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        響水澗水庫水位波動對水電廠電力輸出的影響分析及調(diào)控方法

        2023-12-26 10:55:36陳哲昊
        機電信息 2023年24期

        陳哲昊

        (安徽響水澗抽水蓄能有限公司,安徽 蕪湖 241000)

        0 引言

        水庫水位波動對水電廠電力輸出具有顯著影響。當(dāng)水庫水位下降時,水電廠的發(fā)電能力會受到限制,因為水位的降低會減少可用的水能,導(dǎo)致發(fā)電機組的出力減少,這將直接導(dǎo)致電力輸出的降低。相反,當(dāng)水位上升時,發(fā)電能力會增加,因為可用的水能增多,發(fā)電機組的出力也會增加,從而提高電力輸出。因此,水庫水位的波動對水電廠的電力供應(yīng)和電力負荷平衡具有重要影響。

        1 工程概況

        響水澗抽水蓄能電站距離繁昌縣城約25 km,距離蕪湖市約45 km。該工程是一座日調(diào)節(jié)純抽水蓄能電站,裝機容量為1 000 MW,共有4臺單機容量為250 MW的立軸單級混流可逆式水泵水輪機-發(fā)電電動機組。響水澗抽水蓄能電站通過兩回500 kV出線接入華東電網(wǎng),承擔(dān)著華東電網(wǎng)的多項重要任務(wù),包括調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相及應(yīng)對事故的備用。電站樞紐建筑物分為地面建筑物和地下建筑物兩大部分,地面建筑物包括上水庫、下水庫、中控樓、繼保樓、500 kV開關(guān)站和永久設(shè)備庫等設(shè)施,而地下建筑物則包括輸水隧洞、地下主廠房、副廠房、主變洞、母線洞、進廠交通洞、通風(fēng)兼安全洞以及500 kV出線洞等。

        2 響水澗水庫水位波動對水電廠電力輸出的影響

        2.1 水位波動對發(fā)電產(chǎn)能的直接影響

        2.1.1 水位降低對水電廠發(fā)電效率的影響

        水位降低會對水電廠的發(fā)電效率造成直接影響。當(dāng)水位降低時,上下水庫水位之差即水頭減小,導(dǎo)致發(fā)電過程中的可用水量減少,進而降低了水電廠的發(fā)電產(chǎn)能。此時,發(fā)電電動機的輸出功率也會隨之降低,影響電力輸出的穩(wěn)定性和可靠性。水位降低還可能導(dǎo)致水輪機的葉片出現(xiàn)空化現(xiàn)象,即水流速度過快導(dǎo)致葉片表面產(chǎn)生氣泡,降低了發(fā)電電動機的效率。同時,水位下降還可能導(dǎo)致發(fā)電機進水口淤泥、雜物增多,增加了設(shè)備的維護難度,進一步影響了發(fā)電效率和運行穩(wěn)定性[1]。

        2.1.2 水位上升對水電廠發(fā)電能力的影響

        首先,當(dāng)水位越限超過最高值時,可能導(dǎo)致水庫出現(xiàn)溢洪,造成水能浪費和發(fā)電量損失,并影響安全穩(wěn)定生產(chǎn)。其次,水位上升可能導(dǎo)致發(fā)電機轉(zhuǎn)速發(fā)生變化,需對其進行調(diào)整,而發(fā)電機在特定轉(zhuǎn)速下能夠達到最佳效率,如果水位上升導(dǎo)致轉(zhuǎn)速超出這個范圍,發(fā)電效率可能下降。此外,水位上升還可能導(dǎo)致水庫庫區(qū)周圍土地的淹沒,增加了環(huán)境保護和社會安全方面的壓力。針對這種情況,水電廠需要根據(jù)水位上升的速率和幅度,及時進行發(fā)電調(diào)度,采取應(yīng)對措施,以確保發(fā)電過程的安全性和穩(wěn)定性。

        2.2 水位波動對發(fā)電調(diào)度的挑戰(zhàn)

