石头河坝后水电站4 号机组调相运行的研究

屈万林

（陕西省石头河水库灌溉中心,陕西 咸阳 712000）

1 概述

水轮发电机在工作的过程中,不仅向电力系统提供有功电量,还向电力系统提供无功电量。在额定工况下,水轮发电机向电网供给有功电量占总容量的比例是设计确定的,是为发电机功率因数即力率。力率是电力系统中考核供电质量的一项重要指标,电力系统大网对水电站并网点功率因数（力率）一般按0.8 进行考核,小型水电站一般距离并网点较远,需经升压变压器和较长的供电线路才能送至并网点,发电机出口力率输出为0.8 时,由于变压器以及线路无功损耗较大,并网点力率一般会高于0.8,出现力率考核不合格现象,研究水轮发电机组调相工况或者发电工况运行,有助于稳定电网,解决力率考核等问题。

2 水轮发电机调相运行的原理

水轮发电机组的调相运行,实际上就是水轮发电机组通过励磁电流的调节,不给电网输出有功电量,只给电网输出无功电量,为补偿发电机运行中的损耗如铁损、铜损和风磨损耗,发电机须从电网吸收有功。发电机处于调相运行状态,如果忽略损耗,功率角=0°,定子电流为无功电流。欠励时,发电机从电网吸收感性无功,过励时,发电机从电网吸收纯容性无功。对励磁电流的调节,能够有效改变发电机在电网中对无功功率吸收的性质和大小[1],水轮发电机的调相运行,消耗功率小,是调节电网电压,改变机组的上网力率,保证电网质量稳定的重要措施。

3 石头河坝后水电站4#卧式机组调相运行分析

石头河坝后电站位于岐山、眉县、太白三县交界处的斜峪关石头河水库枢纽大坝右坝脚,是水库枢纽工程的重要组成部分,电站总装机18500 kW,共安装混流式机组4 台,其中1#机为立式机组,装机6500 kW,2#、3#机为立式机组,装机各为5000 kW,4 号机为卧式机组,装机2000 kW。

3.1 水电站主结线

水电站主结线图见图1。

图1 水电站主结线简图

3.2 4#机组进行调相运行的原因

石头河水库坝后水电站1#、2#、3#机组为立式机组,设计水头分别为70 m、80 m、80 m,而4#为卧式机组,设计水头58 m。在发电水头高于70 m 时,4#机组无法运行,1#、2#、3#机组却能运行。水轮发电机组在设计时,功率因数按0.8 考虑,水库主汛期高水头丰水发电时,1#、2#、3#机组满发,P=16500 kW,Q=12375 kvar,因电力输送过程中必然存在损耗,且无功损耗要比有功损耗大得多,至并网点时有功为15955 kW,无功为10139 kvar,并网点有功、无功不匹配,功率因数由发电时的0.8 升高到并网点上网时的0.85,而电网力率考核是0.8,此时无功电量欠1202 kvar,造成无功欠发[2]。在确保汛期机组正常发电和设备安全运行的条件下,利用坝后电站现有设备,通过高水头下4#机组的调相试验运行,使坝后电站汛期上网功率因数接近或达到0.8,满足电网力率考核要求。

3.3 4#卧式机组调相运行的技术论证

水轮发电机投入运行后,当功率因数减小到0,即可开始进入调相运行。此时它向电力系统输送感性无功功率,以改善系统的功率因数。将水轮机的导叶逐渐关闭,水轮发电机输出的有功功率也相应地减少、当水轮机输入的功率仅能补偿发电机的损耗时,水轮发电机不发有功功率,处于无载状态,当导叶完全关闭而无原动力时,水轮发电机从电力系统吸收有功功率,产生电磁转距维持转动,以补偿其铜耗、铁耗和风磨擦损耗等,进入同步电动机运行状态,调节无功功率。通常水轮发电机的调相容量范围为发电机视在功率的0.6～0.75,从电网吸收的有功功率为其容量的10%左右,4#机组调相运行试验按最大无功功率2000 kvar 为目标来进行。

坝后4#机设计水头为58 m,要在高于额定水头20 m 下做调相运行,既要看高水头下机组能否安全启动、并网、解列、停机,还要看机组机械强度和调速器操作功能不能满足80 m水头的要求,经对4#机组蜗壳、导叶以及轴套、拐臂和剪断销、法兰以及连接螺栓强度查证和复核[3],对机组甩负荷试验以及调速器操作功等进行校核,数据满足安全要求,能够进行调相运行试验。

3.4 机组调相运行应注意的事项

2018 年9 月4 日15∶00～19∶00,在做好试验准备 的情况下,我们组织完成坝后电站4# 机组在78 m 水头下的调相运行试验,实现了4 号机组无功负载从200 kvar 到2000 kvar 的递加试验。机组运行稳定,发电机、水轮机各部分温度正常,未出现异常,无功负载2000 kvar 时的有功消耗仅为200 kW。

1）水轮机主轴密封依靠水润滑、降温,在调相运行时,蜗壳中排空,应给主轴密封中加注冷却水,保证密封不受损害。

2）在机组调相运行中,随着无功负荷逐步加大,发电机转子和定子中的磁通量不断增加,定子漏抗压降和去磁的电枢反应的励磁电流也逐步增加,定子漏磁和定转子磁势的高次谐波在电枢绕组导线、磁路和其他金属结构部件内的损耗增大,电机发热量增大,振动加剧,应注意监测机组振动和轴承、线圈和铁芯的温度变化。

3）在机组调相运行中,应特别防止发电机的不对称运行和异步运行,避免引起转子过热和振动,造成发电机绕组绝缘破坏、机械部件损伤。

4）在机组调相运行中,发电机线圈温度、铁芯温度基本、后导温度、水导温度、推力轴承温度以及机组轴承处振动、基座摆度和振动都需加强监测,控制在许可范围内。

5）实时监控机组运行各种技术参数变化,包括无功功率、定子电压、定子电流、转子电压、转子电流、有功功率。

6）电站必须装设一套压缩空气系统和管路,提高系统的运行电压及稳定储备,励磁电流从低到高,缓慢调节,确保运行正常。

7）小型水轮发电机组调相运行,必须与生产厂家经过详细论证后,方可进行试验。

4 4#卧式机组调相运行评价

在机组调相运行时,一般由立式机组承担,但在特定条件下,卧式机组也能够调相运行。通过实际运行试验,石头河水库坝后电站4#卧式机组达到了调相运行的要求,运行稳定,值得推广。

机组调相运行时,在无功负荷从0 逐步增加到2000 kvar的过程中,发电机转子和定子中的磁通量不断增加,接近饱和,需要克服定子漏抗压降和去磁电枢反应的励磁电流也逐步增加,定子漏磁和定转子磁势的高次谐波在电枢绕组、磁路和金属结构部件内的损耗增大,发电机发热量会大幅度增加,机组振动加剧,运行结束后,应对机组进行全面检查,消除由此产生的缺陷。