運(yùn)行效率，縮短相關(guān)構(gòu)件的運(yùn)行壽命。在這樣的情景下，應(yīng)嘗試用多種技術(shù)措施增加AGC 的實(shí)用性，以確保水電廠的發(fā)電質(zhì)量，滿足現(xiàn)代智能電網(wǎng)的現(xiàn)實(shí)運(yùn)行需求。

2 AGC 系統(tǒng)的介紹

AGC 系統(tǒng)主要是依照設(shè)定好的負(fù)荷曲線及其他類型的自動(dòng)化控制系統(tǒng)協(xié)同調(diào)控發(fā)電機(jī)組的運(yùn)作狀態(tài)，明顯減少了人工手動(dòng)操作的介入次數(shù)，水電廠AGC 控制原理如圖1所示[1]。國(guó)內(nèi)水電廠一般結(jié)合用戶用電需求改變情況投用AGC 系統(tǒng)，利用該項(xiàng)技術(shù)精準(zhǔn)地調(diào)控機(jī)組的發(fā)電狀態(tài)，輔助構(gòu)建不同機(jī)組間的同步運(yùn)作模式。在水電機(jī)組建設(shè)規(guī)模及投入量持續(xù)擴(kuò)增的背景下，AGC 系統(tǒng)成為水電網(wǎng)絡(luò)內(nèi)不可缺少的一類基礎(chǔ)性裝置。能源供應(yīng)方式呈現(xiàn)出多樣化特征，水電、風(fēng)電、光電等均能為用戶供能，用戶群體的用電量也是實(shí)時(shí)改變，如在工作時(shí)間對(duì)電能需求較大，在夜間及休息時(shí)間內(nèi)用電需求會(huì)驟然下降，故應(yīng)及時(shí)有效地調(diào)控機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)以快速增減負(fù)荷，一方面能增加電能資源的利用度，另一方面也能減輕電網(wǎng)運(yùn)行負(fù)擔(dān)。

圖1 水電廠AGC 控制原理

AGC 系統(tǒng)投入后能快速調(diào)整機(jī)組運(yùn)行模式，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)或分級(jí)控制，進(jìn)而改變用電負(fù)荷。過(guò)于頻繁或過(guò)快調(diào)整AGC 系統(tǒng)可能會(huì)帶來(lái)機(jī)組的嚴(yán)重磨損問(wèn)題，縮短設(shè)備使用壽命，產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)損失。水電廠應(yīng)明確AGC 運(yùn)行帶來(lái)的影響，摸索最優(yōu)的控制對(duì)策。

3 AGC 運(yùn)行方式給水電廠機(jī)組帶來(lái)的影響

3.1 降低運(yùn)行效率

AGC 系統(tǒng)運(yùn)行快速，靈敏度高，以致調(diào)速器頻繁執(zhí)行調(diào)度指令，機(jī)具局部磨損相應(yīng)增加，導(dǎo)水器械間隙漏水問(wèn)題日益嚴(yán)重，密封圈嚴(yán)重磨損甚至損壞，機(jī)組在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)低效運(yùn)作。

對(duì)于水輪機(jī)組而言，若其長(zhǎng)期處在低工作區(qū)，無(wú)法恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)，機(jī)組使用效率會(huì)降低，壽命縮短，運(yùn)作期間無(wú)法取得理想的經(jīng)濟(jì)效益。由于發(fā)電裝置長(zhǎng)期處于發(fā)電低能量運(yùn)作狀態(tài)下，耗損的液體量也會(huì)增多。若發(fā)電設(shè)備在不發(fā)電的狀況下運(yùn)作，本體工作狀態(tài)異常也會(huì)造成損耗量進(jìn)一步增多。應(yīng)嚴(yán)控AGC 系統(tǒng)的運(yùn)行速度，不可過(guò)快。

