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        基于新網(wǎng)架結構下的水電站汛期運行方式分析及優(yōu)化

        2021-02-26 05:42:34李世豪
        水電站機電技術 2021年1期
        關鍵詞:振動

        黃 浩,王 倫,李世豪,蘇 彪

        (二灘水力發(fā)電廠,四川 攀枝花 617100)

        1 概述

        四川省作為水電之都,水電裝機容量高居中國第一。西南電網(wǎng)異步聯(lián)網(wǎng)后,川渝斷面、攀西水電通道輸電能力將會有明顯提高。川渝斷面由洪板雙線、黃萬雙線和資銅雙線組成,共6回500 kV線路。攀西斷面由東天雙線、普天線、城沐雙線、普洪三線組成,共8回500 kV線路,是攀西水電包括雅礱江下游5級電站、藏電、木里水電送四川主網(wǎng)的唯一通道。近年來,攀西地區(qū)風光裝機增長迅速,斷面內水電送出受限嚴重,汛期擠占通道,棄水情況嚴重,大型電站汛期發(fā)電受限較大,如斷面限額由700萬kW增加至850萬kW,通道空間增長率達21%,考慮新增裝機以及斷面實際限額的因素,預計攀西地區(qū)水電站今年汛期發(fā)電量應有至少10%以上的增長空間?;谝陨闲蝿?,有必要對電站機組汛期運行工況進行分析[1-2],優(yōu)化汛期電站機組運行方式和廠用電運行方式,以適應新的發(fā)電形勢。

        2 原因分析

        2.1 汛期機組運行方式分析

        電站汛期機組運行水頭為180 m~185 m,對應機組運行振動區(qū)下限范圍為150 MW~160 MW,上限范圍為420 MW~455 MW,機組運行水頭與振動區(qū)對應關系如表1:

        表1 水頭與振動區(qū)對應表

        因電網(wǎng)需求,電站在汛期一般需要保持6臺機并網(wǎng)運行,承擔事故備用和旋轉備用任務,下面結合今年機組汛期運行特點,總結出6臺機并網(wǎng)運行方式下,機組在振動區(qū)邊緣運行時對應的負荷分布情況[3-5]。

        監(jiān)控系統(tǒng)AGC參數(shù)設定機組不允許在振動區(qū)運行,在AGC參數(shù)設置時,考慮到避免因AGC設定值的頻繁變化而導致機組頻發(fā)跨越振動區(qū),設置有跨越振動區(qū)的功率死區(qū)40 MW的條件,當設定值偏差大于40 MW時才會跨越振動區(qū),以表2中所對應的負荷為機組在振動區(qū)邊緣運行的情況,當全廠負荷在下述負荷區(qū)間時,機組將在振動區(qū)邊緣運行。

        表2中組合方式為6臺機組負荷分配在振動區(qū)上限、下限區(qū)域的運行方式,如“6臺機上限”指的是6臺機組的負荷均在振動區(qū)上限的運行方式,“5臺機上限”指的是5臺機組負荷在振動區(qū)上限區(qū)域、1臺機組負荷在振動區(qū)下限區(qū)域運行的情況,其余組合方式依次類推。

        當AGC向上調整負荷時,振動區(qū)上限運行機組有功已增加至最大值550 MW,振動區(qū)下限運行機組負荷增加至該水頭下振動區(qū)下限值,需要向上跨越振動區(qū),由于跨越振動區(qū)功率(40 MW)死區(qū)的影響,以下負荷區(qū)間將存在機組在振動區(qū)邊緣運行情況,如表2。

        當AGC向下調整負荷時,振動區(qū)下緣以下的運行機組有功已減小到最小值20 MW,振動區(qū)上緣以上的運行機組負荷已減小至該水頭下的振動區(qū)上限值,需要向下跨越振動區(qū),由于跨越振動區(qū)功率死區(qū)的影響:

        (1)因全廠負荷少,機組運行水頭高,6臺機組并網(wǎng)運行,多臺機長期處于空載或低負荷區(qū)運行,水輪機空腔汽蝕較以往增加。

        (2)因全廠負荷較少,機組運行水頭高,機組在振動區(qū)邊緣運行時間長,現(xiàn)場機組振動明顯增大,甚至部分振動、擺度出現(xiàn)超標報警。今年汛期二灘水電站的全廠總負荷,在900~2 730 MW區(qū)間范圍的情況較多,所以導致今年汛期機組在振動區(qū)邊緣運行情況相對往年明顯增多。

        (3)因振動區(qū)定值整定(6臺機一套定值)及上下游河道情況變化等原因,機組運行水頭對應的振動區(qū)與實際情況有偏差,導致部分機組出現(xiàn)振動、擺度偏大現(xiàn)象。機組長期運行在振動區(qū)邊緣,由于振動區(qū)死區(qū)設定、有功調節(jié)測量偏差、一次調頻等影響,機組將頻繁進入振動區(qū)內運行,機組振動加劇,甚至振動、擺度值超標報警,長期積累必然對機組造成一定損壞。水電站曾發(fā)生過不少機組機械部件受損的缺陷,例如:機組尾水進人門固定螺栓松動、斷裂,水輪機轉輪裂紋嚴重,接力器推拉桿斷裂,水輪機泄水錐脫落,剪斷銷傳感器護套脫落等等。

