陳 艷，李學(xué)禮，張 輝，張中亞

（天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所，天津 300180）

前言

巴基斯坦納塔爾水電站位于巴基斯坦北部城市吉爾吉特，電站安裝三臺(tái)雙噴嘴沖擊式水輪機(jī)組，總裝機(jī)容量為3×6MW，主要為吉爾吉特提供工業(yè)和居民用電，由于該地區(qū)沒(méi)有成熟的電網(wǎng)系統(tǒng)，因此該電站為孤網(wǎng)運(yùn)行模式，且早晚負(fù)荷變化較大，居民用電時(shí)的電器損壞或大風(fēng)天氣的線路短路以及大型電機(jī)的起停都會(huì)引起負(fù)荷的劇烈變化，給機(jī)組造成較大的沖擊，給電站的調(diào)節(jié)系統(tǒng)帶來(lái)了艱巨的考驗(yàn)。

1 電站參數(shù)

1.1 壓力鋼管參數(shù)

電站原設(shè)計(jì)為從前池分別由三根壓力鋼管引水至三臺(tái)機(jī)組（一機(jī)單管方式），后電站因施工條件原因更改為由一根壓力鋼管引水至廠房附近，然后分三根岔管引入三臺(tái)機(jī)組（一管三機(jī)方式），其引水系統(tǒng)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1

圖1 壓力鋼管的布置圖

由以上數(shù)據(jù)可計(jì)算出水輪機(jī)引水系統(tǒng)的水流慣性時(shí)間常數(shù)TW為2.116s。

1.2 水輪機(jī)組參數(shù)

型號(hào)：CJA475-W-112/2×11

水頭：412m

流量：1.734m3/s

額定功率：6.25MW

額定轉(zhuǎn)速：750r/min

發(fā)電機(jī)GD2：13.5tm2

轉(zhuǎn)輪GD2：0.2tm2

由以上數(shù)據(jù)可計(jì)算出機(jī)組慣性時(shí)間常數(shù) Ta為3.378s。

GB/T9652.1-2007《水輪機(jī)控制系統(tǒng)技術(shù)條件》規(guī)定沖擊式調(diào)速器的工作條件為：水輪機(jī)引水系統(tǒng)的水流慣性時(shí)間常數(shù)Tw和機(jī)組慣性時(shí)間常數(shù)Ta的比值不大于0.4，而本電站的Tw與Ta的比值為0.626，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的工作條件。

1.3 調(diào)速器參數(shù)

調(diào)速器采用天津某研究所生產(chǎn)的專用于雙噴嘴沖擊式機(jī)組的TDBWCT-2型步進(jìn)電機(jī)PLC微機(jī)調(diào)速器，其調(diào)節(jié)方式為并聯(lián)PID調(diào)節(jié)模式。主要參數(shù)見(jiàn)表2。

表2

2 問(wèn)題描述

在電站試運(yùn)行過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性很差，頻率波動(dòng)非常大，穩(wěn)定性達(dá)不到，甚至在負(fù)荷變動(dòng)較大時(shí)，導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩機(jī)組無(wú)法運(yùn)行，主要存在以下三種現(xiàn)象：

（1）三臺(tái)機(jī)組同時(shí)空載運(yùn)行時(shí)，機(jī)組能保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，而當(dāng)其中任意一臺(tái)機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電且所帶負(fù)荷超過(guò)一定值時(shí)，其余兩臺(tái)空載機(jī)組頻率劇烈抖動(dòng)且無(wú)法達(dá)到額定頻率；

（2）隨著負(fù)荷增大，機(jī)組頻率波動(dòng)增大；當(dāng)三臺(tái)機(jī)組總負(fù)荷超過(guò)14MW時(shí)，3號(hào)機(jī)組壓力脈動(dòng)加劇，調(diào)速器調(diào)節(jié)速率加快，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)頻率擺動(dòng)加快，最終造成系統(tǒng)崩潰；

（3）當(dāng)機(jī)組突然減少部分負(fù)荷時(shí)，如機(jī)組頻率升高至折向器投入時(shí)，將導(dǎo)致頻率變化較快、較大且難于穩(wěn)定，極端時(shí)甚至?xí)拐巯蚱鞣磸?fù)投入和退出，導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩。

