优化低负荷段协联参数改善灯泡贯流式水电机组性能

王 培， 岳 青 松， 杨 立 勇， 徐 学 海

(中国华电集团公司四川宝珠寺水力发电厂，四川 广元 628003)

水电技术

优化低负荷段协联参数改善灯泡贯流式水电机组性能

王 培， 岳 青 松， 杨 立 勇， 徐 学 海

(中国华电集团公司四川宝珠寺水力发电厂，四川 广元 628003)

灯泡贯流式机组的协联曲线直接影响到水轮机运行效率和稳定性。制造厂提供的协联参数固然是重要的参考，但需要经过现场试验验证。本文对紫兰坝电站1F机组协联参数进行优化，优化后不仅满足了一次调频性能的要求，而且改善了机组的稳定性，提高了水轮机组的发电效率，在实际运行过程中，机组发电效率平均提高达4.5%，为电厂取得了良好的经济效益。

灯泡贯流式机组；调速器试验；协联参数优化；性能改善

0 引 言

紫兰坝水电站位于四川省广元市宝轮镇，安装有3台单机容量34 MW的灯泡贯流式水轮发电机组，总装机102 MW，年设计平均发电量4.41亿kWh，自2006年投产以来没有进行一次调频试验。2016年4月1F机组大修时进行了调速器电气柜的更换，其后开展的一次调频试验中发现在调速器系统施加阶跃频率偏差信号时，发现有功功率向上、向下调节的幅度不一致，无法完成一次调频试验；同时，在低负荷过程中机组运行工况较差。

笔者对灯泡贯流式机组一次调频试验中遇到的问题进行分析，发现协联参数的设置对一次调频性能有很大影响。通过现场试验获得优化的协联参数，协联参数优化后不仅保证了一次调频试验的顺利完成，而且提高了机组运行的稳定性和水轮机效率，提升了企业的经济性。

1 一次调频和协联参数

电力系统供电频率是电能质量的重要指标，发电机组一次调频可以在电网发生大负荷变化时快速地提供功率支援，削弱由于电网负荷变化引起的频率波动，提高电力系统的稳定性和可靠性。水轮发电机组的一次调频功能通过调速器实现，微机型调速器不同的参数设置对一次调频性能影响较大，若设置不当，甚至可能导致无法满足一次调频的要求[1,2]。

紫兰坝水电站选用的灯泡贯流式水轮机，其调速器具有调节导叶和轮叶的双重功能，使轮叶开度和导叶开度随机组负荷的增减而变化。轮叶开度和导叶开度具有一定的协联关系，且在不同水头下的协联关系还不尽相同。为了保证机组运行的稳定性和经济性，应当使水轮机在协联工况下运行。一般情况下协联曲线由水轮机制造厂家提供，但是否合适还需根据实际情况进行验证和优化，以获得理想的运行效果和经济效益[3,4]。

2 问题的提出

2016年7月16日，对紫兰坝电站1F机组更换后的调速器电气柜进行一次调频试验。在“开度模式”“自动”“远方”运行条件下进行试验(1F机组水头为18 m)，试验结果如表1所示，手动设置一次调频开度限制值为2.1%，调节机组目标有功功率至20 MW时(导叶开度为60%)，对调速器系统施加+0.25Hz阶跃频率偏差信号，有功功率变化为机组额定容量的10%；但对调速器系统施加-0.25 Hz阶跃频率偏差信号，有功功率变化为机组额定容量的6%，有功功率变化量不一致且差别较大。为了获得合适的一次调频开度限制值，在试验中将一次调频开度限制值由2.1%降低至1.6%，施加±0.25 Hz阶跃频率偏差信号后，有功功率变化分别为14%与10%，有功功率变化量均有增大，但两者数值仍相差较大，且有功功率变化为14%，这一数值已经超出一次调频技术指标中关于一次调频的负荷调整限幅为机组额定容量的±10%的参数要求。另外由于同一水头下一次调频开度限制值应一致，因此在试验中无法设置合适的开度限制值，使有功功率上下调节幅度都在额定容量的10%左右，进而无法完成一次调频试验。

表1 优化前一次调频试验中的有功功率变化

3 分析及对策

紫兰坝1F机组协联参数由原机组制造厂家提供，调速器的参数参照设置，投产以来未试验其合理性；在一次调频试验中出现了有功功率向上、向下调节幅度不一致的问题，因此需要检查调速器系统中协联参数的设置。如表2所示，有功功率在20 MW(导叶开度为60%，水头为18 m)，当导叶开度由60%开至66.67%时，轮叶开度由45%变化至60%，轮叶开度随导叶开度变化率为7.5%；当导叶开度由60%关至58%时，轮叶开度由45%变化至30%，轮叶开度随导叶开度变化率为2.2%。可见轮叶开度随导叶开度变化率前后不一致且差别较大，说明协联曲线不平坦，存在明显拐点，分析认为协联参数设置不合理。

为了易于观察，根据协联参数绘制协联曲线(如图1)，图中显示导叶开度在60%时，各水头下协联曲线均有明显拐点，更直观说明了协联参数的设置不当。

表2 优化前轮叶、叶叶协联参数

图1 优化前轮叶、导叶协联曲线

基于以上分析，需对调速器系统中协联参数进行优化，主要优化的范围为导叶开度在0%～60%的协联参数点，通过优化使轮叶开度随导叶开度变化率减小，进而得到平坦的协联曲线，期望满足一次调频的品质要求，改善机组运行状况。

