陳宇凡，翟玉杰，朱 斌

（三峽水力發(fā)電廠，湖北省宜昌市 443133）

0 引言

水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時，導(dǎo)葉一般應(yīng)根據(jù)水輪機(jī)出力限制線設(shè)定相應(yīng)水頭的開度限制。水輪機(jī)出力限制線的意義是：考慮到水輪機(jī)在最大出力下運(yùn)行時，不可能按照正常調(diào)節(jié)規(guī)律實現(xiàn)功率調(diào)節(jié)，同時當(dāng)機(jī)組在超過95%最大功率運(yùn)行時，流量增多也會導(dǎo)致水輪機(jī)水頭損失增加和效率下降，從而使得調(diào)速器對水輪機(jī)的調(diào)節(jié)性能變差[1]。最大開度限制設(shè)定若與當(dāng)前水頭下機(jī)組能滿發(fā)的開度相符，則機(jī)組既可以按要求發(fā)現(xiàn)，又不會出現(xiàn)過調(diào)風(fēng)險[2]。如果水輪機(jī)開度限制設(shè)置過大，當(dāng)上游水位高時，機(jī)組調(diào)整出力容易過負(fù)荷；當(dāng)水庫上游水位低時，易使水輪機(jī)的效率急劇下降，產(chǎn)生機(jī)組振動。如果水輪機(jī)開度限制偏小，則又限制了機(jī)組不能發(fā)出最大出力[3][4]。所以，應(yīng)根據(jù)水頭對導(dǎo)葉最大開度限制進(jìn)行合理設(shè)置，保證水輪發(fā)電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的同時不影響水電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

某大型水電站機(jī)組調(diào)速器導(dǎo)葉開限不實時跟蹤水頭問題長期存在，機(jī)組實際運(yùn)行水頭降低后，導(dǎo)葉開限限制出力，此時為了滿足調(diào)度下發(fā)的負(fù)荷需求，只能由當(dāng)班運(yùn)行人員通過手動方式增加機(jī)組電氣開限，此種水頭與開限協(xié)聯(lián)方式目前運(yùn)行良好，但若機(jī)組長時間并網(wǎng)則可能會需要運(yùn)行人員多次手動修改機(jī)組開限，這不僅不能體現(xiàn)機(jī)組出力限制線這一重要特性在實際運(yùn)行中的指導(dǎo)意義，同時也因頻繁的人工操作增加了機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的風(fēng)險。為了解決該電站調(diào)速器導(dǎo)葉開限不跟蹤水頭從而限制機(jī)組出力問題，研究工作對幾種大型水電站常用的調(diào)速器電氣開限及水頭協(xié)聯(lián)機(jī)制進(jìn)行詳述，并對各機(jī)制優(yōu)缺點進(jìn)行了分析，最終確定了該水電站機(jī)組調(diào)速器電氣開限及水頭協(xié)聯(lián)機(jī)制優(yōu)化方案。

1 大型水電站常用電氣開限與水頭協(xié)聯(lián)機(jī)制

1.1 開限不實時跟蹤水頭流程

大型水電站水輪發(fā)電機(jī)組電氣開限與水頭協(xié)聯(lián)關(guān)系之一為開限不實時跟蹤水頭，其選擇邏輯如圖1所示，機(jī)組電氣開限僅在負(fù)載態(tài)上升沿即機(jī)組并網(wǎng)瞬間將開限通過當(dāng)前水頭查表進(jìn)行賦值，在機(jī)組正常運(yùn)行過程中，若要對機(jī)組開限進(jìn)行改變，只能由運(yùn)行人員根據(jù)需求對機(jī)組開限進(jìn)行手動修改設(shè)定值，從而改變開度限制對機(jī)組最大出力的限制。

查詢某電站機(jī)組2014～2016年運(yùn)行水頭歷史數(shù)據(jù)如圖2所示，可以觀察到該電站歷年水頭變化最快的階段為每年汛期開始的5～6月之間，為滿足大壩防洪度汛要求，騰出足夠的防洪庫容，電站機(jī)組在一個月時間內(nèi)運(yùn)行水頭減小10m左右，水頭變化較大。