3 原因分析

經(jīng)過(guò)對(duì)上述現(xiàn)象的分析，我們認(rèn)為造成該現(xiàn)象的原因主要有以下幾點(diǎn)：

3.1 機(jī)組的水流慣性時(shí)間太大

國(guó)標(biāo) GB/T9652.1-2007《水輪機(jī)控制系統(tǒng)技術(shù)條件》第3.3條規(guī)定“水流慣性時(shí)間常數(shù)Tw與機(jī)組慣性時(shí)間常數(shù)Ta的比值不大于 0.4”，而本電站的Tw/Ta值可達(dá)到0.626，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的工作條件。在水流慣性時(shí)間常數(shù)Tw為2.166s不變的情況下，機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（GD2）應(yīng)不小于 21.46t·m2，而目前機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量?jī)H為 13.7t·m2，比要求小 7.76t·m2；

3.2 壓力鋼管布置不合理

由于壓力鋼管的水平段較長(zhǎng)且岔管距離較短，導(dǎo)致機(jī)組的水流特性隨著噴針開(kāi)度的增大而急劇變化，其相互之間的水流影響也隨著噴針開(kāi)度的增加而加劇，而機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的過(guò)小將水流影響進(jìn)一步放大。當(dāng)2臺(tái)或3臺(tái)機(jī)組并列運(yùn)行時(shí)，若其中任意一臺(tái)并網(wǎng)運(yùn)行且其開(kāi)度增大到一定范圍，此時(shí)如果有負(fù)荷較大的波動(dòng)，調(diào)速器對(duì)頻率的快速調(diào)節(jié)就很容易引起壓力鋼管的壓力脈動(dòng)，而壓力的脈動(dòng)將進(jìn)一步影響調(diào)速器的調(diào)節(jié)，從而加劇壓力的脈動(dòng)，最終導(dǎo)致系統(tǒng)的震蕩。而相比較1號(hào)、2號(hào)機(jī)組岔管，3號(hào)機(jī)組岔管相對(duì)較長(zhǎng)，在負(fù)荷加大時(shí)水流特性相對(duì)較差，容易引起壓力脈動(dòng)，導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法穩(wěn)定，造成系統(tǒng)崩潰。

3.3 機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量過(guò)小

當(dāng)機(jī)組突然減少部分負(fù)荷，而機(jī)組頻率上升至折向器投入點(diǎn)時(shí)，折向器投入，水流被迅速切斷，在剩余負(fù)荷的作用下，機(jī)組頻率下降，由于機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量過(guò)小，機(jī)組頻率迅速下降，導(dǎo)致調(diào)速器的快速開(kāi)啟噴針接力器，當(dāng)頻率下降至折向器退出點(diǎn)時(shí)，折向器退出，此時(shí)機(jī)組頻率上升，但同樣是由于機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量過(guò)小，導(dǎo)致機(jī)組頻率上升過(guò)快，從而引起折向器反復(fù)投入和退出，系統(tǒng)進(jìn)入震蕩。

4 解決方案

針對(duì)以上現(xiàn)象，進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)，以解決由于水流和機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量帶來(lái)的不利影響。

4.1 靜特性及空載擾動(dòng)試驗(yàn)。

（1）靜特性試驗(yàn)見(jiàn)表3

表3

（2）空載擾動(dòng)試驗(yàn)

單機(jī)經(jīng)空載擾動(dòng)選擇調(diào)速器運(yùn)行參數(shù)，機(jī)組穩(wěn)定后的擺動(dòng)值見(jiàn)表4。

表4

空載時(shí)改機(jī)組頻率跟蹤網(wǎng)頻為跟蹤頻給，避免了機(jī)組頻率跟蹤網(wǎng)頻時(shí)引起的壓力共振，從而解決了任意一臺(tái)機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電時(shí)，其他機(jī)組頻率抖動(dòng)且并網(wǎng)困難的問(wèn)題。

采用變參數(shù)、變調(diào)節(jié)模式及有功負(fù)荷的成組調(diào)節(jié)等多種方法在一定范圍內(nèi)改善3臺(tái)機(jī)組并列運(yùn)行時(shí)的系統(tǒng)振蕩問(wèn)題。

4.1.1 變參數(shù)

由于水流工況惡劣程度隨著負(fù)荷加大逐漸加劇，導(dǎo)致機(jī)組頻率擺動(dòng)也不斷加大，空載時(shí)的PID參數(shù)已不適應(yīng)運(yùn)行要求，因此隨著負(fù)荷不斷加大，PID參數(shù)也需要有所變化，根據(jù)機(jī)組所帶負(fù)荷的大小，我們選擇了三組PID參數(shù)，見(jiàn)表5。

表5

其工作方式如下：

當(dāng)空載及單機(jī)負(fù)荷在 3MW 以下時(shí)采用第二組數(shù)據(jù)；單機(jī)負(fù)荷超過(guò)3MW時(shí)采用第三組數(shù)據(jù)。

