色爾古水電廠機(jī)組出力不穩(wěn)現(xiàn)象的分析與處理

趙松峰，鄧小剛，白劍飛，梁 薇，黃 穎，李春雷

(1.北京中水科水電科技開(kāi)發(fā)有限公司，北京 100038；2.阿壩水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川 成都 610036)

色爾古水電廠機(jī)組出力不穩(wěn)現(xiàn)象的分析與處理

趙松峰1，鄧小剛1，白劍飛1，梁 薇1，黃 穎2，李春雷2

(1.北京中水科水電科技開(kāi)發(fā)有限公司，北京 100038；2.阿壩水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川 成都 610036)

本文論述了色爾古水電廠投運(yùn)過(guò)程中，如何處理機(jī)組并網(wǎng)后水輪機(jī)不能處于穩(wěn)態(tài)，出力（有功功率）出現(xiàn)不規(guī)則波動(dòng)的問(wèn)題，從原理和試驗(yàn)兩個(gè)角度剖析了該問(wèn)題的根源，并針對(duì)色爾古水電廠的功率不穩(wěn)定的現(xiàn)象，提出了解決這一問(wèn)題的合理可行的方案。

色爾古水電廠；水輪機(jī)；出力；有功功率；穩(wěn)態(tài)；計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

0 概述

色爾古水力發(fā)電廠位于四川省阿壩州黑水縣色爾古鄉(xiāng)，是黑水河流域水電規(guī)劃“二庫(kù)五級(jí)”開(kāi)發(fā)方案中的第四級(jí)梯級(jí)電站，該工程以發(fā)電為主，安裝3臺(tái)引水式50MW水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量150MW，引水隧洞長(zhǎng)10km。電站2號(hào)、3號(hào)機(jī)組已分別2009年6月20日、29日完成72h試運(yùn)行，正式投入商業(yè)運(yùn)行。

在2號(hào)機(jī)組調(diào)試投運(yùn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)并網(wǎng)之后，當(dāng)有功功率調(diào)節(jié)到給定值，調(diào)節(jié)完成之后，機(jī)組的有功功率顯示會(huì)向上或者向下無(wú)規(guī)律波動(dòng)，并且波動(dòng)范圍超出了調(diào)度的允許誤差范圍（+2%），甚至達(dá)到了10%之多。影響了投入商業(yè)運(yùn)行的條件。

1 出力不穩(wěn)現(xiàn)象根源分析

水輪機(jī)的主要工作參數(shù)是表征水流通過(guò)水輪機(jī)，水流的能量轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)輪機(jī)械能過(guò)程中的特性數(shù)據(jù)，水輪機(jī)的主要工作參數(shù)有：水頭H、流量Q、出力P、效率η、轉(zhuǎn)速n。

水輪機(jī)水頭H是指凈水頭，即水輪機(jī)的工作水頭。水輪機(jī)的工作水頭可表示為：

式中Hg——水電站毛水頭，為上下游水位差值；Δh——水電站建筑物中的水力損耗。

從式（1-1）可知：水輪機(jī)的工作水頭隨上下游水位的變化而改變，但是色爾古水電站在并網(wǎng)發(fā)電時(shí)，上下游水位基本無(wú)變化，即便有10cm的變化，相對(duì)于90m的毛水頭來(lái)講，也只有千分之一，故可以認(rèn)為在凈水頭在出力不規(guī)則波動(dòng)問(wèn)題的過(guò)程中是沒(méi)有變化的。

水輪機(jī)的流量Q是指單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)水輪機(jī)某一既定過(guò)流斷面的水流體積，在設(shè)計(jì)水頭下，水輪機(jī)在額定轉(zhuǎn)速、額定出力運(yùn)行時(shí)所對(duì)應(yīng)的流量是水輪機(jī)額定出力時(shí)所需要的最大流量。

水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速n是指水輪機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)的旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)數(shù)。

水輪機(jī)的出力P是指水輪機(jī)軸端輸出的有功功率，水輪機(jī)的輸入功率為單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)水輪機(jī)的水流的總能量，即水流的出力，但是水流通過(guò)水輪機(jī)時(shí)存在一定的能量損耗，例如：（1）水輪機(jī)的水力損失，水流經(jīng)過(guò)水輪機(jī)的蝸殼、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)輪、尾水管等部位時(shí)都會(huì)產(chǎn)生摩擦、撞擊、渦流、脫流等水力損失；（2）水輪機(jī)的容積損失，在水輪機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中有一小部分流量從水輪機(jī)的固定部件和旋轉(zhuǎn)部件之間的間隙中漏出，這部分流量沒(méi)有對(duì)轉(zhuǎn)輪做功；（3）水輪機(jī)的機(jī)械損失，如軸承與密封處的摩擦損失、轉(zhuǎn)輪外殼與周?chē)g的摩擦損失等[1]。這三種損耗決定了水輪機(jī)的效率η。

