徐峰
摘 要:為提高機組運行發(fā)電經(jīng)濟性水平,確保機組長周期的穩(wěn)定運行,石泉水電廠積極探索機組運行維護新思路,不斷在實踐中摸索、改善。運用計算機監(jiān)控系統(tǒng)、機組在線監(jiān)測裝置、水調(diào)自動化系統(tǒng)等高科技手段結(jié)合多年機組運行參數(shù)總結(jié)、對比,全面分析查找影響機組指標(biāo)的因素,堅持保安全、搶電量、提效率、降損耗,通過加強操作調(diào)整、量化指標(biāo)設(shè)定、優(yōu)化機組運行方式,使機組運行指標(biāo)達到設(shè)計值的目標(biāo),實現(xiàn)安全和電量效益雙贏。
關(guān)鍵詞:水電廠 機組 優(yōu)化運行 實踐
中圖分類號:TV737 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1672-3791(2015)06(c)-0061-02
水輪發(fā)電機發(fā)電機組利用無污染水能,具有發(fā)電成本低,機組啟動快,增加負(fù)荷迅速,改變工況方便,可調(diào)節(jié)范圍廣等特點,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)主要電源支撐點之一。如何保證機組長周期的穩(wěn)定、延長機組運行壽命、提高水能利用率,以達到企業(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)計庫容4.7億m3,2011年3月實測庫容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)電機組,總裝機容量13.5萬kw;1998年又在下游尾水左岸安裝2臺4.5萬kw機組,為短洞引水岸邊式廠房,1洞2機,利用石泉大壩棄水發(fā)電,目前電站總裝機容量22.5萬kw。
1.2 主接線方式介紹
石泉水電廠機組編號1-5號水輪發(fā)電機組,主變壓器編號1-4號主變壓器,1-3號機組、變壓器為機變單元接線,單機帶主變;4、5號機組、4號主變壓器為擴大單元接線,兩臺機共用一臺變壓器。發(fā)電機機端額定電壓10.5KV,主變壓器高壓側(cè)額定電壓110KV。正常方式下,1、3號主變壓器運行于110KVI母,2、4號主變運行于110KVII母,兩條110KV母線經(jīng)1100母聯(lián)開關(guān)聯(lián)絡(luò)運行。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、石洋線運行于110KVI母,石茶線、石古線、石葛線運行于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),平時互為備用,1、2號機可在空載及并網(wǎng)狀態(tài)下均可經(jīng)22B廠高變帶1號廠房廠用電。
1.3 機組運行特點
1-3號機于1975年投產(chǎn)發(fā)電,機組已運行40年,過水部件汽蝕嚴(yán)重,導(dǎo)葉漏水量偏大,機組運行期間振動區(qū)較多,以1號機由為明顯,可調(diào)節(jié)能力差,2號機定子鐵芯水平振動超標(biāo)。在歷年的機組檢修過程中,1-3號發(fā)電機定、轉(zhuǎn)子均發(fā)現(xiàn)不同程度析出物,且1號發(fā)電機與2、3號機同等工況下比較,定子線圈溫度及空冷器熱風(fēng)溫度明顯偏高,高溫大負(fù)荷運行時,接近正常溫度極限。4、5號機運行工況相對穩(wěn)定,但在30%-60%額定負(fù)荷區(qū)間,由于大軸補氣造成的機組振動較大,可調(diào)節(jié)范圍小。
2011年11月19日1號機在運行中,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號機組大修中,對有匝間短路的25磁極線圈進行了更換。經(jīng)陜西電力科學(xué)院對1-3號機進行老化鑒定試驗,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)為機組出現(xiàn)老化征兆,內(nèi)部有干枯、分層、少膠現(xiàn)象。
2 機組運行方式優(yōu)化的提出
2.1 機組運行優(yōu)化的概念
機組優(yōu)化運行指的是在保證水電站穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)上,利用機組優(yōu)化運行手段與優(yōu)化運行狀態(tài)等,全面提升水電能源的利用率,提高水電機組安全運行的水平。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組的運行成本。長此以往,在考慮電網(wǎng)運行安全的基礎(chǔ)上,忽視了水電機組運行的穩(wěn)定性與經(jīng)濟性,在低谷時段往往會出現(xiàn)低負(fù)荷運行問題,使水電機組擺度增大,水輪機轉(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 限制機組運行方式的因素