圖1 電氣開限不實時跟蹤水頭流程Figure 1 The diagram of electrical opening limit not tracking the water head

圖2 某大型水電站2014～2016年水頭變化Figure 2 The water head of a large-scale hydropower station from 2014 to 2016

2018年5月2日，該電站機(jī)組開機(jī)時機(jī)組水頭為96.4m，通過查表計算開限為77.1%。5月2～16日期間，機(jī)組運(yùn)行水頭減少接近6.5m，而水頭90m時對應(yīng)的機(jī)組開限應(yīng)為89.9%，但在這段時間內(nèi)該臺機(jī)組一直保持并網(wǎng)態(tài)，機(jī)組調(diào)速器電氣開限將始終保持在機(jī)組并網(wǎng)時水頭的對應(yīng)開限即77.1%不變，調(diào)速器開限與當(dāng)前水頭不匹配，這必然導(dǎo)致機(jī)組不能滿負(fù)荷運(yùn)行。最終處理方法是由運(yùn)行人員手動將開限調(diào)整至81.3%使得機(jī)組可滿負(fù)荷運(yùn)行。在同時期該電站其他機(jī)組上也出現(xiàn)類似的工況，說明在調(diào)速器開限不能跟蹤機(jī)組水頭變化的情況下，會出現(xiàn)因?qū)~開限數(shù)值不合理導(dǎo)致機(jī)組無法滿負(fù)荷運(yùn)行或機(jī)組水能利用率低的情況。

1.2 開限實時跟蹤水頭

1.2.1 水頭變化超閾值時更新開限

如圖3所示的是一種機(jī)組電氣開限實時跟蹤水頭的協(xié)聯(lián)機(jī)制。該方法通過水頭查表的方式得到導(dǎo)葉開限，并在機(jī)組進(jìn)入并網(wǎng)態(tài)或水頭變化超過0.2m時，將通過水頭查表得到的開限值寫入機(jī)組調(diào)速器程序作為導(dǎo)葉開限值使用。這種開限選擇方式能根據(jù)水頭變化進(jìn)行實時更新，不需要人為干預(yù)。但運(yùn)行人員根據(jù)需求通過現(xiàn)地、遠(yuǎn)方手動增加或減少導(dǎo)葉開限后，當(dāng)機(jī)組水頭變化超過閾值時會再次將水頭查表得到的開限值選為實際使用的開限值，手動設(shè)置的開限值將被查表后的開限值刷新，無法真正做到手動對開限進(jìn)行設(shè)置。

圖3 水頭變化超閾值更新開限流程Figure 3 The diagram of electrical opening updating when water head changes over threshold

1.2.2 定時更新開限

某大型水電站水頭較高（最大水頭229.4m，最小水頭154.6m），水頭變化幅度較大，水頭對機(jī)組轉(zhuǎn)矩影響較大。該電站目前采用間隔30min通過水頭計算并更新一次開限的方案。通過對電氣開限流程進(jìn)行分析不難得出，水頭信號的穩(wěn)定性對該種方式影響較大。如果出現(xiàn)機(jī)組負(fù)載態(tài)并網(wǎng)運(yùn)行時，水頭產(chǎn)生跳變，那么根據(jù)機(jī)組調(diào)速器水頭處理流程，機(jī)組調(diào)速器將使用當(dāng)前閉鎖的較低水頭。若實際水頭正處于上升階段，則可能存在短時間內(nèi)因?qū)嶋H水頭偏高，調(diào)速器開限設(shè)置過大而引起機(jī)組過速的風(fēng)險。此工況一旦出現(xiàn)，其風(fēng)險相較因開限較小限制機(jī)組出力更大。

圖4 定時更新開限流程Figure 4 The diagram of electrical opening limit updating on scheduled time

2 各運(yùn)行方式比較分析

上節(jié)中所描述各大型水電站所采用的電氣開限與水頭協(xié)聯(lián)機(jī)制，可以分為開限實時跟蹤水頭變化和開限不實時跟蹤水頭變化兩類，兩類運(yùn)行方式各有優(yōu)缺點：