        2.2.1 水位波動導(dǎo)致的電力波動

        水位波動對水電廠的電力輸出會產(chǎn)生不可忽視的影響,這種波動直接導(dǎo)致了電力的起伏變化,進而影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性和運行質(zhì)量。當(dāng)水位發(fā)生快速上升或下降時,水電廠的發(fā)電能力會隨之迅速增減,導(dǎo)致電力輸出出現(xiàn)波動。這樣的電力波動會在電網(wǎng)中傳導(dǎo),并可能引起電壓波動、頻率波動等問題,甚至觸發(fā)電力系統(tǒng)的保護裝置,導(dǎo)致線路的斷電或電力設(shè)備的跳閘,造成供電不穩(wěn)定的情況[2]。

        電力波動對電網(wǎng)的影響可能不僅僅局限于發(fā)電廠所在地區(qū),還可能影響到其他地區(qū)的電力供應(yīng)。當(dāng)發(fā)電廠處于峰值狀態(tài)時,電網(wǎng)可能面臨電力過剩的問題;而當(dāng)發(fā)電廠處于低谷狀態(tài)時,電網(wǎng)可能面臨電力短缺的風(fēng)險。這種電力波動會增加電網(wǎng)運行的復(fù)雜性,對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性提出更高要求。

        2.2.2 不穩(wěn)定水位對電網(wǎng)調(diào)度的影響

        在面對水位波動時,電網(wǎng)調(diào)度需要靈活應(yīng)對,根據(jù)水位變化及時調(diào)整發(fā)電計劃,合理安排發(fā)電機組的運行狀態(tài),以保障電力系統(tǒng)的平衡和穩(wěn)定運行。同時,電網(wǎng)調(diào)度還需要考慮到不同地區(qū)的電力需求和供給狀況,以實現(xiàn)跨區(qū)域電力調(diào)度和平衡。因此,不穩(wěn)定水位對電網(wǎng)調(diào)度的影響不容忽視,需要制定相應(yīng)的應(yīng)對策略和調(diào)度方案。電力波動將對電網(wǎng)穩(wěn)定性和運行質(zhì)量產(chǎn)生直接影響,而不穩(wěn)定水位給電網(wǎng)調(diào)度帶來了更高的復(fù)雜性和難度。為有效解決這些挑戰(zhàn),需要加強水電廠與電網(wǎng)之間的協(xié)調(diào),建立靈活的電力調(diào)度機制,以確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和可靠供電。

        3 響水澗水庫水位波動調(diào)控方法

        3.1 水庫調(diào)度管理

        3.1.1 基于水位預(yù)測的調(diào)度策略

        水位預(yù)測是一種重要的水庫調(diào)度管理方法,通過利用歷史水位數(shù)據(jù)、氣象預(yù)報、往期負荷計劃等信息,對未來一段時間內(nèi)的水位變化進行預(yù)測?;谒活A(yù)測的調(diào)度策略可使水電站提前做好準(zhǔn)備,合理安排發(fā)電抽水計劃,降低水位波動對電力輸出的影響。假設(shè)預(yù)測結(jié)果顯示未來一段時間內(nèi)水位會出現(xiàn)較快速的上升趨勢,水電廠可以在此時適度增加發(fā)電量,充分利用水資源,以避免水位上升過快時的溢洪損失。相反,如果預(yù)測結(jié)果顯示未來三天內(nèi)水位將持續(xù)下降,水電廠可以適時減少發(fā)電量,留存一定的水量,以備不時之需,避免因水位下降導(dǎo)致的發(fā)電能力下降和設(shè)備損壞[3]。