當(dāng)頻率波動(dòng)超出49.5Hz～50.5Hz范圍兩分鐘時(shí)，無(wú)論機(jī)組所帶負(fù)荷多少，優(yōu)先采用第一組數(shù)據(jù)，待頻率穩(wěn)定后，退出第一組數(shù)據(jù)，根據(jù)負(fù)荷大小選擇其他兩組數(shù)據(jù)。

4.1.2 變調(diào)節(jié)模式

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)頻率擺動(dòng)時(shí)，只有2號(hào)機(jī)組退出PID調(diào)節(jié)，才能夠有效地緩解系統(tǒng)的擺動(dòng)，因此我們根據(jù)頻率的波動(dòng)狀況來(lái)控制2號(hào)機(jī)組的PID的投入及退出，具體如下：當(dāng)機(jī)組頻率 90s內(nèi)在49.3Hz～50.7Hz之間擺動(dòng)次數(shù)達(dá)到3次時(shí)，2號(hào)機(jī)組調(diào)速器PID調(diào)節(jié)退出，進(jìn)入開(kāi)度調(diào)節(jié)模式；當(dāng)頻率在120s內(nèi)一直穩(wěn)定在 49.32Hz～50.67Hz之間，PID將自動(dòng)投入，調(diào)速器進(jìn)入頻率調(diào)節(jié)；考慮到機(jī)組的安全運(yùn)行，當(dāng)2號(hào)機(jī)組PID調(diào)節(jié)退出時(shí)，如調(diào)速器收到斷路器分閘信號(hào)、停機(jī)令及頻率達(dá)到折向器投入點(diǎn)時(shí)，2號(hào)機(jī)組的PID將自動(dòng)投入。

4.1.3 成組調(diào)節(jié)

由于該電站是孤網(wǎng)運(yùn)行，調(diào)速器需要根據(jù)負(fù)荷的變化隨時(shí)調(diào)整電網(wǎng)頻率，但如果三臺(tái)機(jī)組均作為調(diào)頻機(jī)組，勢(shì)必會(huì)引起機(jī)組負(fù)荷的拉鋸，此時(shí)調(diào)速器負(fù)荷的成組調(diào)節(jié)就顯得格外重要了。但由于電站設(shè)備訂貨較早，其監(jiān)控系統(tǒng)為繼電器型，負(fù)荷的成組調(diào)節(jié)無(wú)法通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)與調(diào)速器系統(tǒng)相互配合完成，因此負(fù)荷的成組調(diào)節(jié)只能由調(diào)速器獨(dú)立完成。

在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，當(dāng)負(fù)荷達(dá)到14MW時(shí)，3號(hào)機(jī)組對(duì)負(fù)荷的波動(dòng)反應(yīng)最劇烈，原因?yàn)?號(hào)機(jī)組岔管比較長(zhǎng)，在負(fù)荷加大時(shí)水流特性相對(duì)較差，容易引起壓力脈動(dòng)，壓力脈動(dòng)促使調(diào)速器調(diào)節(jié)速率加快，調(diào)速器的不斷調(diào)節(jié)反過(guò)來(lái)又會(huì)加劇壓力脈動(dòng)，即此時(shí)調(diào)速器的調(diào)節(jié)及壓力脈動(dòng)會(huì)互相影響，很快就會(huì)引起整個(gè)系統(tǒng)的壓力脈動(dòng)及頻率波動(dòng)，導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法穩(wěn)定，造成系統(tǒng)崩潰。

考慮到3號(hào)機(jī)組的水流特性較差，我們最初的方案是將3號(hào)機(jī)組作為基荷機(jī)組，1號(hào)、2號(hào)機(jī)組作為調(diào)頻機(jī)組。但在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)負(fù)荷加大時(shí)，1號(hào)、2號(hào)機(jī)組的正常調(diào)節(jié)仍然會(huì)引起3號(hào)機(jī)組岔管的壓力脈動(dòng)，造成系統(tǒng)無(wú)法穩(wěn)定。

根據(jù)以上試驗(yàn)現(xiàn)象分析，3號(hào)機(jī)組的壓力脈動(dòng)無(wú)法從根本上消除，因此只能想辦法盡量減小壓力脈動(dòng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的不利影響，基于以上分析，我們將3號(hào)機(jī)組改為調(diào)頻機(jī)組，1號(hào)、2號(hào)機(jī)組為基荷機(jī)組，最終的試驗(yàn)證明，這種組合下1號(hào)、2號(hào)機(jī)組的壓力脈動(dòng)被減小了，3號(hào)機(jī)組壓力脈動(dòng)帶來(lái)的不利影響在整個(gè)系統(tǒng)中被最大限度的削弱了，完全可以滿足機(jī)組的正常運(yùn)行要求。

