基于新網(wǎng)架結(jié)構(gòu)下的水電站汛期運(yùn)行方式分析及優(yōu)化

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(jī)容量高居中國(guó)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(huì)有明顯提高。川渝斷面由洪板雙線、黃萬(wàn)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(jí)電站、藏電、木里水電送四川主網(wǎng)的唯一通道。近年來(lái)，攀西地區(qū)風(fēng)光裝機(jī)增長(zhǎng)迅速，斷面內(nèi)水電送出受限嚴(yán)重，汛期擠占通道，棄水情況嚴(yán)重，大型電站汛期發(fā)電受限較大，如斷面限額由700萬(wàn)kW增加至850萬(wàn)kW，通道空間增長(zhǎng)率達(dá)21%，考慮新增裝機(jī)以及斷面實(shí)際限額的因素，預(yù)計(jì)攀西地區(qū)水電站今年汛期發(fā)電量應(yīng)有至少10%以上的增長(zhǎng)空間?；谝陨闲蝿?shì)，有必要對(duì)電站機(jī)組汛期運(yùn)行工況進(jìn)行分析[1-2]，優(yōu)化汛期電站機(jī)組運(yùn)行方式和廠用電運(yùn)行方式，以適應(yīng)新的發(fā)電形勢(shì)。

2 原因分析

2.1 汛期機(jī)組運(yùn)行方式分析

電站汛期機(jī)組運(yùn)行水頭為180 m～185 m，對(duì)應(yīng)機(jī)組運(yùn)行振動(dòng)區(qū)下限范圍為150 MW～160 MW，上限范圍為420 MW～455 MW，機(jī)組運(yùn)行水頭與振動(dòng)區(qū)對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1：

表1 水頭與振動(dòng)區(qū)對(duì)應(yīng)表

因電網(wǎng)需求，電站在汛期一般需要保持6臺(tái)機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行，承擔(dān)事故備用和旋轉(zhuǎn)備用任務(wù)，下面結(jié)合今年機(jī)組汛期運(yùn)行特點(diǎn)，總結(jié)出6臺(tái)機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行方式下，機(jī)組在振動(dòng)區(qū)邊緣運(yùn)行時(shí)對(duì)應(yīng)的負(fù)荷分布情況[3-5]。

監(jiān)控系統(tǒng)AGC參數(shù)設(shè)定機(jī)組不允許在振動(dòng)區(qū)運(yùn)行，在AGC參數(shù)設(shè)置時(shí)，考慮到避免因AGC設(shè)定值的頻繁變化而導(dǎo)致機(jī)組頻發(fā)跨越振動(dòng)區(qū)，設(shè)置有跨越振動(dòng)區(qū)的功率死區(qū)40 MW的條件，當(dāng)設(shè)定值偏差大于40 MW時(shí)才會(huì)跨越振動(dòng)區(qū)，以表2中所對(duì)應(yīng)的負(fù)荷為機(jī)組在振動(dòng)區(qū)邊緣運(yùn)行的情況，當(dāng)全廠負(fù)荷在下述負(fù)荷區(qū)間時(shí)，機(jī)組將在振動(dòng)區(qū)邊緣運(yùn)行。

表2中組合方式為6臺(tái)機(jī)組負(fù)荷分配在振動(dòng)區(qū)上限、下限區(qū)域的運(yùn)行方式，如“6臺(tái)機(jī)上限”指的是6臺(tái)機(jī)組的負(fù)荷均在振動(dòng)區(qū)上限的運(yùn)行方式，“5臺(tái)機(jī)上限”指的是5臺(tái)機(jī)組負(fù)荷在振動(dòng)區(qū)上限區(qū)域、1臺(tái)機(jī)組負(fù)荷在振動(dòng)區(qū)下限區(qū)域運(yùn)行的情況，其余組合方式依次類推。