        2.2 汛期廠用電運行方式分析

        進入汛期大發(fā)電后,電站送出負荷將逐步上升,根據(jù)電站歷年的發(fā)電規(guī)律,預計到7月初,二灘電站大部分時間將大負荷運行,這勢必要求發(fā)電機組發(fā)出更多的無功。同時根據(jù)電力系統(tǒng)逆調壓的原則,在電網(wǎng)負荷高峰時段,電站500 kV系統(tǒng)電壓將調至上限運行,這也勢必要求機組發(fā)出更多的無功。因此,為確保二灘電站廠用電系統(tǒng)安全運行,電站廠高變分接頭由3檔調整至2檔;進入到枯水期后的11月份,又將分接頭由2擋調整至3檔。

        (1)6 kV母線電壓的運行規(guī)定

        規(guī)程規(guī)定:正常運行時6 kV母線電壓保持在5.80~6.42 kV范圍內,400 V母線電壓保持在360~407 V范圍內,其中1號、2號照明盤母線電壓保持在350~380 V范圍內。超過上述范圍應查明原因,并設法調整至正常。

        廠用電壓過低或者過高,會影響電動機負荷的正常運行,從而影響機組的安全運行。電壓過高,會導致電動機的定子磁通接近飽和狀態(tài),出現(xiàn)電流急劇增大,電機效率下降而發(fā)熱嚴重。電壓過低,會使電動機起動轉矩下降很多,起動困難,也會導致定子電流增大,造成電動機過熱,溫升增高,縮短電動機壽命,甚至燒毀電動機。由于進入汛期,電站廠用電壓會升高,在這里只需分析電壓過高的情況。

        (2)電力系統(tǒng)的無功功率平衡

        電力系統(tǒng)的無功電源有發(fā)電機、同步調相機、靜止電容器及靜止補償器等。具備進相運行能力的發(fā)電機也可以作為系統(tǒng)無功負荷消耗系統(tǒng)無功。電力系統(tǒng)的無功負荷和無功損耗主要有異步電動機、變壓器、輸電線路等。輸電線路的無功功率損耗分為兩個部分,其串聯(lián)電抗中的無功功率損耗與通過線路的功率或電流的平方成正比,而其并聯(lián)電納中發(fā)出的無功功率(即線路充電功率)與電壓的平方成正比。當線路傳輸功率較大時,電抗中消耗的無功功率大于電容中發(fā)出的無功功率時,線路等值為消耗無功;當線路傳輸功率較小、線路運行電壓水平較高,電容中產(chǎn)生的無功功率大于電抗中消耗的無功功率時,線路等值為無功電源。當線路電抗中消耗的無功功率等于電容中發(fā)出的無功功率時,此時線路輸送的功率為自然功率,也稱為“波阻抗負載”。未補償線路的自然功率為:

        表2 高水頭下機組振動區(qū)邊緣負荷

        式中,Pn表示自然功率,單位為MW;U表示線路電壓,單位為kV;Zc表示線路波阻抗,l為線路單位長度電感,c為線路單位長度對地電容。

        在電力系統(tǒng)運行的任何時刻,電源發(fā)出的無功功率總是等于同時刻系統(tǒng)無功負荷和無功損耗之和。由無功平衡與電壓水平的關系可知:當系統(tǒng)無功負荷或無功損耗增加,而系統(tǒng)的無功電源出力沒有相應地增加時,系統(tǒng)的無功電源無法滿足原電壓下的無功功率平衡,系統(tǒng)電壓水平會降低。

        (3)汛期廠高變運行在3檔的6 kV母線電壓

        從監(jiān)控系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)取得了2015年7月25日至10月25日3個月期間6段6 kV母線電壓、電站總有功、總無功、機組有功、無功數(shù)據(jù)以及相關事件分析汛期負荷高峰期6 kV母線電壓的情況。

        統(tǒng)計6 kV母線電壓越上限報警事件,共計出現(xiàn)過162次報警:Ⅰ段出現(xiàn)37次,Ⅱ段出現(xiàn)119次,Ⅲ段未出現(xiàn)過,Ⅳ段出現(xiàn)6次,Ⅴ段未出現(xiàn)過,Ⅵ段未出現(xiàn)。分析事件及數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)6 kVⅡ段出現(xiàn)多次電壓越限的原因為2號機未進相運行導致。汛期大負荷期間,6 kV母線電壓能滿足要求。

        理論上當500 kV系統(tǒng)電壓最上限運行時,停機備用機組對應的6 kV 母線電壓在廠高變分接頭在3檔時有越上限的可坑。但是考慮到:我廠機組具備一定的無功裕度,系統(tǒng)電壓通常不會最上限運行;6 kV母線帶有一定的負荷會有一定的電壓降。所以,一般停機機組對應6 kV母線電壓也不會越限。