一臺(tái)安裝調(diào)試完畢之后的水輪機(jī)，水輪機(jī)的水力損失、容積損失、機(jī)械損失都是不變的常量，不會(huì)因?yàn)槠渌蛩氐淖兓兓?，故可以排除水輪機(jī)的效率η對(duì)機(jī)組出力不穩(wěn)現(xiàn)象的影響。

而水輪機(jī)出力P可表示為：

式中Υ——水輪機(jī)常量參數(shù)；Q——水輪機(jī)的流量；

H——水輪機(jī)的工作水頭；η——水輪機(jī)的效率。

若水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)力矩用M表示，旋轉(zhuǎn)角速度用ω表示，則水輪機(jī)出力P還可表示為：

式中M——水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)力矩；ω——旋轉(zhuǎn)角速度；

n——水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速。

通過(guò)式（1-2）可以得出水輪機(jī)出力P與三個(gè)變量：水輪機(jī)水頭H、水輪機(jī)的流量Q、水輪機(jī)的效率η有關(guān)，而前面已經(jīng)分析過(guò)水輪機(jī)水頭H、水輪機(jī)的效率η兩個(gè)因素對(duì)本文提到的出力不穩(wěn)的現(xiàn)象沒(méi)有影響，而唯一存在變化因素的只有水輪機(jī)的流量Q一個(gè)量。

另外通過(guò)式（1-3）也可以知道，水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)力矩M對(duì)一臺(tái)生產(chǎn)成型的水輪機(jī)來(lái)說(shuō)是常量，影響出力P的唯一變化因素就是水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速n，而在工作水頭不變的情況之下引起水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速n變化的因素也只有水輪機(jī)的流量Q。

通過(guò)理論分析可以基本確定機(jī)組的出力不穩(wěn)是由于過(guò)機(jī)流量的不穩(wěn)定而造成的。

但是在水輪機(jī)當(dāng)時(shí)工況下，調(diào)速器采集數(shù)據(jù)顯示導(dǎo)葉開(kāi)度維持不變，而上下游水位在當(dāng)時(shí)的情況之下肯定是沒(méi)有變化的（監(jiān)控系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)顯示也確實(shí)沒(méi)有變化），機(jī)組的效率也是既定的常量，其他再?zèng)]有可以影響流量Q使之波動(dòng)的變量。按照表面現(xiàn)象所有變量都沒(méi)有波動(dòng)，故機(jī)組出力P是不應(yīng)該波動(dòng)的。而實(shí)際情況是機(jī)組有功功率顯示值在無(wú)規(guī)則波動(dòng)，我們對(duì)比了計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采集的有功數(shù)據(jù)、調(diào)速器采集的有功數(shù)據(jù)、勵(lì)磁系統(tǒng)采集的有功數(shù)據(jù)均顯示有功確實(shí)存在波動(dòng)，排除了數(shù)據(jù)采集失真的可能性。數(shù)據(jù)反饋正常，說(shuō)明唯一影響機(jī)組出力的變量水輪機(jī)的流量Q存在波動(dòng)，而流量Q波動(dòng)的唯一可變因素是導(dǎo)葉開(kāi)度，初步判定調(diào)速器采集到的導(dǎo)葉開(kāi)度不變的數(shù)據(jù)可能不準(zhǔn)確。

上述分析都是鑒于理論分析和實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)做出的初步判斷，至于水輪機(jī)的導(dǎo)葉開(kāi)度到底是否真的存在波動(dòng)，要做進(jìn)一步試驗(yàn)才能驗(yàn)證。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的狀況，機(jī)組處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，在導(dǎo)葉接力器鎖錠上架起百分表，對(duì)導(dǎo)葉接力器鎖錠的位移量做了測(cè)量，結(jié)果顯示導(dǎo)葉接力器鎖錠最大存在0.5mm的位移量，且位移的開(kāi)關(guān)方向與機(jī)組出力P的大小波動(dòng)完全一致，進(jìn)一步斷定是由于水輪機(jī)導(dǎo)葉開(kāi)度的變化引起了機(jī)組出力P的波動(dòng)，由于接力器鎖錠的位移量很?。ǖ菍?duì)機(jī)組出力的影響很大），加且調(diào)速器系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集精度不夠，測(cè)量不到導(dǎo)葉開(kāi)度的變化。

