劉國富,樓其祿,陳海榮
(國網(wǎng)浙江省電力公司緊水灘水力發(fā)電廠,浙江 麗水 323000)
緊水灘水電站廠內(nèi)經(jīng)濟(jì)運行分析
劉國富,樓其祿,陳海榮
(國網(wǎng)浙江省電力公司緊水灘水力發(fā)電廠,浙江 麗水 323000)
通過分析緊水灘水電站機(jī)組特性曲線,應(yīng)用動態(tài)規(guī)劃法提出各機(jī)組最優(yōu)運行組合,實現(xiàn)機(jī)組安全高效運行,達(dá)到節(jié)能降耗的目的。
水電站;動態(tài)規(guī)劃法;經(jīng)濟(jì)運行
水電站機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運行主要是充分發(fā)揮其性能,最大限度地利用水資源,創(chuàng)造出一系列的綜合經(jīng)濟(jì)效益。水電站經(jīng)濟(jì)運行的任務(wù)是在負(fù)荷一定的情況下,以耗水最小為優(yōu)化準(zhǔn)則;或在水量一定的條件下,以發(fā)電量最大為優(yōu)化準(zhǔn)則,尋求機(jī)組最優(yōu)臺數(shù)組合和機(jī)組間負(fù)荷最優(yōu)分配。水電站經(jīng)濟(jì)運行是水電廠調(diào)度的重要內(nèi)容,它不僅是電力系統(tǒng)安全、可靠、優(yōu)質(zhì)運行的基礎(chǔ),而且是提高電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益的重要措施之一[1]。水電站經(jīng)濟(jì)運行主要通過廠內(nèi)經(jīng)濟(jì)運行、短期經(jīng)濟(jì)運行和長期經(jīng)濟(jì)運行進(jìn)行實施。而廠內(nèi)經(jīng)濟(jì)運行即實時調(diào)度,主要任務(wù)是將每個小時分配到的負(fù)荷分配到各個機(jī)組,并根據(jù)負(fù)荷因素的實時變化,調(diào)整各機(jī)組出力配置,實現(xiàn)實時控制,保證水輪機(jī)組在高效區(qū)運行。
動態(tài)規(guī)劃法作為運籌學(xué)的一個分支,是一種用以求解決策過程最優(yōu)化的數(shù)學(xué)方法。美國數(shù)學(xué)家貝爾曼等人在研究多階段決策過程的優(yōu)化問題時,提出了非常著名的最優(yōu)化原理。他們把多階段過程轉(zhuǎn)化為一串單階段問題,再利用各階段之間的關(guān)系,逐個進(jìn)行求解,由此便創(chuàng)立了解決這類過程優(yōu)化問題的新方法一動態(tài)規(guī)劃法。
在解決多階段決策問題中,各個階段釆取的決策一般來說是與時間有關(guān)的,決策即依賴于當(dāng)前狀態(tài),又引起狀態(tài)的變化轉(zhuǎn)移,一個決策序列就是在不斷變化的狀態(tài)中產(chǎn)生出來的,故有“動態(tài)”的含義,而這種方法被稱為動態(tài)規(guī)劃方法。在面對水輪機(jī)組最優(yōu)配置的選擇問題時,正是一種多階段決策問題。
尋找水電站水輪機(jī)組最優(yōu)化組合方案,所要找尋到的決策對象為,每一臺水輪機(jī)組,在滿足給定條件下,所分配到的負(fù)荷量,以實現(xiàn)最大發(fā)電量或者最小耗水量。水電站經(jīng)濟(jì)運行的機(jī)組負(fù)荷分配問題,實質(zhì)上是空間最優(yōu)化問題,裝機(jī)n臺機(jī)組的電站,其機(jī)組間負(fù)荷分配構(gòu)成了n階段決策問題。固定機(jī)組編號,每臺機(jī)組就可視為一個階段,如果各階段決策即機(jī)組出力是最優(yōu)的,那么由這些決策所構(gòu)成的策略即為最優(yōu)策略,也就是我們說的電站最優(yōu)運行方式。這樣便使得尋求水電站廠內(nèi)經(jīng)濟(jì)運行方案的問題變成了一個多決策過程的最優(yōu)化問題??梢园慈缦滤悸钒阉娬緩S內(nèi)經(jīng)濟(jì)運行問題化為動態(tài)規(guī)劃問題。