        3 運行方式優(yōu)化措施

        為進一步優(yōu)化機組運行環(huán)境,確保機組安全穩(wěn)定運行,提出以下措施:

        3.1 合理安排機組運行方式

        在實際運行過程中,加強監(jiān)視,避免機組長時間在振動區(qū)邊緣運行,必要時手動調整手控機組負荷,使投入AGC運行機組快速跨離振動區(qū)。在負荷頻繁變化時段,應根據(jù)運行工況合理調整機組優(yōu)先級,均衡每臺機組跨越振動區(qū)的次數(shù)。

        3.2 重新核定各臺機組振動區(qū)范圍

        現(xiàn)二灘水電站機組振動區(qū)的整定是依據(jù)2007年華中科技大學編制的《二灘水力發(fā)電廠機組運行穩(wěn)定性試驗報告》和多年的運行經(jīng)驗在2004年確定的振區(qū)定值的基礎上優(yōu)化而來,并于2009年7月啟用,6臺機組振區(qū)定值設置一致。應按各臺機實際測量的振動區(qū)進行設定。運行水頭自動采集實際水頭。目前AGC中6臺機共用一個水頭設定值,振動區(qū)每臺機均一樣。但實際1~3號機共用1號尾水調壓室、4~6號機共用2號尾水調壓室,因2個尾水調壓室底板高程不一樣,導致機組實際運行水頭不一樣?,F(xiàn)AGC系統(tǒng)中水頭值是人工根據(jù)上、下游水位計算后手動設置,AGC系統(tǒng)根據(jù)人工手動設置的水頭值,自動在預先整定的振動區(qū)定值中,選擇相對應的振動區(qū)定值執(zhí)行。為更準確、真實地反應機組在運行過程的運行水頭與振動區(qū)情況,應根據(jù)實際水頭變化適時自動計算每臺機的水頭,至少做到1~3號機共用1個水頭,4~6號機共用1個水頭,并分別自動啟用相應振動區(qū)定值。

        3.3 避開機組振動區(qū)運行

        (1)控制權在二灘水電站側時,電站運行人員加強巡回檢查和監(jiān)視,掌握AGC在振動區(qū)邊緣運行的實際情況,合理調整機組優(yōu)先級,申請一臺機組手動控制,及時調整手控機組負荷,盡量使機組離開振動區(qū)及振動區(qū)邊緣運行。由于調度AGC負荷設定值頻繁調整等原因,不能從根本上解決機組在振動區(qū)邊緣運行的問題。

        (2)二灘電站實行無人值班時,應統(tǒng)計機組跨振動區(qū)的情況,注重機組運行工況分析,并將分析統(tǒng)計情況及時反饋給上級調度機構。

        (3)因每臺機組在實際運行中其工況會有差異,不可能完全一致,建議利用機組檢修后試驗的機會,組織技術力量對各臺機組在不同水頭下的振動區(qū)進行更加細致的測定,對工況較差的機組適當增大振動區(qū)定值范圍,并根據(jù)實際情況為各臺機組設置不同的振動區(qū)定值。

        (4)實際運行中,因尾水調壓室底板高程不同、機組所帶負荷不同等原因,機組運行水頭有差異;且由于二灘水電站承擔電網(wǎng)調峰、調頻任務,負荷變化幅度大且頻繁,出庫流量變化大,水頭的變化幅度約3~4 m,經(jīng)常出現(xiàn)實際水頭與AGC設定的水頭值不符,從而導致機組振動區(qū)設定不合理。在進行AGC中的水頭值設定時,應避開運行在振動區(qū)邊緣不好的工況。

        (5)通過調整機組優(yōu)先級、修改AGC中水頭值,手控一臺機組配合AGC調整,避免了部分情況下機組跨振動區(qū)以及機組運行在振動區(qū)邊緣的情況,減小了機組的傷害,但由于二灘電站在川渝電網(wǎng)中調峰、調頻任務重,有時AGC下發(fā)負荷值變化非常大,且在增減200 MW左右頻繁變化,這種情況下機組不可避免的要頻繁跨越振動區(qū)。

        3.4 合理安排廠用電運行方式

        根據(jù)對廠高變分接頭調整分析,電站廠高變分接頭近兩年的汛期均保持在3檔運行,并未出現(xiàn)6 kV母線電壓越上限后不可調整的情況,經(jīng)過調整均能保證在額定電壓范圍內運行。因此,廠高變分接頭不需要進行調整,枯期、汛期均保持3檔運行即可。

        4 結語

        通過分析二灘電站汛期機組運行工況,優(yōu)化機組運行方式,調整廠高變運行方式,減少了機組因頻繁跨越振動區(qū)和頻繁調整負荷產(chǎn)生的設備缺陷,尤其對防止重大機械故障引起災難性事故有著重要的意義,也能減輕機組維護工作量。汛期大發(fā)嚴峻考驗設備發(fā)電能力,加強機組運行工況的分析,是運行工作的重要內容,在今后的工作中,我們將做好設備定期輪換工作,定期開展設備運行分析工作,加強巡檢,及時消缺,為發(fā)電設備穩(wěn)定運行提供保障。

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