由于機(jī)械測(cè)量精度有限，且不能直觀的看到導(dǎo)葉開(kāi)度的變化對(duì)應(yīng)影響有功功率變化的幅度，為了最終確定波動(dòng)原因，用中儀器對(duì)機(jī)組有功功率和導(dǎo)葉開(kāi)度做了電氣測(cè)量和錄波，電氣測(cè)量得到的波形顯示有功功率完全跟隨導(dǎo)葉開(kāi)度的波動(dòng)在上下浮動(dòng)，波形趨勢(shì)完全吻合。證明機(jī)組出力不穩(wěn)的原因所在：導(dǎo)葉開(kāi)度的不穩(wěn)定。

2 問(wèn)題處理方案

2.1 處理方案

為了能使2號(hào)、3號(hào)機(jī)組順利進(jìn)入正常運(yùn)行，經(jīng)業(yè)主、廠家、設(shè)計(jì)討論之后，決定由計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)施有功功率跟蹤調(diào)節(jié)模式，對(duì)機(jī)組的有功功率實(shí)時(shí)追蹤，只要機(jī)組有功功率波動(dòng)出了給定值+2%的誤差允許范圍，就立即自動(dòng)進(jìn)行有功規(guī)律調(diào)節(jié)，把機(jī)組出力調(diào)節(jié)至允許的誤差范圍之內(nèi)。

這樣處理的弊端就是由于機(jī)組不能處于一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，一旦機(jī)組出力超出允許范圍，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)就會(huì)對(duì)調(diào)速器系統(tǒng)發(fā)出有功功率調(diào)節(jié)指令，頻繁的調(diào)節(jié)動(dòng)作可能會(huì)導(dǎo)致調(diào)速器系統(tǒng)油泵頻繁打油，導(dǎo)葉接力器也頻繁動(dòng)作，長(zhǎng)此以往，勢(shì)必影響調(diào)速器系統(tǒng)油泵、導(dǎo)葉接力器的使用壽命。記錄油泵運(yùn)行時(shí)間間隔，結(jié)果發(fā)現(xiàn)調(diào)速器油泵兩次打油時(shí)間平均間隔大約在1h，不是很頻繁，征詢(xún)調(diào)速器系統(tǒng)廠家意見(jiàn)，確定基本不影響設(shè)備正常使用。

2.2 處理此問(wèn)題前正常有功功率調(diào)節(jié)模式

圖1表示了常規(guī)水電站的有功功率調(diào)節(jié)過(guò)程：當(dāng)接收到有功功率調(diào)節(jié)命令，即開(kāi)始進(jìn)行有功功率調(diào)節(jié)，給調(diào)速器系統(tǒng)發(fā)送功率調(diào)節(jié)脈沖，調(diào)節(jié)脈寬決定有功功率調(diào)節(jié)的幅度，當(dāng)把有功功率實(shí)發(fā)值調(diào)節(jié)到與有功功率給定值之差小于設(shè)定的死區(qū)時(shí)，結(jié)束本次調(diào)節(jié)過(guò)程；或者調(diào)節(jié)了3min有功功率實(shí)發(fā)值調(diào)節(jié)到與有功功率給定值之差還沒(méi)有小于設(shè)定的死區(qū)時(shí)，調(diào)節(jié)超時(shí)，也結(jié)束本次調(diào)節(jié)過(guò)程。

圖1 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)有功功率調(diào)節(jié)過(guò)程示意圖

對(duì)于正常的能處于穩(wěn)態(tài)的機(jī)組，當(dāng)有功功率調(diào)節(jié)到給定值之后能夠保持穩(wěn)態(tài)，保持導(dǎo)葉開(kāi)度不變，維持機(jī)組出力穩(wěn)定不變。有功功率調(diào)節(jié)完成后，不用再去追蹤處理有功功率，除非再次收到有功功率調(diào)節(jié)命令，才會(huì)再次去調(diào)節(jié)有功功率。

H9000計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在正常情況下均采用上述調(diào)節(jié)模式。