圖5 并網(wǎng)后開限不實時跟蹤水頭優(yōu)點、缺點分析Figure 5 The advantages and disadvantages of whether or not the opening limit tracking the water head

（1）開限不實時跟蹤水頭運(yùn)行方式：此種運(yùn)行方式僅在機(jī)組并網(wǎng)時自動查表下發(fā)當(dāng)前水頭對應(yīng)開限值，只要機(jī)組一直保持并網(wǎng)態(tài)，則導(dǎo)葉開限不會自動跟蹤水頭變化而改變。其優(yōu)點為機(jī)組水頭值跳變或波動對導(dǎo)葉開度限制沒有影響，同時運(yùn)行人員手動方式具有更高優(yōu)先級，可根據(jù)需求對導(dǎo)葉開限進(jìn)行修改，不受水頭實時值影響；其缺點為機(jī)組實際運(yùn)行水頭降低后，導(dǎo)葉開限可能會限制機(jī)組出力，此時為了滿足調(diào)度下發(fā)的負(fù)荷需求，只能由當(dāng)班運(yùn)行人員通過手動方式增加機(jī)組電氣開限，若機(jī)組長時間并網(wǎng)則可能會需要運(yùn)行人員多次手動修改機(jī)組開限。

（2）開限實時跟蹤水頭運(yùn)行方式：此種方式在機(jī)組并網(wǎng)期間，以水頭變化量或時長設(shè)定值為閾值，超過閾值即進(jìn)行“開限-水頭”查表，并將最新機(jī)組開限值送入機(jī)組調(diào)速器程序中用于機(jī)組運(yùn)行控制。其優(yōu)點為機(jī)組導(dǎo)葉開度限制自動跟隨水頭的變化而調(diào)整，不會出現(xiàn)導(dǎo)葉開限限制機(jī)組出力的情況；其缺點為對機(jī)組水頭處理精度等要求較高，水頭數(shù)值的波動對導(dǎo)葉開度限制有直接影響，可能會因水頭值跳變、閉鎖等造成機(jī)組過負(fù)荷等運(yùn)行風(fēng)險。

基于上述分析，決定對某大型水電站機(jī)組電氣開限與水頭協(xié)聯(lián)機(jī)制進(jìn)行優(yōu)化如圖6所示，即在調(diào)速器電氣開限選擇邏輯中加入手動使能開關(guān)，當(dāng)手動使能功能投入時，機(jī)組保持當(dāng)前開限值不變，但只能由運(yùn)行人員人工設(shè)定最新開限值；當(dāng)手動使能功能退出時，若水頭變化超過0.2m，將通過水頭查表得到的新開限值寫入機(jī)組調(diào)速器程序作為導(dǎo)葉開限值使用。經(jīng)過改進(jìn)，新的開限選擇方式能根據(jù)水頭變化對開限進(jìn)行實時更新，不需要人為干預(yù)。但在需要人工對機(jī)組導(dǎo)葉開度限制進(jìn)行調(diào)節(jié)時，只需要投入手動使能功能，即可讓運(yùn)行人員根據(jù)需求遠(yuǎn)方或現(xiàn)地增減機(jī)組開限。

圖6 某大型水電站電氣開限與水頭協(xié)聯(lián)機(jī)制改進(jìn)后流程Figure 6 The diagram of the electrical opening and water head assosication mechanism of the large-scale hydropower unit after improvement

3 結(jié)束語

針對某大型水電站導(dǎo)葉開限不實時跟蹤水頭問題，本文分析了其產(chǎn)生原因，并與其他大型水電站現(xiàn)有調(diào)速系統(tǒng)導(dǎo)葉開限與水頭協(xié)聯(lián)機(jī)制進(jìn)行對比。在詳細(xì)分析了機(jī)組導(dǎo)葉開限實時跟蹤和不實時跟蹤水頭的運(yùn)行方式的優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，提出了符合現(xiàn)場生產(chǎn)要求的優(yōu)化方案。大型水輪機(jī)組電氣開限與水頭協(xié)聯(lián)機(jī)制的研究能夠一定程度上優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行流程，保障水電站經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行。