(1)機組動力特性(即耗水率)。(2)機組穩(wěn)定性特性。(3)電氣主接線及電力系統(tǒng)潮流控制要求。(4)對機組運行方式的特殊要求。
3 機組運行方式優(yōu)化的實踐運用
石泉水電廠運用計算機監(jiān)控系統(tǒng)、機組在線監(jiān)測裝置、水調(diào)自動化系統(tǒng)等高科技手段結(jié)合多年機組運行參數(shù)總結(jié)、對比,全面分析查找限制機組運行方式因素的原因,通過加強操作調(diào)整、量化指標(biāo)設(shè)定,全面優(yōu)化水輪發(fā)電機組的運行方式,使機組運行指標(biāo)達到設(shè)計值的目標(biāo),實現(xiàn)安全和電量效益雙贏。
3.1 依據(jù)機組動力特性的不同,優(yōu)化運行方式
對于水電站,水頭的高低對發(fā)電耗水率及機組出力影響很大,宜保持高水頭運行,抬高運行水頭可以減小水耗。石泉水電廠平均水頭42m,設(shè)計水頭39m,最大工作水頭47.5m,最小工作水頭26.3m,在設(shè)計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;水頭達到42m以上,機組出力最大為5.0萬kW。合理安排機組啟停順序,優(yōu)先安排相同工況下機組耗水率小的機組機組應(yīng)先開,盡量多運行,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號機耗水率比1~3號機耗水率小約0.12~0.22m3/kwh)。開機順序為4號機(5號機)—3號機—5號機(4號機)—2號機—1號機。
如表1、表2所示,以年平均水頭42m時,1-3號機耗水率為10.23 m3/kwh,4-5號機耗水率為10.08 m3/kwh,機組按額定出力運行時計算:
機組運行1天發(fā)電量:4.5*24=108萬kWh。
①1-3號機運行1天耗水量為:發(fā)電量*耗水率=108*10.23=11048400 m3
②4-5號機運行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號機運行比1-3號機運行1天,可增發(fā)電量為:
耗水量/耗水率=38000/10.08≈3770 kwh
(2)由于1號機振動區(qū)較多,運行工況較差,調(diào)峰運行時,安排1號機最后開,最后停,減少頻繁開、停機對工況相對較差機組的影響。
(3)兩臺及以上機組運行時,盡可能滿足110KV,I母和II母至少各有一臺機組運行,減輕一條母線故障時對機組出力和廠用電的影響,其中1、3號機運行于110KVI母,2、4、5號機運行于110KVII母。
(4)盡可能的維持高水位運行,機組經(jīng)濟運行(機組可銘牌出力運行,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,同時又要產(chǎn)生水耗。盡可能的縮短機組啟、停時間,縮短機組狀態(tài)(停機、空轉(zhuǎn)、空載、并網(wǎng)發(fā)電)轉(zhuǎn)換時間,以減少未與系統(tǒng)并列運行時電耗和水耗。
3.2 依據(jù)機組穩(wěn)定特性不同,優(yōu)化運行方式
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)峰運行時,受天氣及系統(tǒng)負(fù)荷需求影響,在高峰和低谷時,系統(tǒng)負(fù)荷變化大,開、停機頻繁。合理的優(yōu)化運行方式,振動、汽蝕嚴(yán)重的機組應(yīng)盡量少運行,尤其應(yīng)避開強振區(qū),同時盡量減少機組的頻繁開、停,見表1。頻繁停機或開機將會增加機組開關(guān)的跳合頻率,也會縮短機組開關(guān)的實際使用壽命。
(1)加強與調(diào)度的溝通,對短時的負(fù)荷限制,盡量申請旋轉(zhuǎn)備用,減少機組啟、停次數(shù)。
(2)運用發(fā)電負(fù)荷調(diào)度系統(tǒng)和水調(diào)自動化系統(tǒng),進行系統(tǒng)負(fù)荷和水情預(yù)測,科學(xué)的定發(fā)電量計劃,合理制安排不同時段機組運行臺數(shù)。根據(jù)當(dāng)天發(fā)電計劃安排,早晚高峰多申請機組運行,搶發(fā)電量;夜間低谷時段申請機組全停,回蓄水位,抬高機組運行水頭,提高機組運行經(jīng)濟性。
(3)根據(jù)省調(diào)下達的全廠總負(fù)荷,結(jié)合當(dāng)前水頭情況,按兼顧穩(wěn)定和效率的原則,進行各臺機組間負(fù)荷的最優(yōu)分配,盡可能保持各機組在高效率區(qū)和穩(wěn)定工況區(qū)運行,避免機組進相運行。
