屈萬(wàn)林

（陜西省石頭河水庫(kù)灌溉中心,陜西 咸陽(yáng) 712000）

1 概述

水輪發(fā)電機(jī)在工作的過(guò)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(wú)功電量。在額定工況下,水輪發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)供給有功電量占總?cè)萘康谋壤窃O(shè)計(jì)確定的,是為發(fā)電機(jī)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(xiàng)重要指標(biāo),電力系統(tǒng)大網(wǎng)對(duì)水電站并網(wǎng)點(diǎn)功率因數(shù)（力率）一般按0.8 進(jìn)行考核,小型水電站一般距離并網(wǎng)點(diǎn)較遠(yuǎn),需經(jīng)升壓變壓器和較長(zhǎng)的供電線(xiàn)路才能送至并網(wǎng)點(diǎn),發(fā)電機(jī)出口力率輸出為0.8 時(shí),由于變壓器以及線(xiàn)路無(wú)功損耗較大,并網(wǎng)點(diǎn)力率一般會(huì)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(jī)組調(diào)相工況或者發(fā)電工況運(yùn)行,有助于穩(wěn)定電網(wǎng),解決力率考核等問(wèn)題。

2 水輪發(fā)電機(jī)調(diào)相運(yùn)行的原理

水輪發(fā)電機(jī)組的調(diào)相運(yùn)行,實(shí)際上就是水輪發(fā)電機(jī)組通過(guò)勵(lì)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(wú)功電量,為補(bǔ)償發(fā)電機(jī)運(yùn)行中的損耗如鐵損、銅損和風(fēng)磨損耗,發(fā)電機(jī)須從電網(wǎng)吸收有功。發(fā)電機(jī)處于調(diào)相運(yùn)行狀態(tài),如果忽略損耗,功率角=0°,定子電流為無(wú)功電流。欠勵(lì)時(shí),發(fā)電機(jī)從電網(wǎng)吸收感性無(wú)功,過(guò)勵(lì)時(shí),發(fā)電機(jī)從電網(wǎng)吸收純?nèi)菪詿o(wú)功。對(duì)勵(lì)磁電流的調(diào)節(jié),能夠有效改變發(fā)電機(jī)在電網(wǎng)中對(duì)無(wú)功功率吸收的性質(zhì)和大小[1],水輪發(fā)電機(jī)的調(diào)相運(yùn)行,消耗功率小,是調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓,改變機(jī)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(jī)組調(diào)相運(yùn)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(guān)石頭河水庫(kù)樞紐大壩右壩腳,是水庫(kù)樞紐工程的重要組成部分,電站總裝機(jī)18500 kW,共安裝混流式機(jī)組4 臺(tái),其中1#機(jī)為立式機(jī)組,裝機(jī)6500 kW,2#、3#機(jī)為立式機(jī)組,裝機(jī)各為5000 kW,4 號(hào)機(jī)為臥式機(jī)組,裝機(jī)2000 kW。

3.1 水電站主結(jié)線(xiàn)

