劉 萌

（大唐石泉水力發(fā)電廠，陜西 石泉 725200）

1 石泉水輪發(fā)電機組概況

石泉水電廠位于漢江干流陜西省石泉縣縣城上游1 km的峽谷出口處，總裝機容量5×45 MW，機組為東方電機廠生產(chǎn)立軸混流式水輪發(fā)電機組，1號主廠房1-3號水輪發(fā)電機組裝機容量135 MW，于1975年底全部投產(chǎn)發(fā)電。石泉水電廠二期工程（即2號廠房4、5號機組）是在利用原石泉水電廠已建成的水利樞紐基礎上，在壩左岸增建引水隧洞,建成引水式岸邊廠房。工程裝有2臺東方電機股份公司生產(chǎn)的45 MW立軸混流式水輪發(fā)電機組，該工程2臺機組于1998年9月興建，于2000年9月19日、11月29日分別投產(chǎn)發(fā)電。其中4號、5號發(fā)電機采用一條引水管道供兩臺發(fā)電機組運行的結(jié)構形式，由于兩臺機組共用一個引水管道，當其中一臺機組開機、停機、調(diào)節(jié)負荷、事故停機時，會對另一臺發(fā)電機形成干擾，造成調(diào)速器抽動、機組出力大幅度擺動，最大功率波動可達15%以上，波動持續(xù)時間10 s～20 s，甚至引起發(fā)電機保護動作，嚴重危及機組及電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行[1]。

針對這一問題，曾嘗試過用監(jiān)控系統(tǒng)AGC[2][3]來彌補水力擾動引起的功率波動，但未能解決，主要原因是監(jiān)控系統(tǒng)AGC為二次調(diào)節(jié)，屬于管理級控制范疇，其實時性與響應速度無法保證，反而加劇了功率波動，且調(diào)節(jié)過程不穩(wěn)定。

理想的方法是通過機組一次調(diào)節(jié)來彌補水力擾動，以保證實時性、穩(wěn)定性與響應速度，由于調(diào)速器是水輪機的一次調(diào)節(jié)設備，故通過調(diào)速器直接補償水輪機的水力擾動是首選方案[4]。

為保證機組及電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，開展雙機干擾問題研究[5]。對4號、5號發(fā)電機調(diào)速器進行改造，并利用實時采集的蝸殼水壓信號及綜合特性曲線的數(shù)據(jù)推算出導葉控制及功率限制參考量，調(diào)速器內(nèi)部程序中加入水壓—開度補償功能以消除功率波動，加入功率限制和甩負荷標記的功能，以消除機組間水力干擾影響，保證機組和電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，防止有功越上限和欠發(fā)情況的發(fā)生。

2 方案改造及工作原理

為保證機組及電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，對4、5號發(fā)電機調(diào)速器進行改造，利用蝸殼壓力實時值監(jiān)測值作為參考，進行導葉調(diào)節(jié)，并在調(diào)速器內(nèi)部程序中加入功率限制和甩負荷標記功能，將兩臺發(fā)電機之間的相互的影響降低，保證機組和電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，防止出現(xiàn)超發(fā)和欠發(fā)的情況。

具體實施內(nèi)容為整體更換4號、5號發(fā)電機調(diào)速器電氣部分、機械部分、分段關閉閥，在調(diào)速器中加入水壓—開度補償功能，以消除功率波動，保證機組安全穩(wěn)定運行。

2.1 水輪機綜合特性曲線離散化

G4、G5的轉(zhuǎn)輪型號為LD260b-LJ-386，其對應的綜合特性曲線見圖1，對該曲線進行離散化，即以表格的形式反映相關物理參量，以便于輸入調(diào)速器的PLC控制器[6][7]。表1為離散化后的數(shù)表，其中，n1′為導葉開度、q1′為水輪機單位轉(zhuǎn)速、η為水輪機單位流量、為水輪機效率。

表1 水輪機單位流量及效率表

圖1 水輪機綜合特性曲線

2.2 調(diào)速器采集轉(zhuǎn)換

2.3 功率信號轉(zhuǎn)換

機組功率表達式為P=ρgQHη，其中，ρ為水的密度；g為重力加速度；Q為水輪機工作流量；H為水輪機工作水頭；η為機組效率。

2.4 目標功率的確定

結(jié)合上述表達式與表格1，即可獲取目標功率與開度及水壓的對應關系。某臺機組在正常運行過程中，具有一確定的目標功率，若此時另一臺機組突然增減負荷，將產(chǎn)生機組內(nèi)部水壓波動，調(diào)速器將根據(jù)變化的水壓、波動前的目標功率，通過埃爾米特插值計算出對應的開度、開限，并保證差值曲線連續(xù)光滑。通過機械控制，導葉開度可迅速適應水壓變化，即水壓變、開度也瞬時變，從而使機組功率始終維持在目標功率，保證機組穩(wěn)定運行，避免了有功越上限和欠發(fā)情況的發(fā)生。

工程實施于2015年開展，電廠整體更換4號、5號發(fā)電機調(diào)速器的電氣部分、機械部分、分段關閉閥。在新更換的調(diào)速器PLC中加入水壓—開度補償功能，以消除功率波動，保證機組安全穩(wěn)定運行，并在隨后的運行過程中不斷根據(jù)反饋的壓力信息進行反饋調(diào)節(jié)。

3 技術改造后效果分析

通過對4號、5號發(fā)電機的調(diào)速器技術改造，提高了4號、5號發(fā)電機及電網(wǎng)運行的安全性、穩(wěn)定性，確保了機組穩(wěn)定快速的開停機、并網(wǎng)及增減負荷，保障了機組的安全、經(jīng)濟、穩(wěn)定運行。自改造完成至今，無論是在日常運行過程中，還是試驗中，4號、5號發(fā)電機調(diào)速器都能快速穩(wěn)定機組負荷，也沒有發(fā)生過調(diào)速器抽動的現(xiàn)象，目前已取得較為滿意的運行效果。

4 結(jié)論

通過將水輪機綜合特性曲線離散化，進行曲線差值，其物理參量以表格形式存入調(diào)速器PLC控制器，結(jié)合水輪機相似理論基本計算式，建立目標功率、水壓、開度對應關系。當機組出現(xiàn)水力擾動時，根據(jù)水壓變化測量的實時壓力信息，調(diào)速器通過插值程序，立即得出目標功率對應的開度與開限，控制過程直接、迅速，有效地消除了機組間運行時的水力干擾影響，保證機組和電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，避免了有功越上限和欠發(fā)的情況的發(fā)生。

后期的運行中、試驗中，將進一步收集數(shù)據(jù)、積累資料，將此方法推廣至受同類問題困擾的機組運行調(diào)度過程中，以提高發(fā)電過程中的穩(wěn)定性。