(4)負(fù)荷調(diào)整過程,要縮短機組穿越振動區(qū)時間和減少穿越振動區(qū)次數(shù),嚴(yán)禁機組在振動區(qū)運行,避免機組在0~30MW區(qū)間運行,加強對機組在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實施監(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臺機組電氣量(負(fù)荷、電流)引入穩(wěn)控裝置,運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)定運行,滿足系統(tǒng)潮流有不同的要求,需對機組運行方式進行合理、機動、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,合理安排機組運行臺數(shù),適當(dāng)提高單機負(fù)荷,避免機組帶備用容量運行,減少水耗,合理進行負(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)控裝置過載切機設(shè)定最多切除三臺運行且出力最大機組。在5機滿發(fā),漢中網(wǎng)三條線路均接近滿載運行情況下,2號機、4號機(或5號機)負(fù)荷安排應(yīng)略小于(0.5MW)其他三臺機組,且將切機壓板打開,以保證線路過載切機時廠用系統(tǒng)的安全可靠。
(3)加強與調(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,避免機組進行運行,盡可能不參與系統(tǒng)調(diào)壓。
(4)及時了解系統(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,及時申請增加機組出力,確保機組滿負(fù)荷運行,盡量減少出力受限的影響。
3.5 根據(jù)特殊要求的特點,優(yōu)化運行方式
影響機組運行方式的特殊情況一般指廠用電方式特殊時、汛期大發(fā)電期間、攔污柵壓差異常時。合理的安排特殊要求下的機組運行方式,對廠用電系統(tǒng)和機組本身運行期間的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟尤為重要。
(1)單機帶廠用電運行期間,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、合格為前提進行調(diào)整,解除系統(tǒng)對機組控制權(quán)(AGC退出),穩(wěn)控裝置切機壓板嚴(yán)禁投入。
(2)機組汛期大發(fā)電期間,嚴(yán)格按照機組水頭、出力對照表運行,根據(jù)水頭變化,及時增加機組出力,搶發(fā)電量。
(3)洪汛期間,嚴(yán)密監(jiān)視機組進水口攔污柵壓差變化,堅持開機清浮渣、停機撈沉渣,確保1、2號進水口壓差最小。泄洪期間,通過調(diào)整閘門運行方式(至少保證有一個中孔運行),聯(lián)系調(diào)度臨時停機30min,利用泄洪水流降低壓差。非泄洪期間,采用聯(lián)系調(diào)度停機進行反沖的方式降低壓差。
4 石泉水電廠機組優(yōu)化運行效益評價
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)計結(jié)果??梢钥闯觯ㄟ^機組優(yōu)化運行的實踐運用,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)備運行的可靠性大大加強,截至2015年5月30日,石泉水電廠實現(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)濟效益
見表3,是石泉水電廠2011年-2014年機組優(yōu)化運行增發(fā)電量及經(jīng)濟效益統(tǒng)計。2011年至2014年,通過抬高水頭、實施水位動態(tài)控制、機組出力、水頭對標(biāo)等手段,4年累計增發(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,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踐。根據(jù)機組設(shè)計參數(shù),開展機組運行數(shù)據(jù)的試驗和研究,找出機組運行規(guī)律,全面分析查找影響機組指標(biāo)的因素,編制《機組運行優(yōu)化實施細(xì)則》,對機組優(yōu)化運行提供詳細(xì)的技術(shù)指導(dǎo)。認(rèn)真開展機組軸電壓、擺度、振動值測量等定期工作,發(fā)現(xiàn)異常及時調(diào)整機組工況,保證機組在最優(yōu)工況運行。流域行洪期,在保證機組滿發(fā)的基礎(chǔ)上,嚴(yán)格按照《機組水頭出力對照表》優(yōu)化機組出力能力。重點關(guān)注進水口壓差變化趨勢,深入開展清渣工作,有效降低了機組攔污柵壓差,提高了機組運行水頭,降低耗水率,最大化向電網(wǎng)輸送電能,實現(xiàn)了實現(xiàn)安全和電量效益雙贏。
參考文獻
[1] 馮雁敏,張成鑄,張雪源.豐滿發(fā)電廠水電機組運行方式優(yōu)化研究[J].水電能源科學(xué),2011(8):155-158.
[2] 暢建霞,黃強,王義民.水電站水庫優(yōu)化調(diào)度幾種方法的探討[J].水電能源科學(xué),2000(3):19-22.
[3] 王黎,馬光文.水電廠經(jīng)濟運行的遺傳算法[J].四川大學(xué)學(xué)報(工程科學(xué)版),1997(1):44-49.