        3.1.2 干旱季節(jié)與雨季水庫水位調(diào)整

        在干旱季節(jié),水庫水位通常會下降,因為降雨量減少,河流和湖泊的水量也會減少,相應(yīng)地,響水澗電站水庫也存在豐枯水季。在干旱季節(jié),應(yīng)盡量減少水庫內(nèi)水源向外滲漏的途徑,放慢水庫的排水速度:通過降低水庫的排水速度,可以讓水庫中的水更長時間地留在水庫中;增加水庫的蓄水量:可以通過購買或租賃其他水源的水來增加水庫的蓄水量。在雨季,則應(yīng)加快水庫的排水速度:通過加快水庫的排水速度,可以減少水庫中的水量,從而防止水庫溢出;控制水庫的入水量:通過限制進入水庫的水量,可以控制水庫的水位[4]。

        對水庫水位的實時調(diào)控,有助于機組在一個合理的水頭范圍內(nèi)運行,也能夠為調(diào)度安排日負荷計劃曲線提供更大的裕度,同時也有助于保護水庫周邊生態(tài)環(huán)境,實現(xiàn)水資源的合理分配和利用。

        3.2 調(diào)速器設(shè)備的應(yīng)用

        根據(jù)表1中的調(diào)速器系統(tǒng)參數(shù)表,響水澗水庫采用SAFR-2000H型微機調(diào)速器和ZFL-GE-125型液壓操作柜來實現(xiàn)水輪機的調(diào)速控制。SAFR-2000H型微機調(diào)速器通過人工轉(zhuǎn)速死區(qū)范圍設(shè)置,可以在0%~±10%的范圍內(nèi)調(diào)整水輪機的轉(zhuǎn)速,以適應(yīng)不同負荷需求和水位波動情況。液壓操作柜采用ZFL-GE-125型,通過調(diào)節(jié)參數(shù)范圍Bp、Kp、Ki、Kd來控制水輪機的轉(zhuǎn)速和輸出功率,實現(xiàn)更精細化的調(diào)節(jié)。而液壓隨動系統(tǒng)采用FC5000雙伺服比例閥冗余系統(tǒng),額定油壓為6.3 MPa,保證了調(diào)速器系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

        表1 調(diào)速器系統(tǒng)參數(shù)表

        根據(jù)表2中各水頭下的限制參數(shù),響水澗電站針對不同水頭情況制定了開度限制策略。在不同水頭下,水輪機的空載開度、抽水開度、最小開度和最大開度有所不同,以適應(yīng)不同水位變化時水輪機的運行。同時,為保證發(fā)電安全和設(shè)備運行,對功率也進行了限制,確保水輪機的運行在102%以內(nèi)。

        表2 各水頭下的限制參數(shù)

        基于以上調(diào)速器設(shè)備參數(shù)和水頭限制參數(shù),響水澗水庫水位波動調(diào)控方法如下:

        1)調(diào)速器參數(shù)優(yōu)化:根據(jù)實際水位波動情況,對SAFR-2000H型微機調(diào)速器和ZFL-GE-125型液壓操作柜中的調(diào)節(jié)參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)置。通過合理調(diào)整Bp、Kp、Ki、Kd等參數(shù),使得水輪機的轉(zhuǎn)速能夠快速響應(yīng)水位波動,實現(xiàn)更穩(wěn)定的電力輸出。

        2)水庫水位適應(yīng)電網(wǎng)負荷調(diào)整:響水澗電站根據(jù)負荷計劃以及一段時間內(nèi)的水位變化情況,制定適宜的發(fā)電抽水計劃。通過協(xié)調(diào)時期水庫水在上下庫庫盆之間的調(diào)度以及根據(jù)電網(wǎng)負荷情況,實現(xiàn)水泵水輪機的合理運行,降低水位波動的幅度。

        3)靈活開度控制:根據(jù)表2中各水頭下的限制參數(shù)以及實際水位情況,靈活調(diào)整水輪機的開度,使其在合適的范圍內(nèi)運行。尤其是在水位上升或下降較快時,及時調(diào)整開度,以避免溢洪或水輪機葉片空化等問題。