3.2 頻繁調(diào)節(jié)帶來(lái)的影響

3.2.1 增加損耗

AGC 投用期間，電廠機(jī)組負(fù)荷會(huì)屢屢變化，以致水輪機(jī)有關(guān)機(jī)構(gòu)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的次數(shù)明顯增多，軸套、活塞環(huán)等導(dǎo)水用機(jī)構(gòu)的損耗量增大。加速了接力器導(dǎo)管位置密封圈的磨損，可能會(huì)導(dǎo)致漏油問(wèn)題；機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)頻繁變化時(shí)，導(dǎo)葉反饋鋼絲繩局部斷裂的風(fēng)險(xiǎn)相應(yīng)增加，以致后續(xù)機(jī)組調(diào)節(jié)失效，需要在停機(jī)狀態(tài)下更換新的鋼絲繩，此時(shí)發(fā)電廠的發(fā)電效率下降；頻繁調(diào)節(jié)還會(huì)帶來(lái)電位器嚴(yán)重磨損的問(wèn)題，不利于快捷、高效地傳輸信號(hào)；接力器過(guò)度地進(jìn)行頻繁操作會(huì)帶來(lái)壓力油管的振動(dòng)問(wèn)題，部分情景下可能導(dǎo)致局部油管脫離原位，帶來(lái)更嚴(yán)重的安全事故。

3.2.2 增加導(dǎo)葉套筒L 型密封圈斷裂的風(fēng)險(xiǎn)

AGC 系統(tǒng)調(diào)節(jié)次數(shù)的增多易使導(dǎo)葉軸高頻率地進(jìn)行往復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)，以致其上安裝的L 型密封圈形體發(fā)生異常改變。當(dāng)這種結(jié)構(gòu)變形到達(dá)一定極限時(shí)，則就會(huì)發(fā)生斷裂，造成頂蓋局部發(fā)生較嚴(yán)重的滲漏水問(wèn)題。

3.2.3 壓油裝置供油量增多

水電廠項(xiàng)目建設(shè)期間是參照水輪機(jī)存有間歇期的特殊運(yùn)行方式設(shè)計(jì)壓油裝置的工作容量。啟用AGC 后，運(yùn)行負(fù)荷的屢次調(diào)整會(huì)使油泵頻繁執(zhí)行啟、閉動(dòng)作，基本不存在間歇期，長(zhǎng)期處于這種運(yùn)作狀態(tài)下會(huì)縮短油泵的使用年限。高頻率啟、閉電源也會(huì)增加電源開(kāi)關(guān)故障問(wèn)題的發(fā)生率。

3.2.4 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片故障應(yīng)力的改變

在差異化工況下，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪承受的應(yīng)力大小也有差別。AGC 系統(tǒng)運(yùn)行后，水輪機(jī)組的轉(zhuǎn)輪葉片故障狀態(tài)頻繁變動(dòng)，承受應(yīng)力也會(huì)迅速改變，長(zhǎng)期維持這種作業(yè)狀態(tài)會(huì)帶來(lái)葉片的磨損及金屬疲勞問(wèn)題[2]。

3.3 負(fù)荷調(diào)節(jié)幅度過(guò)大產(chǎn)生的影響

3.3.1 尾水管中渦帶誘導(dǎo)生成壓力脈動(dòng)

水輪機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)作期間尾水管內(nèi)易生成渦帶，進(jìn)而引起水壓脈動(dòng)，混流式水輪機(jī)更易出現(xiàn)上這種狀況。一般情況下，水壓脈動(dòng)的相對(duì)值≤7.0%，若出現(xiàn)超上限情況，可以用補(bǔ)氣形式及時(shí)減小水壓脈動(dòng)值。AGC 運(yùn)行期間會(huì)大幅度地調(diào)控負(fù)荷量，部分情景下機(jī)組可能會(huì)處于帶負(fù)荷的作業(yè)模式下，水輪機(jī)生成的水壓脈動(dòng)會(huì)超出上限，對(duì)其尾水管造成不同的損害。補(bǔ)氣裝置發(fā)生故障時(shí)，會(huì)造成水壓脈動(dòng)劇烈改變，給水輪機(jī)組帶來(lái)更嚴(yán)重的損壞。

3.3.2 加速葉片裂紋的生成進(jìn)度

AGC 運(yùn)行期間，水輪機(jī)組的導(dǎo)葉張開(kāi)度減小、正沖角擴(kuò)張，以致葉片進(jìn)水邊局部發(fā)生脫流問(wèn)題。若導(dǎo)葉張開(kāi)度長(zhǎng)時(shí)間處在上限，由轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)口脫流引起的葉道渦問(wèn)題會(huì)加速，若葉片本體存在著質(zhì)量隱患因素，葉道渦的加速形成很易導(dǎo)致葉片局部出現(xiàn)裂紋。水電機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)期間，若水庫(kù)本體處在高水位，水輪機(jī)運(yùn)行期間的水頭超過(guò)設(shè)計(jì)要求，相應(yīng)的導(dǎo)葉不能抵達(dá)全開(kāi)度的狀態(tài)，同樣會(huì)使葉片出現(xiàn)裂紋。