4.2 通過(guò)成組控制三臺(tái)機(jī)組的折向器來(lái)減小折向器對(duì)系統(tǒng)甩部分負(fù)荷的不利影響

由于電站選用的是沖擊式機(jī)組，折向器是防止機(jī)組飛逸的重要設(shè)備，當(dāng)機(jī)組頻率因?yàn)橥凰ω?fù)荷頻率升高到某一設(shè)定值時(shí)折向器投入，切斷水流以降低轉(zhuǎn)速，當(dāng)頻率降低到某一設(shè)定值時(shí)折向器退出，在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電力系統(tǒng)突然減少一定負(fù)荷且折向器投入時(shí)，由于機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小，在機(jī)組剩余負(fù)荷作用下，頻率將迅速下降。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，當(dāng)折向器投入點(diǎn)為56Hz時(shí)，當(dāng)機(jī)組所帶負(fù)荷為 5000kW，突然減少至1500kW負(fù)荷時(shí)，頻率在40us內(nèi)由57Hz快速下降至49Hz，頻率的快速下降導(dǎo)致調(diào)速器調(diào)節(jié)速率加快，噴針接力器迅速打開(kāi)，當(dāng)折向器退出時(shí)，頻率又會(huì)快速上升，周而復(fù)始，機(jī)組難以穩(wěn)定。因此在機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小的缺陷下，折向器的投入及退出點(diǎn)的選擇直接影響到機(jī)組的安全、正常運(yùn)行。

鑒于折向器對(duì)機(jī)組甩部分負(fù)荷時(shí)帶來(lái)的不利影響，我們從以下兩個(gè)方面考慮折向器投入及退出：

（1）盡量減少折向器的投入次數(shù)；

（2）控制折向器的投入時(shí)間。

當(dāng)兩臺(tái)機(jī)組或三臺(tái)機(jī)組同時(shí)運(yùn)行時(shí)，可以通過(guò)負(fù)荷變動(dòng)的多少來(lái)控制折向器投入的機(jī)組個(gè)數(shù)。以三臺(tái)機(jī)組同時(shí)運(yùn)行為例：當(dāng)在突然減少負(fù)荷量較小時(shí)，通過(guò)折向器投入點(diǎn)參數(shù)的控制讓1號(hào)機(jī)組的折向器先投入，如果此時(shí)轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升，依次讓2號(hào)、3號(hào)機(jī)組的折向器投入，這樣可以最大化地減小折向器投入對(duì)機(jī)組帶來(lái)的不利影響，即使當(dāng)突然減少負(fù)荷量比較大三臺(tái)機(jī)組折向器均需投入時(shí)，因?yàn)槿_(tái)機(jī)組折向器投入退出點(diǎn)設(shè)置不同，即投入退出的時(shí)間不同，也可以最大程度抵消折向器投入所帶來(lái)的不利影響，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及后來(lái)的運(yùn)行觀察，完全可以滿足運(yùn)行要求，三臺(tái)機(jī)組投入退出點(diǎn)設(shè)置見(jiàn)表6。

表6

5 結(jié)語(yǔ)

在采用變參數(shù)、變調(diào)節(jié)模式、調(diào)速器有功負(fù)荷的成組調(diào)節(jié)及折向器成組控制等多種處理方法后，我們對(duì)調(diào)速器進(jìn)行了甩負(fù)荷和突減 25%負(fù)荷試驗(yàn)，其試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：

甩負(fù)荷試驗(yàn)：甩100%負(fù)荷時(shí)，調(diào)速器可迅速穩(wěn)定在空載狀態(tài)，甩100%負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表7。

突減25%負(fù)荷試驗(yàn)見(jiàn)表8。

表7

表8

從試驗(yàn)結(jié)果及將近兩年的運(yùn)行觀察來(lái)看，在這種惡劣的工況下，以上處理方法收到了明顯的成效，調(diào)速器調(diào)節(jié)性能良好，能夠最大程度地削弱電站水工對(duì)機(jī)組帶來(lái)的不利影響，極大的改善了納塔爾電站孤網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

6 建議

對(duì)于孤網(wǎng)運(yùn)行的沖擊式機(jī)組，機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量應(yīng)根據(jù)引水系統(tǒng)參數(shù)及機(jī)組參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算，以滿足孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)負(fù)荷突然增加和突然減少對(duì)機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的需求，同時(shí)也應(yīng)考慮壓力鋼管的布置以最大程度消除水流對(duì)系統(tǒng)的影響。