水电厂内的优化负荷分配

2012-03-25曾安四

东北电力技术 2012年5期

曾进，曾安四

(1．上海交通大学，上海 200240;2．通辽发电厂，内蒙古通辽 028011)

随着国民经济的高速发展，我国电力工业已经进入多能源、高参数、大机组、大系统、智能化的新时代。大系统结构的显著标志之一是系统已经从最初以小型发电机组供电为主的小系统发展成为以中型和大型发电机变压器组、发电机变压器线路组为主向系统供电的大系统［1］。电力生产管理，包括经济调度也应该与大系统的生产方式相适应。

1 动力系统的能功特性

动力系统是将各种不同形式的一次能源转换成电能并输送给电力用户的大系统。GB3100—93系列标准对各种能和能流量的计量单位做出了明确的规定。各种形式的一次能源和其转换成的电能的法定计量单位都是J，而功率、有功功率、辐射功率、热流量等的单位都是W，其实质都是单位时间内通过一个面的能量 (J/s)，可总称为能流量。能量、能流量的统一法定计量单位是动力系统加强生产管理的技术基础。

数十年来，国内外众多学者对电力系统经济调度的目的仅限于在供应同样大小负荷有功功率的前提下，使单位时间内的燃料消耗、总耗水量最少或燃料成本、综合成本最小［2－5］。这种以物质消耗最小为目标的优化负荷分配，仅为对经济调度所耗能量的初步认识。

文献［6］对动力系统的能功特性进行了详细的分析。高效率发电、输电是电力行业安全经济运行的目标。发电设备系统有功功率经济调度的目的是在保证正常生产运行的基础上节约系统发电所消耗的能源，使上网供电效率达到其可能的最大值。文献［1］提出了火力发电厂按组合上网功热比(上网效率)最大进行机组负荷分配的原理与计算方法。本文将以水力发电厂的组合上网功势比(上网效率)最大为目标进行水力发电机组的优化负荷分配。

2 水轮发电机组的上网能功特性

水是一种由氢、氧原子组成的物质，有多种属性可供人们利用。相对高处的水具有势能，电力行业筑坝蓄水利用水的势能发电。重力势能的计算公式为水电厂耗水率没有反映水的重力势能转换成电能的能量转换关系，不能作为与发出的电能相对应的水的势能消耗指标。

表1 1号、2号水轮发电机组的上网能功特性

根据水势能的计算公式，Ep=mgh，参照GB 3100—93中关于热流量的定义，我们可以定义水的势 (能)能量φp为单位时间内通过一个面的势能，单位为kJ/s。水的势流量的计算公式为

式中 ρ——水流的体积质量，kg/m3;

qv——水流的体积流量，m3/s;

g——当地的重力加速度，一般可取9.806 65 m/s2;

h——机组水头，m。

和火力发电厂一样，水轮发电机组接入系统也有以发电机组、发电机变压器组和发电机变压器线路组等3种基本接入方式。本文仅以发电机组接入系统为例来说明机组之间的优化负荷分配。为此首先研究水轮发电机组的上网效率特性。

［2］得到某厂1号、2号水轮发电机组在某一水头 (H=62.2 m)下的上网能功特性列于表1。表1中，发电机功率、效率为原试验值，厂用电率为补充增加项，其余量为计算数据。由于厂用电率的存在，使上网效率低于发电效率。

对于发电机变压器组、发电机变压器线路组，其上网效率会因主变压器和一段线路损耗的存在而降低。

数十年来，我国电力行业一直把水电厂耗水率定义为水电厂每发1 kWh电能所需要的水量［7］，其单位为m3/(kWh)，计算式为水电厂耗水率=

3 水电厂内水轮发电机组的优化负荷分配

设水电厂有n台机组，令Ph表示水电厂总给Ph)，求解各机组的负荷值，使得以下目标函数取得最高值。即:

式中 φii——第i台机组的势流量，MJ/s;

Pis——第i台机组的上网有功功率，MW;

ηs——机组组合工况的上网效率，%。

现以表1所示1号、2号水轮发电机组的上网效率特性为例来说明机组间的优化负荷分配。

采用组合优化法，以机组组合工况的总上网效率最高为目标，得到1号、2号水轮发电机组组合优化负荷分配表 (表2)。便于分析对比，表3列出1号、2号水轮发电机组组合最差负荷分配。

表2中，上网总效率的平均值为80.27%;表3中，上网总效率的平均值为79.12%。

由表2、表3可见，优化组合分配负荷比最差组合分配负荷的平均效率高1.15%。

对于水轮发电机组，通过上网效率特性可以查到与该上网功率点相应的势流量、水流量，以调整负荷满足电厂下游对水流量的需求。

以组合工况总效率最高作为优化负荷分配目标的优化法不仅适用于水力发电系统、火力发电系统，对不同能源的电力系统都适用。组合工况总效率是建立在输出与输入量的基础上，通过效率优化得到的结论可以返回到输出与输入量的分析计算中，如煤耗、水耗、燃料成本和效益等。定负荷，Pi表示第i台机组的负荷，已知各台机组在同一水头下的势 (流量)功 (率)特性和效率。水电厂调度的任务是合理分配机组间的负荷使水电厂的总效率最高。

水电厂内机组之间的优化负荷分配的目标函数是在满足水电厂总给定负荷的条件下

表2 1号、2号机组优化负荷分配表

表3 1号、2号机组最差负荷分配表

4 水轮发电机组优化负荷分配的在线实施

火力发电机组的上网能功特性通常是一个相对稳定的二次函数，当设备系统的特性没有重大改变时，这个二次函数也不会变。水轮发电机组的上网能功特性则不同，同一水轮发电机组在不同的水头下、带不同的负荷时有不同的上网能功特性。因为水电厂的水头经常变化，因此，对于同一水轮发电机组需要测量不同水头下的多组上网能功特性，以备优化负荷分配。水轮发电机组的上网能功特性可以通过在线监测得到。

水的势流量的计算公式 (2)中，水流的体积质量ρ通常取1 000 kg/m3;当地的重力加速度g可以通过测量得到或取9.806 65 m/s2;水流的体积流量qv，可以通过机组的水流量计读取;机组水头h可以通过测量水库的水位计算得到。将上述数据输入计算机，就可以得到水的势流量φp。上网功率可以从现有的功率表读取，将读数输入计算机，计算机就可以显示机组的上网效率。根据设计的优化负荷分配方案，机组就可以自动加减负荷，直到得到符合设计的优化负荷分配方案为止。注意各表计的准确度应满足监测要求。