階段的確定:假設(shè)我們的水電站有n臺機(jī)組,則我們將動態(tài)規(guī)劃遞推過程分為n個階段,每個階段由i表示,i=1,2,3,…,n;每個階段有i臺機(jī)組出力。
狀態(tài)變量:第i階段由i臺機(jī)組所發(fā)出的有功負(fù)荷,用Pi表示;
決策變量:第i階段,第i臺機(jī)組出力Ni;
狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程:
目標(biāo)函數(shù)為:
約束條件為:
式中:——第i-1階段,i-1臺機(jī)組出力為Pi-1時的流量最優(yōu)值;
Qimin、Qimax——第i臺機(jī)組允許流量的上下限;
Nimin、Nimax——第i臺機(jī)組允許出力的上下限;
N——該時段所有機(jī)組規(guī)定的出力總和。
緊水灘水電站是浙江省甌江流域大溪上的一座梯級電站,是浙江省電力系統(tǒng)主力調(diào)峰水電廠,電站以220 kV和110 kV電壓接入浙江電網(wǎng),主要擔(dān)負(fù)浙江省電力系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相、進(jìn)相及事故備用等任務(wù),為浙江電網(wǎng)的安全供電發(fā)揮了重要作用,并且在電網(wǎng)AGC自動發(fā)電運行中擔(dān)當(dāng)主力。緊水灘水電站總裝機(jī)容量300 MW(6臺×50 MW),水輪機(jī)型號為HL220-LJ-300,發(fā)電機(jī)型號為SF-K50-30/6400,機(jī)組先后于1987-1988年投產(chǎn)[2]。
由于緊水灘HL220-LJ-300水輪機(jī)存在著雙水力振動區(qū)這一設(shè)計缺陷,使其高效運行范圍受到限制,而隨著自動發(fā)電控制系統(tǒng)投運后,又加劇了機(jī)組振動,嚴(yán)重威脅電站安全穩(wěn)定運行。為此,緊水灘電站經(jīng)過前期調(diào)研、試驗、專家論證以及報批,并取得有關(guān)部門的批準(zhǔn),啟動緊水灘水電站機(jī)組增容改造工程,對機(jī)組轉(zhuǎn)輪進(jìn)行換型改造,以解決水輪機(jī)組穩(wěn)定性問題,并提高機(jī)組額定出力10%,分別對1號、2號、5號、6號機(jī)組進(jìn)行改造,增容改造內(nèi)容包括轉(zhuǎn)輪更換、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)部件更換、接力器更換、發(fā)電機(jī)定子鐵心更換、定子線棒更換及相關(guān)配套電氣設(shè)備更換等。
緊水灘電站總裝機(jī)容量為300 MW,有三種不同水輪機(jī)型號共6臺機(jī)組,具體參數(shù)如表1:
表1緊水灘電站水輪機(jī)信息
(1)首先需要得到由水輪機(jī)廠家提供的轉(zhuǎn)特性曲線(H-P)和(H-Q)。
(2)在(Hmin,Hmax)區(qū)間內(nèi)將運轉(zhuǎn)特性曲線的 H軸分為若干等份,每一個點做一條平行于P軸的直線。
(3)該直線與等效率線 η=f(P,H)有若干個交點,摘錄對應(yīng)的效率、出力、水頭數(shù)據(jù)。
(4)利用N=9.81ηQH公式,計算對應(yīng)的機(jī)組流量。
(5)將該直線與等效率線的每一個交點上的Q值都計算出來,便得到在該水頭下,出力P與流量Q的離散數(shù)學(xué)關(guān)系Q=Q(P)。
(6)用最小二乘法,選冪函數(shù)為擬合基函數(shù),對離散關(guān)系進(jìn)行擬合,得到該水頭下的流量特性函數(shù),即 Q=Qc(Pc)。
(7)用同樣的方法對另外兩類水輪機(jī)進(jìn)行擬合,得到水電站的水輪機(jī)組的綜合數(shù)學(xué)模型,即:
其中:
Q(P)為在滿足總出力情況下的總耗水量。
利用編程語言建立6臺水輪機(jī)的數(shù)學(xué)模型函數(shù)。要求在滿足給定P的前提下,合理分配PA1、PA2、PA3、PB1、PB2、PC的值,以使得 Q(P)最小,達(dá)到經(jīng)濟(jì)性最高的目的。
通過各水輪機(jī)特性曲線分析,在同一水頭下,緊水灘2、6號機(jī)耗水量最小,效率最高,1號機(jī)次之,5號機(jī)再次之,3、4號機(jī)耗水量最大。因此,從效率最優(yōu)條件考慮,機(jī)組發(fā)電時應(yīng)先開2、6號機(jī),再開1號機(jī)、5號機(jī),最后開3、4號機(jī)。
緊水灘電站共有6臺水輪機(jī),則選擇為六個階段。
以A1為第一階段,計算在其出力范圍(30~55MW)內(nèi)各個點的最優(yōu)值;以A1與A2共同出力為第二階段,計算在其出力范圍(30~110MW)內(nèi)各個點的最優(yōu)值;以A1、A2與A3同時出力為第三階段,計算在其出力范圍(30~165 MW)內(nèi)各個點的最優(yōu)值:以此類推,計算至第六階段各個點最優(yōu)值,各出力條件下機(jī)組最優(yōu)出力分配見表2。
表2各出力條件下機(jī)組最優(yōu)出力分配 單位:MW
從表2的優(yōu)化計算結(jié)果看出,符合水輪機(jī)特性曲線分析結(jié)論,即先開啟2、6號發(fā)電機(jī)組,再開1號和5號機(jī)組,最后才開3、4號發(fā)電機(jī)組。
當(dāng)N=100 MW,水位為180 m時,優(yōu)化組合結(jié)果見表3:N=100 MW優(yōu)化配置結(jié)果。
表3 N=100MW優(yōu)化配置結(jié)果
當(dāng)N=300 MW,水位為180 m時,優(yōu)化組合結(jié)果見表4:N=300 MW優(yōu)化配置結(jié)果。
表4 N=300MW優(yōu)化配置結(jié)果
根據(jù)水電站的發(fā)電運行方案及各發(fā)電機(jī)組實際出力安排,計算實際發(fā)電流量。按該原則下的流量損耗如表5水電站實際發(fā)電出力安排所示:
表5水電站實際發(fā)電出力安排
通過使用優(yōu)化百分?jǐn)?shù)進(jìn)行分析:
其中:
Qc表示水電站常用方案耗水量;
Qt表示優(yōu)化后方案耗水量;
OPT越大,表示方案越好,經(jīng)濟(jì)性越強。
通過對電站水輪機(jī)特性曲線分析和動態(tài)規(guī)劃法應(yīng)用,提出機(jī)組開機(jī)組合及開機(jī)次序,并對機(jī)組發(fā)電出力進(jìn)行優(yōu)化分配,提高水電站的經(jīng)濟(jì)效益,特別在機(jī)組未滿負(fù)荷運行情況下,合理安排高效率機(jī)組在高效發(fā)電區(qū)間運行,電站發(fā)電效益提高明顯。當(dāng)水電站發(fā)電機(jī)組較多,且需要更精確分析時,該方法可能出現(xiàn)維數(shù)災(zāi),應(yīng)盡量避免[3]。
[1]胡軍富.烏溪江水電廠經(jīng)濟(jì)運行分析[J].小水電,2011,160(4):149-151.
[2]浙江省甌江緊水灘水電站運行設(shè)計報告[R].電力工業(yè)部華東勘測設(shè)計研究院,1980.
[3]向凌,周建中,楊敬濤.一種消除動態(tài)規(guī)劃法中維數(shù)災(zāi)的新方法[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報,2004(6):76-78.
F407
A
1672-5387(2017)11-0056-03
10.13599/j.cnki.11-5130.2017.11.021
2017-08-25
劉國富(1977-),男,高級工程師,從事水電站水庫調(diào)度及水調(diào)自動化管理。