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

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

（1）因全廠負(fù)荷少，機(jī)組運(yùn)行水頭高，6臺(tái)機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行，多臺(tái)機(jī)長(zhǎng)期處于空載或低負(fù)荷區(qū)運(yùn)行，水輪機(jī)空腔汽蝕較以往增加。

（2）因全廠負(fù)荷較少，機(jī)組運(yùn)行水頭高，機(jī)組在振動(dòng)區(qū)邊緣運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組振動(dòng)明顯增大，甚至部分振動(dòng)、擺度出現(xiàn)超標(biāo)報(bào)警。今年汛期二灘水電站的全廠總負(fù)荷，在900～2 730 MW區(qū)間范圍的情況較多，所以導(dǎo)致今年汛期機(jī)組在振動(dòng)區(qū)邊緣運(yùn)行情況相對(duì)往年明顯增多。

（3）因振動(dòng)區(qū)定值整定（6臺(tái)機(jī)一套定值）及上下游河道情況變化等原因，機(jī)組運(yùn)行水頭對(duì)應(yīng)的振動(dòng)區(qū)與實(shí)際情況有偏差，導(dǎo)致部分機(jī)組出現(xiàn)振動(dòng)、擺度偏大現(xiàn)象。機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行在振動(dòng)區(qū)邊緣，由于振動(dòng)區(qū)死區(qū)設(shè)定、有功調(diào)節(jié)測(cè)量偏差、一次調(diào)頻等影響，機(jī)組將頻繁進(jìn)入振動(dòng)區(qū)內(nèi)運(yùn)行，機(jī)組振動(dòng)加劇，甚至振動(dòng)、擺度值超標(biāo)報(bào)警，長(zhǎng)期積累必然對(duì)機(jī)組造成一定損壞。水電站曾發(fā)生過(guò)不少機(jī)組機(jī)械部件受損的缺陷，例如：機(jī)組尾水進(jìn)人門固定螺栓松動(dòng)、斷裂，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋嚴(yán)重，接力器推拉桿斷裂，水輪機(jī)泄水錐脫落，剪斷銷傳感器護(hù)套脫落等等。

2.2 汛期廠用電運(yùn)行方式分析

進(jìn)入汛期大發(fā)電后，電站送出負(fù)荷將逐步上升，根據(jù)電站歷年的發(fā)電規(guī)律，預(yù)計(jì)到7月初，二灘電站大部分時(shí)間將大負(fù)荷運(yùn)行，這勢(shì)必要求發(fā)電機(jī)組發(fā)出更多的無(wú)功。同時(shí)根據(jù)電力系統(tǒng)逆調(diào)壓的原則，在電網(wǎng)負(fù)荷高峰時(shí)段，電站500 kV系統(tǒng)電壓將調(diào)至上限運(yùn)行，這也勢(shì)必要求機(jī)組發(fā)出更多的無(wú)功。因此，為確保二灘電站廠用電系統(tǒng)安全運(yùn)行，電站廠高變分接頭由3檔調(diào)整至2檔；進(jìn)入到枯水期后的11月份，又將分接頭由2擋調(diào)整至3檔。

（1）6 kV母線電壓的運(yùn)行規(guī)定

規(guī)程規(guī)定：正常運(yùn)行時(shí)6 kV母線電壓保持在5.80～6.42 kV范圍內(nèi)，400 V母線電壓保持在360～407 V范圍內(nèi)，其中1號(hào)、2號(hào)照明盤母線電壓保持在350～380 V范圍內(nèi)。超過(guò)上述范圍應(yīng)查明原因，并設(shè)法調(diào)整至正常。

廠用電壓過(guò)低或者過(guò)高，會(huì)影響電動(dòng)機(jī)負(fù)荷的正常運(yùn)行，從而影響機(jī)組的安全運(yùn)行。電壓過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的定子磁通接近飽和狀態(tài)，出現(xiàn)電流急劇增大，電機(jī)效率下降而發(fā)熱嚴(yán)重。電壓過(guò)低，會(huì)使電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩下降很多，起動(dòng)困難，也會(huì)導(dǎo)致定子電流增大，造成電動(dòng)機(jī)過(guò)熱，溫升增高，縮短電動(dòng)機(jī)壽命，甚至燒毀電動(dòng)機(jī)。由于進(jìn)入汛期，電站廠用電壓會(huì)升高，在這里只需分析電壓過(guò)高的情況。

