調(diào)速器成組調(diào)節(jié)在孤網(wǎng)運行中的應用

陳 艷，李學禮，張 輝，張中亞

（天津電氣傳動設(shè)計研究所，天津 300180）

前言

巴基斯坦納塔爾水電站位于巴基斯坦北部城市吉爾吉特，電站安裝三臺雙噴嘴沖擊式水輪機組，總裝機容量為3×6MW，主要為吉爾吉特提供工業(yè)和居民用電，由于該地區(qū)沒有成熟的電網(wǎng)系統(tǒng)，因此該電站為孤網(wǎng)運行模式，且早晚負荷變化較大，居民用電時的電器損壞或大風天氣的線路短路以及大型電機的起停都會引起負荷的劇烈變化，給機組造成較大的沖擊，給電站的調(diào)節(jié)系統(tǒng)帶來了艱巨的考驗。

1 電站參數(shù)

1.1 壓力鋼管參數(shù)

電站原設(shè)計為從前池分別由三根壓力鋼管引水至三臺機組（一機單管方式），后電站因施工條件原因更改為由一根壓力鋼管引水至廠房附近，然后分三根岔管引入三臺機組（一管三機方式），其引水系統(tǒng)參數(shù)見表1。

表1

圖1 壓力鋼管的布置圖

由以上數(shù)據(jù)可計算出水輪機引水系統(tǒng)的水流慣性時間常數(shù)TW為2.116s。

1.2 水輪機組參數(shù)

型號：CJA475-W-112/2×11

水頭：412m

流量：1.734m3/s

額定功率：6.25MW

額定轉(zhuǎn)速：750r/min

發(fā)電機GD2：13.5tm2

轉(zhuǎn)輪GD2：0.2tm2

由以上數(shù)據(jù)可計算出機組慣性時間常數(shù) Ta為3.378s。

GB/T9652.1-2007《水輪機控制系統(tǒng)技術(shù)條件》規(guī)定沖擊式調(diào)速器的工作條件為：水輪機引水系統(tǒng)的水流慣性時間常數(shù)Tw和機組慣性時間常數(shù)Ta的比值不大于0.4，而本電站的Tw與Ta的比值為0.626，遠遠超出了標準規(guī)定的工作條件。

1.3 調(diào)速器參數(shù)

調(diào)速器采用天津某研究所生產(chǎn)的專用于雙噴嘴沖擊式機組的TDBWCT-2型步進電機PLC微機調(diào)速器，其調(diào)節(jié)方式為并聯(lián)PID調(diào)節(jié)模式。主要參數(shù)見表2。

表2

2 問題描述

在電站試運行過程中，我們發(fā)現(xiàn)整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性很差，頻率波動非常大，穩(wěn)定性達不到，甚至在負荷變動較大時，導致系統(tǒng)振蕩機組無法運行，主要存在以下三種現(xiàn)象：

（1）三臺機組同時空載運行時，機組能保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，而當其中任意一臺機組并網(wǎng)發(fā)電且所帶負荷超過一定值時，其余兩臺空載機組頻率劇烈抖動且無法達到額定頻率；

（2）隨著負荷增大，機組頻率波動增大；當三臺機組總負荷超過14MW時，3號機組壓力脈動加劇，調(diào)速器調(diào)節(jié)速率加快，導致整個系統(tǒng)頻率擺動加快，最終造成系統(tǒng)崩潰；

（3）當機組突然減少部分負荷時，如機組頻率升高至折向器投入時，將導致頻率變化較快、較大且難于穩(wěn)定，極端時甚至會使折向器反復投入和退出，導致系統(tǒng)振蕩。

3 原因分析

經(jīng)過對上述現(xiàn)象的分析，我們認為造成該現(xiàn)象的原因主要有以下幾點：

3.1 機組的水流慣性時間太大

國標 GB/T9652.1-2007《水輪機控制系統(tǒng)技術(shù)條件》第3.3條規(guī)定“水流慣性時間常數(shù)Tw與機組慣性時間常數(shù)Ta的比值不大于 0.4”，而本電站的Tw/Ta值可達到0.626，遠遠超出了標準規(guī)定的工作條件。在水流慣性時間常數(shù)Tw為2.166s不變的情況下，機組轉(zhuǎn)動慣量（GD2）應不小于 21.46t·m2，而目前機組轉(zhuǎn)動慣量僅為 13.7t·m2，比要求小 7.76t·m2；