2.3 處理此問(wèn)題后有功功率調(diào)節(jié)模式

色爾古站出現(xiàn)的問(wèn)題是有功功率調(diào)節(jié)至給定目標(biāo)值之后，機(jī)組不能處于穩(wěn)態(tài)，有功會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，且波動(dòng)幅度較大，顯然常規(guī)的調(diào)節(jié)模式無(wú)法保證本站的有功功率調(diào)節(jié)完成之后，有功功率一直保持在調(diào)度要求的+2%的誤差允許范圍，就無(wú)法進(jìn)入正式運(yùn)行。

針對(duì)此問(wèn)題，對(duì)有功功率調(diào)節(jié)模式做了相應(yīng)的處理，采用H9000系統(tǒng)中有功跟蹤模式，以解決上述問(wèn)題。

圖2 色爾古水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)有功功率調(diào)節(jié)過(guò)程示意圖

如圖2所示，根據(jù)色爾古電站的實(shí)際情況，實(shí)現(xiàn)了有功功率的跟蹤調(diào)節(jié)功能：當(dāng)機(jī)組的有功功率跟蹤功能在投入狀態(tài)，機(jī)組發(fā)電過(guò)程中，當(dāng)有功功率調(diào)節(jié)超時(shí)若有功實(shí)發(fā)值與給定值之差仍大于死區(qū)值，則延時(shí)t s自動(dòng)啟動(dòng)下一次有功功率調(diào)節(jié)過(guò)程，直到調(diào)節(jié)到目標(biāo)值為止；當(dāng)機(jī)組的有功功率跟蹤功能在投入狀態(tài)，機(jī)組發(fā)電過(guò)程中，當(dāng)有功功率調(diào)節(jié)到目標(biāo)值，有功功率調(diào)節(jié)結(jié)束后，若機(jī)組有功再次出現(xiàn)波動(dòng)，且波動(dòng)幅度超出給定值+2%的范圍，持續(xù)時(shí)間超過(guò)設(shè)定的t s，則也會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)下一次有功功率調(diào)節(jié)過(guò)程。

此種有功功率調(diào)節(jié)模式就完全解決了色爾古電站機(jī)組發(fā)電狀態(tài)時(shí)穩(wěn)態(tài)性差的問(wèn)題，在發(fā)電運(yùn)行過(guò)程中只要有功功率偏離給定值就及時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使之完全符合商業(yè)運(yùn)行調(diào)度所要求的有功誤差要求。且本方案解決問(wèn)題用時(shí)短，成本低，保證了機(jī)組能夠順利按時(shí)進(jìn)入正式運(yùn)行。

3 解決方案結(jié)果檢驗(yàn)

有功、無(wú)功功率調(diào)節(jié)是計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)重要功能之一，是計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)以自動(dòng)方式取代人工手動(dòng)調(diào)節(jié)方式、以精確的計(jì)算機(jī)精準(zhǔn)調(diào)節(jié)取代手動(dòng)粗放型調(diào)節(jié)，進(jìn)而促使整個(gè)電站實(shí)現(xiàn)“無(wú)人值班”(少人值守)的重要手段。

鑒于前面所論述的問(wèn)題的前提下，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)對(duì)機(jī)組有功功率即時(shí)調(diào)節(jié)的解決方案經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明，完全可行，并且在小成本的情況下，是時(shí)間短，較為合理的方案。

在發(fā)電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，該方案確實(shí)解決了色爾古電站機(jī)組出力波動(dòng)的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)運(yùn)行觀察，通過(guò)有功功率跟蹤調(diào)節(jié)功能，在機(jī)組有功功率發(fā)生波動(dòng)的時(shí)候，只要波動(dòng)幅度超出+2%，就會(huì)對(duì)機(jī)組有功功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，保持機(jī)組有功功率穩(wěn)定在電網(wǎng)調(diào)度允許的范圍內(nèi)，同時(shí)觀察調(diào)速器系統(tǒng)油泵發(fā)現(xiàn)，沒(méi)有出現(xiàn)頻繁啟動(dòng)打油的情況。說(shuō)明本解決方案完全可靠、合理。本文中有功調(diào)節(jié)誤差2%、3min、ts等數(shù)值是針對(duì)具體機(jī)組而言，這些數(shù)值在其它電站視機(jī)組具體情況而定。

[1]鄭源，鞠小明.水輪機(jī)[M].南京∶中國(guó)科學(xué)文化出版社，2003.

TP273+.5

B

1672-5387（2010）03-0040-03

2010-04-28

趙松峰（1983-），男，本科，助理工程師，從事水電站計(jì)算監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)、調(diào)試工作。（E-mail∶iwhr_zsf@163.com）