（2）電力系統(tǒng)的無(wú)功功率平衡

電力系統(tǒng)的無(wú)功電源有發(fā)電機(jī)、同步調(diào)相機(jī)、靜止電容器及靜止補(bǔ)償器等。具備進(jìn)相運(yùn)行能力的發(fā)電機(jī)也可以作為系統(tǒng)無(wú)功負(fù)荷消耗系統(tǒng)無(wú)功。電力系統(tǒng)的無(wú)功負(fù)荷和無(wú)功損耗主要有異步電動(dòng)機(jī)、變壓器、輸電線路等。輸電線路的無(wú)功功率損耗分為兩個(gè)部分，其串聯(lián)電抗中的無(wú)功功率損耗與通過(guò)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(wú)功功率（即線路充電功率）與電壓的平方成正比。當(dāng)線路傳輸功率較大時(shí)，電抗中消耗的無(wú)功功率大于電容中發(fā)出的無(wú)功功率時(shí)，線路等值為消耗無(wú)功；當(dāng)線路傳輸功率較小、線路運(yùn)行電壓水平較高，電容中產(chǎn)生的無(wú)功功率大于電抗中消耗的無(wú)功功率時(shí)，線路等值為無(wú)功電源。當(dāng)線路電抗中消耗的無(wú)功功率等于電容中發(fā)出的無(wú)功功率時(shí)，此時(shí)線路輸送的功率為自然功率，也稱為“波阻抗負(fù)載”。未補(bǔ)償線路的自然功率為：

表2 高水頭下機(jī)組振動(dòng)區(qū)邊緣負(fù)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(zhǎng)度電感，c為線路單位長(zhǎng)度對(duì)地電容。

在電力系統(tǒng)運(yùn)行的任何時(shí)刻，電源發(fā)出的無(wú)功功率總是等于同時(shí)刻系統(tǒng)無(wú)功負(fù)荷和無(wú)功損耗之和。由無(wú)功平衡與電壓水平的關(guān)系可知：當(dāng)系統(tǒng)無(wú)功負(fù)荷或無(wú)功損耗增加，而系統(tǒng)的無(wú)功電源出力沒(méi)有相應(yīng)地增加時(shí)，系統(tǒng)的無(wú)功電源無(wú)法滿足原電壓下的無(wú)功功率平衡，系統(tǒng)電壓水平會(huì)降低。

（3）汛期廠高變運(yùn)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(gè)月期間6段6 kV母線電壓、電站總有功、總無(wú)功、機(jī)組有功、無(wú)功數(shù)據(jù)以及相關(guān)事件分析汛期負(fù)荷高峰期6 kV母線電壓的情況。

統(tǒng)計(jì)6 kV母線電壓越上限報(bào)警事件，共計(jì)出現(xiàn)過(guò)162次報(bào)警：Ⅰ段出現(xiàn)37次，Ⅱ段出現(xiàn)119次，Ⅲ段未出現(xiàn)過(guò)，Ⅳ段出現(xiàn)6次，Ⅴ段未出現(xiàn)過(guò)，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?yàn)?號(hào)機(jī)未進(jìn)相運(yùn)行導(dǎo)致。汛期大負(fù)荷期間，6 kV母線電壓能滿足要求。

理論上當(dāng)500 kV系統(tǒng)電壓最上限運(yùn)行時(shí)，停機(jī)備用機(jī)組對(duì)應(yīng)的6 kV 母線電壓在廠高變分接頭在3檔時(shí)有越上限的可坑。但是考慮到：我廠機(jī)組具備一定的無(wú)功裕度，系統(tǒng)電壓通常不會(huì)最上限運(yùn)行；6 kV母線帶有一定的負(fù)荷會(huì)有一定的電壓降。所以，一般停機(jī)機(jī)組對(duì)應(yīng)6 kV母線電壓也不會(huì)越限。