3.2 壓力鋼管布置不合理

由于壓力鋼管的水平段較長且岔管距離較短，導致機組的水流特性隨著噴針開度的增大而急劇變化，其相互之間的水流影響也隨著噴針開度的增加而加劇，而機組轉(zhuǎn)動慣量的過小將水流影響進一步放大。當2臺或3臺機組并列運行時，若其中任意一臺并網(wǎng)運行且其開度增大到一定范圍，此時如果有負荷較大的波動，調(diào)速器對頻率的快速調(diào)節(jié)就很容易引起壓力鋼管的壓力脈動，而壓力的脈動將進一步影響調(diào)速器的調(diào)節(jié)，從而加劇壓力的脈動，最終導致系統(tǒng)的震蕩。而相比較1號、2號機組岔管，3號機組岔管相對較長，在負荷加大時水流特性相對較差，容易引起壓力脈動，導致系統(tǒng)無法穩(wěn)定，造成系統(tǒng)崩潰。

3.3 機組轉(zhuǎn)動慣量過小

當機組突然減少部分負荷，而機組頻率上升至折向器投入點時，折向器投入，水流被迅速切斷，在剩余負荷的作用下，機組頻率下降，由于機組轉(zhuǎn)動慣量過小，機組頻率迅速下降，導致調(diào)速器的快速開啟噴針接力器，當頻率下降至折向器退出點時，折向器退出，此時機組頻率上升，但同樣是由于機組轉(zhuǎn)動慣量過小，導致機組頻率上升過快，從而引起折向器反復投入和退出，系統(tǒng)進入震蕩。

4 解決方案

針對以上現(xiàn)象，進行了一系列的試驗，以解決由于水流和機組轉(zhuǎn)動慣量帶來的不利影響。

4.1 靜特性及空載擾動試驗。

（1）靜特性試驗見表3

表3

（2）空載擾動試驗

單機經(jīng)空載擾動選擇調(diào)速器運行參數(shù)，機組穩(wěn)定后的擺動值見表4。

表4

空載時改機組頻率跟蹤網(wǎng)頻為跟蹤頻給，避免了機組頻率跟蹤網(wǎng)頻時引起的壓力共振，從而解決了任意一臺機組并網(wǎng)發(fā)電時，其他機組頻率抖動且并網(wǎng)困難的問題。

采用變參數(shù)、變調(diào)節(jié)模式及有功負荷的成組調(diào)節(jié)等多種方法在一定范圍內(nèi)改善3臺機組并列運行時的系統(tǒng)振蕩問題。

4.1.1 變參數(shù)

由于水流工況惡劣程度隨著負荷加大逐漸加劇，導致機組頻率擺動也不斷加大，空載時的PID參數(shù)已不適應運行要求，因此隨著負荷不斷加大，PID參數(shù)也需要有所變化，根據(jù)機組所帶負荷的大小，我們選擇了三組PID參數(shù)，見表5。

表5

其工作方式如下：

當空載及單機負荷在 3MW 以下時采用第二組數(shù)據(jù)；單機負荷超過3MW時采用第三組數(shù)據(jù)。

當頻率波動超出49.5Hz～50.5Hz范圍兩分鐘時，無論機組所帶負荷多少，優(yōu)先采用第一組數(shù)據(jù)，待頻率穩(wěn)定后，退出第一組數(shù)據(jù)，根據(jù)負荷大小選擇其他兩組數(shù)據(jù)。

4.1.2 變調(diào)節(jié)模式

試驗發(fā)現(xiàn)，當系統(tǒng)出現(xiàn)頻率擺動時，只有2號機組退出PID調(diào)節(jié)，才能夠有效地緩解系統(tǒng)的擺動，因此我們根據(jù)頻率的波動狀況來控制2號機組的PID的投入及退出，具體如下：當機組頻率 90s內(nèi)在49.3Hz～50.7Hz之間擺動次數(shù)達到3次時，2號機組調(diào)速器PID調(diào)節(jié)退出，進入開度調(diào)節(jié)模式；當頻率在120s內(nèi)一直穩(wěn)定在 49.32Hz～50.67Hz之間，PID將自動投入，調(diào)速器進入頻率調(diào)節(jié)；考慮到機組的安全運行，當2號機組PID調(diào)節(jié)退出時，如調(diào)速器收到斷路器分閘信號、停機令及頻率達到折向器投入點時，2號機組的PID將自動投入。

4.1.3 成組調(diào)節(jié)

由于該電站是孤網(wǎng)運行，調(diào)速器需要根據(jù)負荷的變化隨時調(diào)整電網(wǎng)頻率，但如果三臺機組均作為調(diào)頻機組，勢必會引起機組負荷的拉鋸，此時調(diào)速器負荷的成組調(diào)節(jié)就顯得格外重要了。但由于電站設(shè)備訂貨較早，其監(jiān)控系統(tǒng)為繼電器型，負荷的成組調(diào)節(jié)無法通過監(jiān)控系統(tǒng)與調(diào)速器系統(tǒng)相互配合完成，因此負荷的成組調(diào)節(jié)只能由調(diào)速器獨立完成。

