石頭河壩后水電站4 號機組調(diào)相運行的研究

屈萬林

（陜西省石頭河水庫灌溉中心,陜西 咸陽 712000）

1 概述

水輪發(fā)電機在工作的過程中,不僅向電力系統(tǒng)提供有功電量,還向電力系統(tǒng)提供無功電量。在額定工況下,水輪發(fā)電機向電網(wǎng)供給有功電量占總?cè)萘康谋壤窃O計確定的,是為發(fā)電機功率因數(shù)即力率。力率是電力系統(tǒng)中考核供電質(zhì)量的一項重要指標,電力系統(tǒng)大網(wǎng)對水電站并網(wǎng)點功率因數(shù)（力率）一般按0.8 進行考核,小型水電站一般距離并網(wǎng)點較遠,需經(jīng)升壓變壓器和較長的供電線路才能送至并網(wǎng)點,發(fā)電機出口力率輸出為0.8 時,由于變壓器以及線路無功損耗較大,并網(wǎng)點力率一般會高于0.8,出現(xiàn)力率考核不合格現(xiàn)象,研究水輪發(fā)電機組調(diào)相工況或者發(fā)電工況運行,有助于穩(wěn)定電網(wǎng),解決力率考核等問題。

2 水輪發(fā)電機調(diào)相運行的原理

水輪發(fā)電機組的調(diào)相運行,實際上就是水輪發(fā)電機組通過勵磁電流的調(diào)節(jié),不給電網(wǎng)輸出有功電量,只給電網(wǎng)輸出無功電量,為補償發(fā)電機運行中的損耗如鐵損、銅損和風磨損耗,發(fā)電機須從電網(wǎng)吸收有功。發(fā)電機處于調(diào)相運行狀態(tài),如果忽略損耗,功率角=0°,定子電流為無功電流。欠勵時,發(fā)電機從電網(wǎng)吸收感性無功,過勵時,發(fā)電機從電網(wǎng)吸收純?nèi)菪詿o功。對勵磁電流的調(diào)節(jié),能夠有效改變發(fā)電機在電網(wǎng)中對無功功率吸收的性質(zhì)和大小[1],水輪發(fā)電機的調(diào)相運行,消耗功率小,是調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓,改變機組的上網(wǎng)力率,保證電網(wǎng)質(zhì)量穩(wěn)定的重要措施。

3 石頭河壩后水電站4#臥式機組調(diào)相運行分析

石頭河壩后電站位于岐山、眉縣、太白三縣交界處的斜峪關石頭河水庫樞紐大壩右壩腳,是水庫樞紐工程的重要組成部分,電站總裝機18500 kW,共安裝混流式機組4 臺,其中1#機為立式機組,裝機6500 kW,2#、3#機為立式機組,裝機各為5000 kW,4 號機為臥式機組,裝機2000 kW。

3.1 水電站主結(jié)線

水電站主結(jié)線圖見圖1。

圖1 水電站主結(jié)線簡圖

3.2 4#機組進行調(diào)相運行的原因

石頭河水庫壩后水電站1#、2#、3#機組為立式機組,設計水頭分別為70 m、80 m、80 m,而4#為臥式機組,設計水頭58 m。在發(fā)電水頭高于70 m 時,4#機組無法運行,1#、2#、3#機組卻能運行。水輪發(fā)電機組在設計時,功率因數(shù)按0.8 考慮,水庫主汛期高水頭豐水發(fā)電時,1#、2#、3#機組滿發(fā),P=16500 kW,Q=12375 kvar,因電力輸送過程中必然存在損耗,且無功損耗要比有功損耗大得多,至并網(wǎng)點時有功為15955 kW,無功為10139 kvar,并網(wǎng)點有功、無功不匹配,功率因數(shù)由發(fā)電時的0.8 升高到并網(wǎng)點上網(wǎng)時的0.85,而電網(wǎng)力率考核是0.8,此時無功電量欠1202 kvar,造成無功欠發(fā)[2]。在確保汛期機組正常發(fā)電和設備安全運行的條件下,利用壩后電站現(xiàn)有設備,通過高水頭下4#機組的調(diào)相試驗運行,使壩后電站汛期上網(wǎng)功率因數(shù)接近或達到0.8,滿足電網(wǎng)力率考核要求。

