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        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

        2017-12-27 05:53:18培,松,勇,學(xué)
        四川水力發(fā)電 2017年6期
        關(guān)鍵詞:輪葉導(dǎo)葉調(diào)頻

        王 培, 岳 青 松, 楊 立 勇, 徐 學(xué) 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(xué) 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(shè)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(shè)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(biāo),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(shè)置對一次調(diào)頻性能影響較大,若設(shè)置不當(dāng),甚至可能導(dǎo)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(dǎo)葉和輪葉的雙重功能,使輪葉開度和導(dǎo)葉開度隨機組負荷的增減而變化。輪葉開度和導(dǎo)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(yīng)當(dāng)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(shè)置一次調(diào)頻開度限制值為2.1%,調(diào)節(jié)機組目標(biāo)有功功率至20 MW時(導(dǎo)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(biāo)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(yīng)一致,因此在試驗中無法設(shè)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(shè)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(shè)置。如表2所示,有功功率在20 MW(導(dǎo)葉開度為60%,水頭為18 m),當(dāng)導(dǎo)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(dǎo)葉開度變化率為7.5%;當(dāng)導(dǎo)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(dǎo)葉開度變化率為2.2%??梢娸喨~開度隨導(dǎo)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(shè)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(dǎo)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(shè)置不當(dāng)。

        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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)葉開度>60%的協(xié)聯(lián)參數(shù)設(shè)置比較合理。因此,主要需要優(yōu)化導(dǎo)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(dǎo)葉開度、輪葉開度、有功功率、機組水頭、發(fā)導(dǎo)擺度、組合軸承振動、水導(dǎo)擺度、水導(dǎo)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(dǎo)葉變輪葉方式,即將導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dāng)輪葉開度增加至5.42%時,出現(xiàn)下降拐點,而此時發(fā)導(dǎo)擺度、組合軸承振動、水導(dǎo)擺度、水導(dǎo)軸承振動、定子機架振動均為最低點。由此可見,當(dāng)導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(shè)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(fù)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(chǔ)上,可以得到導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)葉協(xié)聯(lián)參數(shù)

        圖3 優(yōu)化后輪葉、導(dǎo)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(dǎo)則》相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

        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(shè)計[D]. 蘭州: 蘭州理工大學(xué), 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(xué)學(xué)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(xué)院計算機科學(xué)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(xué),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(xué),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(xùn)工作;

        徐學(xué)海(1972-),男,四川廣元人,畢業(yè)于四川大學(xué),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)

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