3.4 頻繁投切機(jī)組開(kāi)關(guān)的影響

AGC 系統(tǒng)運(yùn)作期間負(fù)荷量持續(xù)改變，會(huì)使機(jī)組高頻率啟、停，一方面會(huì)帶來(lái)機(jī)組電廠磨損問(wèn)題，另一方面也會(huì)帶來(lái)開(kāi)關(guān)觸指松動(dòng)、螺帽脫落等隱患。因?yàn)轭l繁性的操作也會(huì)使開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)發(fā)生不同程度的變形與移位情況，帶來(lái)水輪機(jī)組開(kāi)關(guān)不能正常合閘等問(wèn)題。

4 水電廠機(jī)組AGC 運(yùn)行控制方法

4.1 完善機(jī)組的有功分配算法

為了增加水資源的利用度，確保電廠機(jī)組能經(jīng)濟(jì)、可靠運(yùn)行并盡可能地減少調(diào)節(jié)頻次，降低機(jī)組局部的損耗量，對(duì)AGC 系統(tǒng)運(yùn)用修正等功率算法。但現(xiàn)實(shí)中等功率分配很易把機(jī)組出力配置值振動(dòng)區(qū)域中，為了規(guī)避以上情況，對(duì)AGC 運(yùn)用了修正等功率算法。這樣在配置有功功率環(huán)節(jié)中，若部分水輪機(jī)機(jī)組有功功率被胚子到振動(dòng)區(qū)內(nèi)時(shí)，工作人員運(yùn)用以上算法就能快速判別出機(jī)組是跨至振動(dòng)區(qū)上限或下限，減少調(diào)節(jié)機(jī)組的頻次，也能降低數(shù)臺(tái)機(jī)組參與小負(fù)荷變動(dòng)調(diào)控引起的累積偏差，實(shí)時(shí)追蹤有功設(shè)計(jì)值的改變情況。

4.2 針對(duì)調(diào)度的負(fù)荷調(diào)節(jié)要求進(jìn)行再分配

在過(guò)去的運(yùn)行管理模式下，AGC 系統(tǒng)運(yùn)作期間，電網(wǎng)還會(huì)直接調(diào)控電廠內(nèi)部機(jī)組。而在高新技術(shù)持續(xù)發(fā)展與應(yīng)用的背景下，電子計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在負(fù)荷調(diào)度領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用范疇呈現(xiàn)出不斷拓展的態(tài)勢(shì)，調(diào)度負(fù)荷時(shí)可以將調(diào)度信號(hào)先傳送給控制中心的計(jì)算機(jī)，電廠控制中心結(jié)合分析運(yùn)算結(jié)果，科學(xué)地把變動(dòng)負(fù)荷配置到電廠部分機(jī)組上，通過(guò)這種方式弱化AGC 運(yùn)行時(shí)給發(fā)電廠內(nèi)大部分機(jī)組產(chǎn)生的影響，計(jì)算機(jī)調(diào)控AGC 的運(yùn)行負(fù)荷如圖2所示[3]。運(yùn)用本文所述方法時(shí)，要在水電廠中配置一臺(tái)備用機(jī)組，且要確保機(jī)組處于實(shí)時(shí)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，以防負(fù)荷調(diào)節(jié)期間因相應(yīng)機(jī)組沒(méi)有開(kāi)機(jī)而造成調(diào)節(jié)速率明顯降低。

圖2 計(jì)算機(jī)調(diào)控AGC 的運(yùn)行負(fù)荷

基于調(diào)配方式控制AGC 時(shí)，按照下式運(yùn)算AGC 的總有功：

式中，PACT為全廠實(shí)發(fā)總有功；K為調(diào)頻系數(shù)；Δf為頻率偏差；為不參與AGC 機(jī)組的實(shí)發(fā)有功總和。