        綜上,響水澗水庫水位波動調(diào)控方法主要包括調(diào)速器參數(shù)優(yōu)化、水庫水位適應(yīng)電網(wǎng)負荷調(diào)整和靈活開度控制。通過合理運用調(diào)速器設(shè)備和聯(lián)合調(diào)度策略,響水澗水庫能夠更好地應(yīng)對水位波動,保障水電廠的穩(wěn)定運行和電力供應(yīng)。

        3.3 與電網(wǎng)的協(xié)調(diào)與配合

        3.3.1 響水澗電站與電網(wǎng)之間的調(diào)度協(xié)調(diào)

        首先,響水澗電站與所屬調(diào)度管理部門根據(jù)電網(wǎng)負荷需求和水庫的蓄水情況,由響水澗電站上報日最大發(fā)電點數(shù),調(diào)度計劃處下發(fā)每日負荷計劃。根據(jù)電網(wǎng)的調(diào)度要求,水庫調(diào)整水位、水庫庫容等,以滿足電力需求和保障電網(wǎng)穩(wěn)定運行。特別是在電力負荷波動較大的峰谷時段,響水澗電站能夠根據(jù)電網(wǎng)的需求進行調(diào)峰填谷,提供相應(yīng)的電力支撐,平衡電網(wǎng)負荷。其次,響水澗電站積極響應(yīng)電網(wǎng)的調(diào)度指令。根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度的要求,及時進行發(fā)電機組的啟停,調(diào)整發(fā)電機的運行狀態(tài),以保持水庫的水位穩(wěn)定和電廠的平穩(wěn)發(fā)電。在電網(wǎng)調(diào)度有調(diào)頻、調(diào)相等需要時,響水澗水庫也能夠及時配合進行相應(yīng)調(diào)整,以保障電網(wǎng)頻率和電壓的穩(wěn)定。

        3.3.2 增強電網(wǎng)調(diào)峰填谷能力

        為了更好地響應(yīng)電網(wǎng)的調(diào)峰填谷需求,響水澗電站采取一系列措施來增強電網(wǎng)調(diào)峰填谷能力。首先,優(yōu)化水庫的調(diào)度策略。通過提前進行水位預(yù)測,合理制定調(diào)峰填谷計劃,確保在電網(wǎng)負荷波動較大時,水庫水位能夠及時進行調(diào)整,以滿足電網(wǎng)需求。其次,利用水庫的蓄能特性。響水澗水庫作為蓄能水電站,具有較強的調(diào)峰填谷能力。在電網(wǎng)負荷高峰時,水庫可以蓄水,儲存水能;而在電網(wǎng)負荷低谷時,水庫可以釋放儲存的水能,進行發(fā)電,以平衡電網(wǎng)負荷。此外,響水澗水庫與其他水庫進行聯(lián)合調(diào)度,共同參與電網(wǎng)的調(diào)峰填谷[5]。通過與上下游水庫的協(xié)調(diào),形成一個整體的水能調(diào)配系統(tǒng),實現(xiàn)跨區(qū)域的電能互補和調(diào)峰填谷,提高電網(wǎng)的調(diào)峰填谷能力。

        4 結(jié)束語

        水庫水位波動對水電廠電力輸出具有重要影響,因此調(diào)控水庫水位是保障電力供應(yīng)穩(wěn)定的關(guān)鍵。本文研究了響水澗水庫水位波動對電力輸出的影響,并提出了相應(yīng)的調(diào)控方法。通過加強水庫水位的調(diào)控、優(yōu)化發(fā)電機組的運行策略,以及引入可再生能源和儲能技術(shù),可以有效應(yīng)對水庫水位波動帶來的電力供應(yīng)不穩(wěn)定問題。這些調(diào)控方法不僅可以提高電力輸出的穩(wěn)定性,還能夠推動可再生能源的發(fā)展和利用。未來,隨著技術(shù)的不斷進步,相信水庫水位調(diào)控和電力輸出的優(yōu)化將變得更加精準(zhǔn)和可靠,為可持續(xù)能源發(fā)展做出更大的貢獻。

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