3 運(yùn)行方式優(yōu)化措施

為進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行環(huán)境，確保機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，提出以下措施：

3.1 合理安排機(jī)組運(yùn)行方式

在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，加強(qiáng)監(jiān)視，避免機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間在振動(dòng)區(qū)邊緣運(yùn)行，必要時(shí)手動(dòng)調(diào)整手控機(jī)組負(fù)荷，使投入AGC運(yùn)行機(jī)組快速跨離振動(dòng)區(qū)。在負(fù)荷頻繁變化時(shí)段，應(yīng)根據(jù)運(yùn)行工況合理調(diào)整機(jī)組優(yōu)先級(jí)，均衡每臺(tái)機(jī)組跨越振動(dòng)區(qū)的次數(shù)。

3.2 重新核定各臺(tái)機(jī)組振動(dòng)區(qū)范圍

現(xiàn)二灘水電站機(jī)組振動(dòng)區(qū)的整定是依據(jù)2007年華中科技大學(xué)編制的《二灘水力發(fā)電廠機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性試驗(yàn)報(bào)告》和多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)在2004年確定的振區(qū)定值的基礎(chǔ)上優(yōu)化而來(lái)，并于2009年7月啟用，6臺(tái)機(jī)組振區(qū)定值設(shè)置一致。應(yīng)按各臺(tái)機(jī)實(shí)際測(cè)量的振動(dòng)區(qū)進(jìn)行設(shè)定。運(yùn)行水頭自動(dòng)采集實(shí)際水頭。目前AGC中6臺(tái)機(jī)共用一個(gè)水頭設(shè)定值，振動(dòng)區(qū)每臺(tái)機(jī)均一樣。但實(shí)際1～3號(hào)機(jī)共用1號(hào)尾水調(diào)壓室、4～6號(hào)機(jī)共用2號(hào)尾水調(diào)壓室，因2個(gè)尾水調(diào)壓室底板高程不一樣，導(dǎo)致機(jī)組實(shí)際運(yùn)行水頭不一樣。現(xiàn)AGC系統(tǒng)中水頭值是人工根據(jù)上、下游水位計(jì)算后手動(dòng)設(shè)置，AGC系統(tǒng)根據(jù)人工手動(dòng)設(shè)置的水頭值，自動(dòng)在預(yù)先整定的振動(dòng)區(qū)定值中，選擇相對(duì)應(yīng)的振動(dòng)區(qū)定值執(zhí)行。為更準(zhǔn)確、真實(shí)地反應(yīng)機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程的運(yùn)行水頭與振動(dòng)區(qū)情況，應(yīng)根據(jù)實(shí)際水頭變化適時(shí)自動(dòng)計(jì)算每臺(tái)機(jī)的水頭，至少做到1～3號(hào)機(jī)共用1個(gè)水頭，4～6號(hào)機(jī)共用1個(gè)水頭，并分別自動(dòng)啟用相應(yīng)振動(dòng)區(qū)定值。

3.3 避開(kāi)機(jī)組振動(dòng)區(qū)運(yùn)行

（1）控制權(quán)在二灘水電站側(cè)時(shí)，電站運(yùn)行人員加強(qiáng)巡回檢查和監(jiān)視，掌握AGC在振動(dòng)區(qū)邊緣運(yùn)行的實(shí)際情況，合理調(diào)整機(jī)組優(yōu)先級(jí)，申請(qǐng)一臺(tái)機(jī)組手動(dòng)控制，及時(shí)調(diào)整手控機(jī)組負(fù)荷，盡量使機(jī)組離開(kāi)振動(dòng)區(qū)及振動(dòng)區(qū)邊緣運(yùn)行。由于調(diào)度AGC負(fù)荷設(shè)定值頻繁調(diào)整等原因，不能從根本上解決機(jī)組在振動(dòng)區(qū)邊緣運(yùn)行的問(wèn)題。

