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水电院:成功破解机组超低频振荡技术难题

发布日期: 2021-04-14

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来源: 中国大唐集团科学技术研究总院

机组低频振荡会引起联络线过流跳闸或系统与系统或机组或系统之间的失步而解列,严重威胁电力系统的稳定,解决低频振荡问题成为电网安全稳定运行的重要课题之一。近日,大唐水电科学技术研究院成功破解黄金坪水电站4台机组超低频振荡难题。该技术问题的解决,既避免了黄金坪水电站被退网的风险,又确保了四川电网和黄金坪电站机组运行的安全,产生了巨大的经济效益和社会效益。

开启“对口支援”  解决“生死攸关”难题  

黄金坪水电站装机850MW,采用左、右岸两个地下厂房布置方式,左岸装机4×200MW;右岸装机2×25MW。水电站位于四川甘孜藏族自治州康定县境内,为大渡河干流第十一级电站,以发电为主的大(Ⅱ)型工程,隶属于四川企业甘孜企业所管辖,对电网稳定起着重要的支撑作用。

2018年5月,西南电网和华中电网开展异步联网试验时,发现黄金坪1~4号机组存在有功超低频振荡问题,振荡幅值最大为7.8MW,振荡频率约为0.062Hz,对电网的系统安全构成了潜在威胁。按照电网要求,改变振荡幅值达到3MW以下或者改变振荡频率,机组才能在电网中正常并网运行,否则,黄金坪水电站机组只能退出电网。

面临这样生死困境,四川甘孜企业马上寻求水电院技术支撑。“根据以往经验,引起低频振荡的原因有很多,包括电网构架以及电厂的监控系统、调速器系统、励磁系统以及水轮机压力脉动等等,都有可能导致低频振荡的发生”,水电院水机技术专家张海库说。

如何解决并网机组的有功超低频振荡,不仅是电厂生产运营管理者的难题与担当,此时也是水电院作为技术服务单位的挑战和责任。为了尽快帮助服务企业排忧解难,水电院查阅国内外大量参考文件,对电网构架、计算机监控、调速器、励磁系统和水轮发电机组进行了一系列试验,最终排除了系统、设备原因。

正当大家一筹莫展之际,水电院提出建议,查阅黄金坪水电站以往三年的监控及水情数据,通过查阅数据后,发现有功振荡可能与尾水隧洞水位有关,尾水水位越低,机组越容易产生有功振荡,功率振荡幅值越大。

“纸上得来终觉浅,绝知此事要躬行。”为了验证这一规律性发现,项目组采取现场试验的方式进行求证。因尾水隧洞为两台机组共用,不同的运行方式将对试验数据和结果产生很大的影响,为尽可能模拟实际运行遇到的各种工况,从单机运行到同一尾水洞双机运行,再到四机运行……,从电网线路参数及构架核算到调速器一次调频功能投退,再到变功率因素测试……一个接一个的试验,一次又一次的数据分析,随着检测数据、阶段报告不断诞生,试验结果发现:机组有功振荡与尾水水位、尾水流道水流状态相关,涌高尾水位有助于减小有功振荡,但会对机组效率产生影响。

2018年7月,水电院协助黄金坪水电站向四川省调度中心报送“关于规避黄金坪电厂左岸大机组有功振荡对该厂运行方式调整的汇报”,同意黄金坪调整避开振荡的运行方式,并要求尽快完成黄金坪有功振荡研究工作。

真正的考验可能从现在才刚刚开始。

汇聚各方力量  着力集智攻关

在与黄金坪水电站达成共识后,水电院迅速抽调了电气、机械、金属、水工等专业的技术骨干,成立了专业技术攻关项目组,以最快的速度赶往黄金坪水电站进行现场调研。同年10月,水电院组织成都勘测设计研究院、东方电气、国家电网中国电科院、武汉大学等单位召开问题分析会,与会专家一致认可水电院测试结论:即机组有功振荡与尾水水位、尾水流道水流状态相关。