3.3 4#臥式機組調(diào)相運行的技術論證

水輪發(fā)電機投入運行后,當功率因數(shù)減小到0,即可開始進入調(diào)相運行。此時它向電力系統(tǒng)輸送感性無功功率,以改善系統(tǒng)的功率因數(shù)。將水輪機的導葉逐漸關閉,水輪發(fā)電機輸出的有功功率也相應地減少、當水輪機輸入的功率僅能補償發(fā)電機的損耗時,水輪發(fā)電機不發(fā)有功功率,處于無載狀態(tài),當導葉完全關閉而無原動力時,水輪發(fā)電機從電力系統(tǒng)吸收有功功率,產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)距維持轉(zhuǎn)動,以補償其銅耗、鐵耗和風磨擦損耗等,進入同步電動機運行狀態(tài),調(diào)節(jié)無功功率。通常水輪發(fā)電機的調(diào)相容量范圍為發(fā)電機視在功率的0.6～0.75,從電網(wǎng)吸收的有功功率為其容量的10%左右,4#機組調(diào)相運行試驗按最大無功功率2000 kvar 為目標來進行。

壩后4#機設計水頭為58 m,要在高于額定水頭20 m 下做調(diào)相運行,既要看高水頭下機組能否安全啟動、并網(wǎng)、解列、停機,還要看機組機械強度和調(diào)速器操作功能不能滿足80 m水頭的要求,經(jīng)對4#機組蝸殼、導葉以及軸套、拐臂和剪斷銷、法蘭以及連接螺栓強度查證和復核[3],對機組甩負荷試驗以及調(diào)速器操作功等進行校核,數(shù)據(jù)滿足安全要求,能夠進行調(diào)相運行試驗。

3.4 機組調(diào)相運行應注意的事項

2018 年9 月4 日15∶00～19∶00,在做好試驗準備 的情況下,我們組織完成壩后電站4# 機組在78 m 水頭下的調(diào)相運行試驗,實現(xiàn)了4 號機組無功負載從200 kvar 到2000 kvar 的遞加試驗。機組運行穩(wěn)定,發(fā)電機、水輪機各部分溫度正常,未出現(xiàn)異常,無功負載2000 kvar 時的有功消耗僅為200 kW。

1）水輪機主軸密封依靠水潤滑、降溫,在調(diào)相運行時,蝸殼中排空,應給主軸密封中加注冷卻水,保證密封不受損害。

2）在機組調(diào)相運行中,隨著無功負荷逐步加大,發(fā)電機轉(zhuǎn)子和定子中的磁通量不斷增加,定子漏抗壓降和去磁的電樞反應的勵磁電流也逐步增加,定子漏磁和定轉(zhuǎn)子磁勢的高次諧波在電樞繞組導線、磁路和其他金屬結(jié)構(gòu)部件內(nèi)的損耗增大,電機發(fā)熱量增大,振動加劇,應注意監(jiān)測機組振動和軸承、線圈和鐵芯的溫度變化。

3）在機組調(diào)相運行中,應特別防止發(fā)電機的不對稱運行和異步運行,避免引起轉(zhuǎn)子過熱和振動,造成發(fā)電機繞組絕緣破壞、機械部件損傷。

4）在機組調(diào)相運行中,發(fā)電機線圈溫度、鐵芯溫度基本、后導溫度、水導溫度、推力軸承溫度以及機組軸承處振動、基座擺度和振動都需加強監(jiān)測,控制在許可范圍內(nèi)。

5）實時監(jiān)控機組運行各種技術參數(shù)變化,包括無功功率、定子電壓、定子電流、轉(zhuǎn)子電壓、轉(zhuǎn)子電流、有功功率。

6）電站必須裝設一套壓縮空氣系統(tǒng)和管路,提高系統(tǒng)的運行電壓及穩(wěn)定儲備,勵磁電流從低到高,緩慢調(diào)節(jié),確保運行正常。

7）小型水輪發(fā)電機組調(diào)相運行,必須與生產(chǎn)廠家經(jīng)過詳細論證后,方可進行試驗。

4 4#臥式機組調(diào)相運行評價

在機組調(diào)相運行時,一般由立式機組承擔,但在特定條件下,臥式機組也能夠調(diào)相運行。通過實際運行試驗,石頭河水庫壩后電站4#臥式機組達到了調(diào)相運行的要求,運行穩(wěn)定,值得推廣。

機組調(diào)相運行時,在無功負荷從0 逐步增加到2000 kvar的過程中,發(fā)電機轉(zhuǎn)子和定子中的磁通量不斷增加,接近飽和,需要克服定子漏抗壓降和去磁電樞反應的勵磁電流也逐步增加,定子漏磁和定轉(zhuǎn)子磁勢的高次諧波在電樞繞組、磁路和金屬結(jié)構(gòu)部件內(nèi)的損耗增大,發(fā)電機發(fā)熱量會大幅度增加,機組振動加劇,運行結(jié)束后,應對機組進行全面檢查,消除由此產(chǎn)生的缺陷。