（2）二灘電站實(shí)行無(wú)人值班時(shí)，應(yīng)統(tǒng)計(jì)機(jī)組跨振動(dòng)區(qū)的情況，注重機(jī)組運(yùn)行工況分析，并將分析統(tǒng)計(jì)情況及時(shí)反饋給上級(jí)調(diào)度機(jī)構(gòu)。

（3）因每臺(tái)機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行中其工況會(huì)有差異，不可能完全一致，建議利用機(jī)組檢修后試驗(yàn)的機(jī)會(huì)，組織技術(shù)力量對(duì)各臺(tái)機(jī)組在不同水頭下的振動(dòng)區(qū)進(jìn)行更加細(xì)致的測(cè)定，對(duì)工況較差的機(jī)組適當(dāng)增大振動(dòng)區(qū)定值范圍，并根據(jù)實(shí)際情況為各臺(tái)機(jī)組設(shè)置不同的振動(dòng)區(qū)定值。

（4）實(shí)際運(yùn)行中，因尾水調(diào)壓室底板高程不同、機(jī)組所帶負(fù)荷不同等原因，機(jī)組運(yùn)行水頭有差異；且由于二灘水電站承擔(dān)電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻任務(wù)，負(fù)荷變化幅度大且頻繁，出庫(kù)流量變化大，水頭的變化幅度約3～4 m，經(jīng)常出現(xiàn)實(shí)際水頭與AGC設(shè)定的水頭值不符，從而導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)區(qū)設(shè)定不合理。在進(jìn)行AGC中的水頭值設(shè)定時(shí)，應(yīng)避開(kāi)運(yùn)行在振動(dòng)區(qū)邊緣不好的工況。

（5）通過(guò)調(diào)整機(jī)組優(yōu)先級(jí)、修改AGC中水頭值，手控一臺(tái)機(jī)組配合AGC調(diào)整，避免了部分情況下機(jī)組跨振動(dòng)區(qū)以及機(jī)組運(yùn)行在振動(dòng)區(qū)邊緣的情況，減小了機(jī)組的傷害，但由于二灘電站在川渝電網(wǎng)中調(diào)峰、調(diào)頻任務(wù)重，有時(shí)AGC下發(fā)負(fù)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(jī)組不可避免的要頻繁跨越振動(dòng)區(qū)。

3.4 合理安排廠用電運(yùn)行方式

根據(jù)對(duì)廠高變分接頭調(diào)整分析，電站廠高變分接頭近兩年的汛期均保持在3檔運(yùn)行，并未出現(xiàn)6 kV母線電壓越上限后不可調(diào)整的情況，經(jīng)過(guò)調(diào)整均能保證在額定電壓范圍內(nèi)運(yùn)行。因此，廠高變分接頭不需要進(jìn)行調(diào)整，枯期、汛期均保持3檔運(yùn)行即可。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析二灘電站汛期機(jī)組運(yùn)行工況，優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行方式，調(diào)整廠高變運(yùn)行方式，減少了機(jī)組因頻繁跨越振動(dòng)區(qū)和頻繁調(diào)整負(fù)荷產(chǎn)生的設(shè)備缺陷，尤其對(duì)防止重大機(jī)械故障引起災(zāi)難性事故有著重要的意義，也能減輕機(jī)組維護(hù)工作量。汛期大發(fā)嚴(yán)峻考驗(yàn)設(shè)備發(fā)電能力，加強(qiáng)機(jī)組運(yùn)行工況的分析，是運(yùn)行工作的重要內(nèi)容，在今后的工作中，我們將做好設(shè)備定期輪換工作，定期開(kāi)展設(shè)備運(yùn)行分析工作，加強(qiáng)巡檢，及時(shí)消缺，為發(fā)電設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。