4 参数优化方法与过程

通过查询机组运行资料，机组在导叶开度

>60%运行时，能够满足一次调频的要求，机组运行的声音、振动和摆度较小，说明导叶开度>60%的协联参数设置比较合理。因此，主要需要优化导叶开度≤60%的协联参数。

合理的协联参数可通过现场试验来获得和验证，试验中主要监测因素包括机组导叶开度、轮叶开度、有功功率、机组水头、发导摆度、组合轴承振动、水导摆度、水导轴承振动及定子机架振动等。协联参数优化需要在不同水头下采用定导叶变轮叶方式，即将导叶固定在某个开度下改变不同的轮叶开度进行若干测试，测取机组的有功功率、振动及摆度情况，根据试验结果确定导叶与轮叶的协联关系。

试验过程如下：

(1)将调速器水头调整至18 m(一次调频开始试验时水头)；

(2)试验过程中首先固定导叶开度测点，分别为36.8%、40.3%、47.6%、60%、66.7%、73.33%、80.33%、86.68%、93.33%、100%，然后退出自动协联，手动调节轮叶开度，在协联开度±10%附近调节6个轮叶开度点，在每个轮叶开度工况点稳定3～5 min，并记下各轮叶开度下机组的出力值、振动、摆度情况，根据结果分析得到最优的轮叶开度，从而获得特定水头下导叶开度与轮叶开度最优协联关系；

例如：选取水头为18 m，导叶开度为40.3%，调节6个轮叶开度进行试验，在各轮叶开度工况稳定3分钟后，记录各测点数据，并根据数据作图(图2)。图2为机组在该导叶开度下综合运行状态图，如图所示，机组的相对效率是随着轮叶开度增大而增大的，当轮叶开度增加至5.42%时，出现下降拐点，而此时发导摆度、组合轴承振动、水导摆度、水导轴承振动、定子机架振动均为最低点。由此可见，当导叶开度为40.3%时，轮叶开度的最优协联状态为5.42%。同样，按照此步骤可得到水头为18m时不同导叶开度下最优协联状态的轮叶开度。

图2 机组在导叶开度为40.3%时综合运行状态图

(3)改变机组运行水头，手动设置水头分别为8.1 m、10 m、12 m、13 m、14 m、15.4 m、16.4 m、17 m、19.9 m，重复第2项工作。在综合考虑水轮机效率、出力及机组稳定性的基础上，可以得到导叶开度和轮叶开度的在不同水头下的最优协联关系(表3)。

通过以上步骤，根据获得的协联参数绘制导叶开度与轮叶开度二者协联曲线(图3)。如图所示，可以看出优化之后的协联曲线平坦、无明显拐点。此外，优化后机组轮叶开度在导叶开度为37%时出现明显的协联关系，而优化之前导叶开度为50%时两者才出现明显的协联关系。以上变化说明优化之后导叶开度与轮叶开度协联关系得到改善。

表3 优化后轮叶、导叶协联参数

图3 优化后轮叶、导叶协联曲线

5 协联参数优化的效果

将优化后的协联参数输入到调速器中，在 “开度模式”“自动”“远方”状态下进行一次调频试验。试验结果如表4所示，有功功率变化均符合有关规定的±10%参数要求。同时进行了一次调频其它试验，试验数据均满足《水轮机调节系统并网运行技术导则》相关标准。

表4 优化后一次调频试验中的有功功率变化

协联参数优化后，水轮机的发电效率明显得到了提高。以16.4 m、17 m、18 m水头下优化协联参数前后发电效率情况为例(表5)。由表5可以看出，在不同水头下，机组发电效率平均提高达4.5%，这在一定程度上提高了电厂的经济效益。

表5 优化协联参数前后发电机组效率提高情况

6 结 语

灯泡贯流式机组的协联曲线直接影响到水轮机运行效率和稳定性。制造厂提供的协联参数固然是重要的参考，但需要经过现场试验验证。本文对紫兰坝电站1F机组协联参数进行优化，优化后不仅满足了一次调频性能的要求，而且改善了机组的稳定性，提高了水轮机组的发电效率，在实际运行过程中，机组发电效率平均提高达4.5%，为电厂取得了良好的经济效益，同时也为灯泡贯流式机组协联参数优化的提出、方法和验证提供了良好的借鉴。

[1] 吴利国. 双调水轮发电机组最优协联测试系统研究与设计[D]. 兰州: 兰州理工大学, 2011: 2-3.

[2] 宋厚彬, 李正贵. 协联曲线修改对灯泡贯流式水轮机组的影响[J]. 甘肃科学学报, 2010, 22(4): 145-149.

[3] 曾仕钊. 浅析黄丹水电站机组协联曲线对运行稳定性的影响[J]. 四川水力发电, 2016, 35(2): 87-92.

[4] 李海军, 田延霞. 参窝发电厂微机调速器协联曲线的修改[J]. 吉林水力, 2007, 297(3): 41-42.

TM714；TU192；[TV734.2+1]

B

1001-2184(2017)06-0103-04

2017-11-07

王 培(1985-)，男，山东济宁人，毕业于山东菏泽学院计算机科学与技术专业，助理工程师，现从事四川宝珠寺水力发电厂电气维护工作；

岳青松(1972-)，男，四川南江人，毕业于西安理工大学，高级工程师，主修电力系统及其自动化，现从事水电厂生产技术管理工作；

杨立勇(1976-)，男，山东平阴人，毕业于四川大学，助理工程师，主修电气工程及其自动化，现从事四川宝珠寺水力发电厂教育培训工作；

徐学海(1972-)，男，四川广元人，毕业于四川大学，助理工程师，主修电气工程及其自动化，现从事四川宝珠寺水力发电厂电气二次检修工作.

卓政昌)