在現(xiàn)場運行發(fā)現(xiàn)，當負荷達到14MW時，3號機組對負荷的波動反應最劇烈，原因為3號機組岔管比較長，在負荷加大時水流特性相對較差，容易引起壓力脈動，壓力脈動促使調(diào)速器調(diào)節(jié)速率加快，調(diào)速器的不斷調(diào)節(jié)反過來又會加劇壓力脈動，即此時調(diào)速器的調(diào)節(jié)及壓力脈動會互相影響，很快就會引起整個系統(tǒng)的壓力脈動及頻率波動，導致系統(tǒng)無法穩(wěn)定，造成系統(tǒng)崩潰。

考慮到3號機組的水流特性較差，我們最初的方案是將3號機組作為基荷機組，1號、2號機組作為調(diào)頻機組。但在試驗中發(fā)現(xiàn)，當負荷加大時，1號、2號機組的正常調(diào)節(jié)仍然會引起3號機組岔管的壓力脈動，造成系統(tǒng)無法穩(wěn)定。

根據(jù)以上試驗現(xiàn)象分析，3號機組的壓力脈動無法從根本上消除，因此只能想辦法盡量減小壓力脈動對整個系統(tǒng)的不利影響，基于以上分析，我們將3號機組改為調(diào)頻機組，1號、2號機組為基荷機組，最終的試驗證明，這種組合下1號、2號機組的壓力脈動被減小了，3號機組壓力脈動帶來的不利影響在整個系統(tǒng)中被最大限度的削弱了，完全可以滿足機組的正常運行要求。

4.2 通過成組控制三臺機組的折向器來減小折向器對系統(tǒng)甩部分負荷的不利影響

由于電站選用的是沖擊式機組，折向器是防止機組飛逸的重要設(shè)備，當機組頻率因為突甩負荷頻率升高到某一設(shè)定值時折向器投入，切斷水流以降低轉(zhuǎn)速，當頻率降低到某一設(shè)定值時折向器退出，在試驗中發(fā)現(xiàn)，當電力系統(tǒng)突然減少一定負荷且折向器投入時，由于機組轉(zhuǎn)動慣量較小，在機組剩余負荷作用下，頻率將迅速下降。根據(jù)現(xiàn)場實測，當折向器投入點為56Hz時，當機組所帶負荷為 5000kW，突然減少至1500kW負荷時，頻率在40us內(nèi)由57Hz快速下降至49Hz，頻率的快速下降導致調(diào)速器調(diào)節(jié)速率加快，噴針接力器迅速打開，當折向器退出時，頻率又會快速上升，周而復始，機組難以穩(wěn)定。因此在機組轉(zhuǎn)動慣量小的缺陷下，折向器的投入及退出點的選擇直接影響到機組的安全、正常運行。

鑒于折向器對機組甩部分負荷時帶來的不利影響，我們從以下兩個方面考慮折向器投入及退出：

（1）盡量減少折向器的投入次數(shù)；

（2）控制折向器的投入時間。

當兩臺機組或三臺機組同時運行時，可以通過負荷變動的多少來控制折向器投入的機組個數(shù)。以三臺機組同時運行為例：當在突然減少負荷量較小時，通過折向器投入點參數(shù)的控制讓1號機組的折向器先投入，如果此時轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升，依次讓2號、3號機組的折向器投入，這樣可以最大化地減小折向器投入對機組帶來的不利影響，即使當突然減少負荷量比較大三臺機組折向器均需投入時，因為三臺機組折向器投入退出點設(shè)置不同，即投入退出的時間不同，也可以最大程度抵消折向器投入所帶來的不利影響，通過現(xiàn)場試驗及后來的運行觀察，完全可以滿足運行要求，三臺機組投入退出點設(shè)置見表6。

表6

5 結(jié)語

在采用變參數(shù)、變調(diào)節(jié)模式、調(diào)速器有功負荷的成組調(diào)節(jié)及折向器成組控制等多種處理方法后，我們對調(diào)速器進行了甩負荷和突減 25%負荷試驗，其試驗數(shù)據(jù)如下：

甩負荷試驗：甩100%負荷時，調(diào)速器可迅速穩(wěn)定在空載狀態(tài)，甩100%負荷試驗時相關(guān)數(shù)據(jù)見表7。

突減25%負荷試驗見表8。

表7

表8

從試驗結(jié)果及將近兩年的運行觀察來看，在這種惡劣的工況下，以上處理方法收到了明顯的成效，調(diào)速器調(diào)節(jié)性能良好，能夠最大程度地削弱電站水工對機組帶來的不利影響，極大的改善了納塔爾電站孤網(wǎng)運行的穩(wěn)定性。

6 建議

對于孤網(wǎng)運行的沖擊式機組，機組的轉(zhuǎn)動慣量應根據(jù)引水系統(tǒng)參數(shù)及機組參數(shù)進行詳細計算，以滿足孤網(wǎng)運行時負荷突然增加和突然減少對機組穩(wěn)定運行的需求，同時也應考慮壓力鋼管的布置以最大程度消除水流對系統(tǒng)的影響。