如果说查阅数据和做排除试验是得出有功振荡可能与尾水隧洞水位有关结论的核心支撑,建立仿真模型则在分析电站有功波动产生的原因发挥重要作用。

根据黄金坪水电站的建筑物结构和机组的运行特点,水电院有针对性地分别建立仿真模型,通过对电站有功功率振荡现象进行仿真复现,进一步分析电站有功振荡的产生原因,并研究合理的有功波动抑制与减小方案。

针对超低频振荡工作时间紧迫、参研单位众多的特点,水电院争分夺秒抢抓进度,加快开展“大型混流式水电机组有功振荡控制优化关键技术及实践”机理及仿真研究工作。

“因为调度允许的试验的时间很短,试验时每一个负荷点的停顿时间又不敢太短,并且有功振荡需要一个水力的耦合过程,所以在测试时又着急调整负荷,又担心调整负荷过快导致没能采集到有功振荡的准确数据,当时心情非常矛盾” 专业技术攻关项目组王亮说道,好在研究成果取得了预期成效。

2019年1月,水电院组织四川企业、甘孜企业、成都勘测设计研究院等专家召开黄金坪电站有功波动科研审查会,与会专家一致认可水电院仿真方法和模型有效,会议进一步明确成都勘测设计研究院完成试验性质“阻尼坎”设计。

成功突破难题   形成科研成果

从“7.8MW”调到“3MW以下”,看似简单,实则很复杂。

根据测试、仿真结果,采用工程措施抬高尾水水位可消除有功振荡,但直接抬高尾水位会引起较大的水头损失。综合考虑,水电院采用在尾水支管前,增设的阻尼坎,进而控制功率振荡。

理论源于实践,又来引导实践。由于制作和安装阻尼坎需要一定的时间,且一号水力单元中的1、2号机组只需提高1号机组的尾水位便可消除有功波动,于是决定一号水力单元采用落#1水力单元尾水门的临时措施,二号水力单元3、4号机组采用尾水支管加装阻尼坎的措施。

2019年12月,二号水力单元3、4号机组尾水支管阻尼坎二次安装完成,并经验证测试,二次加装阻尼坎后的有功振荡的最大幅值为2.2MW。二次阻尼坎的增加,对机组有功波动起到了明显抑制作用,黄金坪水电厂3、4号机组有功功率波动问题圆满得到解决。

一号水力单元1、2号机组引水单元采用落尾水门的临时措施提高尾水位后,无论单机还是双机运行、机组负荷和下泄流量,均未出现有功功率波动现象,从导叶开度上可以看出,降低了机组效率,2021年3月,一号水力单元1、2号机组尾水支管阻尼坎安装完成,并经验证测试,加装阻尼坎后的有功振荡的最大幅值为2MW。

至此,历经1000多个昼夜,8名科技工编辑以“5+2”“白+黑”工作模式团结奋战,成功解决了黄金坪4台机组超低频振荡难题。

“大家是‘第一个吃螃蟹的人’!”张海库所说的“第一次”,正是像这种因为尾水系统振荡引起的非常少,而且黄金坪又是两台机共用一个尾水管,所以造就了它的特殊性。正因为这种独特性,攻克这项技术难题,在国内首次采用通过增加阻尼坎解决超低频振荡难题这种方法。

目前,该项目申请了集团企业《大型混流式水电机组有功振荡控制优化关键技术及实践》科技研究课题。结合该项目,发表SCI论文2篇,EI论文3篇,中文核心论文4篇,申请发明专利2项,实用新型6项。成立大型水电机组功率振荡研发团队,为大唐水电院培养一批技术人才。

 2021年,是建党一百周年,是“十四五”规划的开局之年,也是集团企业创“世界一流能源供应商”夯基垒台、立柱架梁的关键时期。今后,水电院将紧紧以推动高质量发展为主题,以加强科技创新能力建设为主线,自觉践行碳达峰、碳中和目标,围绕多能互补、高效协同开展系统集成研究,加强数字智慧科技创新,为集团企业创世界“世界一流能源供应商”道路上行稳致远,破浪前行,以优异成绩向中国共产党建党100周年献礼!

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