变顶高尾水洞条件下水电站机组运行优化研究

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变顶高尾水洞条件下水电站机组运行优化研究彭水水电站作为我国首个采用变顶高尾水隧洞的水电站，其运行中具有一定的特殊性，在水力过渡过程中尾水洞内的水力特性对机组的运行有着较大影响。

目录

一、背景

彭水水电站作为我国首个采用变顶高尾水隧洞的水电站，其运行中具有一定的特殊性，在水力过渡过程中尾水洞内的水力特性对机组的运行有着较大影响。由于变顶高尾水隧洞内复杂的水力特性，使得机组甩负荷过渡过程更为复杂，其特性不仅与水轮机的工作水头密切相关而且还与下游水位相关，由于现场试验次数有限，仅通过现场试验无法准确掌握机组在全水头、全水位下的甩负荷过渡过程特性，不利于机组的安全运行。为了确保水电机组的安全运行，提高水电机组的调节品质，通过研究优化机组的控制策略，提高彭水水电厂安全生产水平，促进源网协调发展，为国内变顶高尾水隧洞水电机组的安全经济运行提供有效的借鉴意义。

二、应用案例

1、项目概述

该项目已成功应用于彭水水电厂，如减少一次全厂计划检修停机将节约 2000 万元，同时通过精细化划分机组振动区，确保机组长期稳定运行；通过最优负荷分配，降低发电成本，减少机组耗损、改善其性能和挖掘发电潜力。项目实施后一年可增加 300 万元的发电效益推广应用情况。采用现场实测结合仿真计算的方法开展了彭水水电厂机组导叶关闭规律的优化研究，给出了较优的导叶关闭规律，在不增加蜗壳水压值及尾水管真空度的前提下，适当缩短导叶关闭的第二段关闭时间，有效的控制了机组转速上升率。基于变顶高尾水隧洞水力特性对彭水水电厂机组负荷调节及一次调频等小波动过渡过程进行了综合分析研究，采用“慢-快-慢”的“三段式调节”的方式改善功率调节过程的动态品质，并通过数值仿真对全水头、全尾水位工况下调速器的调节参数进行了优化，通过调速器控制模式及控制参数的优化，机组功率调节速度明显提高，功率反调值降低，大大改善了功率调节速度及一次调频性能。

2、主要效益

直接经济效益：本项目的研究提高了彭水水电站的机组调节性能，满足了电网调度部门的要求，避免了调度部门的考核，经济效益明显；项目研究成果可以有效指导机组安全避振运行，减少机组事故停机次数，增加机组发电小时数，减少一次停机处理，按10天计算，折合电量等于35*24*10=8400万kWh，按电站实际上网电价0.284元/千瓦时计算，相当于增加发电收益为2385.6万元，经济效益明显。项目研究成果通过开展可以有效提高电厂水能利用率。仅以2015 年 12月24日一天运行情况为例，优化后一天内将减少耗水1.83*105m3，折合电价 1.08万元，1年内增加发电效益不低于300万元，项目研究成果给电厂带来良好的经济效果。

社会效益与间接经济效益：本项目对水电厂的安全运行，源网协调具有重要的指导意义，避免了电厂事故的发生，保障了电网的安全稳定。同时研究成果为国内变顶高尾水隧洞水电机组的安全经济运行提供有效的借鉴意义，社会效益巨大；同时通过精细化划分机组振动区，确保机组长期稳定运行；通过经济最优负荷分配，不仅可以降低发电成本，还可以减少水轮机组耗损、改善其性能和挖掘发电潜力，提高发电企业的经济效益，对缓解当前的能源供需紧张、水资源短缺等均具有重要的意义，也更加符合人们对于节能环保、绿色发电理念的需求

三、技术要点

1．采用现场试验结合数值仿真的方法对变顶高尾水隧洞水电机组全水头全水位下的甩负荷过渡过程进行了深入分析，通过优化机组的导叶关闭规律，进一步改善机组的大波动控制性能。满足了电网对水电机组一次调频及AGC负荷响应的要求。

2．首次提出了一种基于“三区模型”的变顶高尾水隧洞小波动过渡过程的建模方法，结合理论分析及参数实测，建立了带变顶高尾水隧洞水轮机调节系统的精细化仿真模型。该方法提供了一种变项高尾水机组优化方法，为机组优化控制提供了依据。

3.提出了一种适用于变顶高尾水隧洞水电机组的调速器变参数控制策略，改善了水电机组的调节品质，确保了水电厂的安全经济运行及源网协调。通过对机组的控制参数调整改善了机组的调节品质，满足了电网对水电机组一次调频及 AGC 负荷响应的要求。

4.采用真机试验数据与海量在线数据相结合的方式，全面掌握了彭水水电机组稳定性区域及能量特性。为精确掌握机组振动区提供了依据。

5.首次采用固定水头方法分析尾水位对水电机组稳定性的影响，并确定了基于水头、出力、尾水位等多变量的机组振动区，精细化指导机组避振运行。有效降低了机组在振动区运行的机会，为机组长期稳定运行提供了保障。

6.针对机组多振动区非连续分布特性，提出了负荷分配非连续约束处理方法，自适应满足机组避振运行负荷的非连续分配，并实现了基于双层嵌套循环优化算法的水电厂妥全、经济运行决策支持系统，为多振动区机组 AGC 避振运行负荷分配提供了有效的解决方案。该方法提出可有效实际避 振运行和最优负荷分配，既实现了机组长期稳定运行，同时提升了经济效益。

四、应用前景

课题采用混合粒子群（HPSO）优化算法可实现多个初始点出发寻优，更容易获得全局最优解；同时针对机组多振动区非连续分布特性，提出了负荷分配非连续约束处理方法，自适应满足机组避振运行负荷的非连续分配，并实现了基于双层嵌套循环优化算法的水电厂妥全、经济运行决策支持系统，为多振动区机组AGC避振运行负荷分配提供了有效的解决方案。