用總負(fù)荷觸發(fā)方式優(yōu)化配置負(fù)荷，當(dāng)全電廠負(fù)荷出現(xiàn)改變時(shí)，自動(dòng)執(zhí)行負(fù)荷優(yōu)化配置運(yùn)算過(guò)程，針對(duì)所得的優(yōu)化結(jié)果以信號(hào)接收及處理模塊作為載體傳送到機(jī)組熱工盤，以自動(dòng)增減機(jī)組負(fù)荷。為了減少或規(guī)避水輪機(jī)機(jī)組頻繁調(diào)節(jié)的情況，可以布置調(diào)節(jié)不靈敏區(qū)（“死區(qū)”）?，F(xiàn)實(shí)中，要依照水電廠的現(xiàn)實(shí)狀況合理設(shè)置“死區(qū)”，其中全廠的總裝機(jī)容量是主要的影響因素，范圍不可過(guò)大。一旦“死區(qū)”范圍過(guò)大，無(wú)法確保機(jī)組的實(shí)時(shí)出力效果，也還會(huì)對(duì)整個(gè)電網(wǎng)運(yùn)行頻率的穩(wěn)定性、電能質(zhì)量等產(chǎn)生不良影響。

4.3 替換或更新老舊設(shè)備

AGC 系統(tǒng)控制期間，水電廠機(jī)制的各類配套設(shè)備均處于頻繁啟動(dòng)、暫停及運(yùn)行狀態(tài)調(diào)整之中，會(huì)使設(shè)備承受較繁重的工作壓力，運(yùn)行可靠度隨之降低。水電廠應(yīng)結(jié)合機(jī)組的真實(shí)運(yùn)作狀況及時(shí)更新老舊設(shè)備，重點(diǎn)關(guān)注不能適應(yīng)AGC 控制模式的低精度設(shè)備，作為首要更換對(duì)象。如某水電廠機(jī)組的整體使用壽命已超20年，機(jī)組內(nèi)很多配套設(shè)備已經(jīng)更新升級(jí)數(shù)次，依然不能滿足全新的AGC 控制需求，如在AGC 控制模式下發(fā)電機(jī)的閥門會(huì)高頻率地出現(xiàn)投切動(dòng)作，很難確保閥門的精準(zhǔn)度，使用壽命也呈現(xiàn)出不斷減少的態(tài)勢(shì)。為了改善以上狀況，要依照水電廠機(jī)組原設(shè)計(jì)要求及AGC 系統(tǒng)控制需求更新、調(diào)整相關(guān)設(shè)備，加大現(xiàn)代化設(shè)備的應(yīng)用力度，通過(guò)這種方式輔助增加水電廠機(jī)組的整體運(yùn)行效率。

4.4 改善與強(qiáng)化受力部件

社會(huì)經(jīng)濟(jì)壯大發(fā)展中用電需求出現(xiàn)了巨大的改變，水電廠機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷的調(diào)整頻率也處于持續(xù)增加的態(tài)勢(shì)中，難免會(huì)出現(xiàn)過(guò)快或過(guò)頻繁地調(diào)整設(shè)備的現(xiàn)象。為了改善這種狀況，技術(shù)人員在實(shí)踐中要合理調(diào)控AGC 系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，始終將負(fù)荷改變速率調(diào)控在電廠機(jī)組設(shè)計(jì)范疇中，盡可能將AGC 調(diào)控過(guò)程給機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性造成的不良影響降到最低[4]。AGC 調(diào)整過(guò)程中很易在水流與外力等因素作用下使機(jī)組的工作機(jī)械承受較高的工作壓力，負(fù)荷量波動(dòng)過(guò)程中帶來(lái)較嚴(yán)重的磨損問(wèn)題，技術(shù)人員應(yīng)及時(shí)更換設(shè)備的關(guān)鍵部件，如空氣圍帶、軸套等，通過(guò)這種方式改善與強(qiáng)化受力部件性能，減少或規(guī)避機(jī)組設(shè)備工作期間發(fā)生局部破損等問(wèn)題[5]。

5 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)電力行業(yè)快速發(fā)展并持續(xù)改革，水電廠應(yīng)明確AGC 系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)快，調(diào)度過(guò)于頻繁及負(fù)荷調(diào)節(jié)幅度過(guò)大等帶來(lái)的影響及后果，積極優(yōu)化調(diào)整運(yùn)行方案，不僅能明顯改善以上狀況，全面增強(qiáng)水電廠機(jī)組的運(yùn)行能力，減少損耗，還能明顯增加機(jī)組的發(fā)電效率，使電廠運(yùn)營(yíng)中創(chuàng)造更理想的經(jīng)濟(jì)及生態(tài)效益。