水電站主結(jié)線(xiàn)圖見(jiàn)圖1。

圖1 水電站主結(jié)線(xiàn)簡(jiǎn)圖

3.2 4#機(jī)組進(jìn)行調(diào)相運(yùn)行的原因

石頭河水庫(kù)壩后水電站1#、2#、3#機(jī)組為立式機(jī)組,設(shè)計(jì)水頭分別為70 m、80 m、80 m,而4#為臥式機(jī)組,設(shè)計(jì)水頭58 m。在發(fā)電水頭高于70 m 時(shí),4#機(jī)組無(wú)法運(yùn)行,1#、2#、3#機(jī)組卻能運(yùn)行。水輪發(fā)電機(jī)組在設(shè)計(jì)時(shí),功率因數(shù)按0.8 考慮,水庫(kù)主汛期高水頭豐水發(fā)電時(shí),1#、2#、3#機(jī)組滿(mǎn)發(fā),P=16500 kW,Q=12375 kvar,因電力輸送過(guò)程中必然存在損耗,且無(wú)功損耗要比有功損耗大得多,至并網(wǎng)點(diǎn)時(shí)有功為15955 kW,無(wú)功為10139 kvar,并網(wǎng)點(diǎn)有功、無(wú)功不匹配,功率因數(shù)由發(fā)電時(shí)的0.8 升高到并網(wǎng)點(diǎn)上網(wǎng)時(shí)的0.85,而電網(wǎng)力率考核是0.8,此時(shí)無(wú)功電量欠1202 kvar,造成無(wú)功欠發(fā)[2]。在確保汛期機(jī)組正常發(fā)電和設(shè)備安全運(yùn)行的條件下,利用壩后電站現(xiàn)有設(shè)備,通過(guò)高水頭下4#機(jī)組的調(diào)相試驗(yàn)運(yùn)行,使壩后電站汛期上網(wǎng)功率因數(shù)接近或達(dá)到0.8,滿(mǎn)足電網(wǎng)力率考核要求。

3.3 4#臥式機(jī)組調(diào)相運(yùn)行的技術(shù)論證

水輪發(fā)電機(jī)投入運(yùn)行后,當(dāng)功率因數(shù)減小到0,即可開(kāi)始進(jìn)入調(diào)相運(yùn)行。此時(shí)它向電力系統(tǒng)輸送感性無(wú)功功率,以改善系統(tǒng)的功率因數(shù)。將水輪機(jī)的導(dǎo)葉逐漸關(guān)閉,水輪發(fā)電機(jī)輸出的有功功率也相應(yīng)地減少、當(dāng)水輪機(jī)輸入的功率僅能補(bǔ)償發(fā)電機(jī)的損耗時(shí),水輪發(fā)電機(jī)不發(fā)有功功率,處于無(wú)載狀態(tài),當(dāng)導(dǎo)葉完全關(guān)閉而無(wú)原動(dòng)力時(shí),水輪發(fā)電機(jī)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(dòng),以補(bǔ)償其銅耗、鐵耗和風(fēng)磨擦損耗等,進(jìn)入同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài),調(diào)節(jié)無(wú)功功率。通常水輪發(fā)電機(jī)的調(diào)相容量范圍為發(fā)電機(jī)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(jī)組調(diào)相運(yùn)行試驗(yàn)按最大無(wú)功功率2000 kvar 為目標(biāo)來(lái)進(jìn)行。

壩后4#機(jī)設(shè)計(jì)水頭為58 m,要在高于額定水頭20 m 下做調(diào)相運(yùn)行,既要看高水頭下機(jī)組能否安全啟動(dòng)、并網(wǎng)、解列、停機(jī),還要看機(jī)組機(jī)械強(qiáng)度和調(diào)速器操作功能不能滿(mǎn)足80 m水頭的要求,經(jīng)對(duì)4#機(jī)組蝸殼、導(dǎo)葉以及軸套、拐臂和剪斷銷(xiāo)、法蘭以及連接螺栓強(qiáng)度查證和復(fù)核[3],對(duì)機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)以及調(diào)速器操作功等進(jìn)行校核,數(shù)據(jù)滿(mǎn)足安全要求,能夠進(jìn)行調(diào)相運(yùn)行試驗(yàn)。

3.4 機(jī)組調(diào)相運(yùn)行應(yīng)注意的事項(xiàng)

2018 年9 月4 日15∶00～19∶00,在做好試驗(yàn)準(zhǔn)備 的情況下,我們組織完成壩后電站4# 機(jī)組在78 m 水頭下的調(diào)相運(yùn)行試驗(yàn),實(shí)現(xiàn)了4 號(hào)機(jī)組無(wú)功負(fù)載從200 kvar 到2000 kvar 的遞加試驗(yàn)。機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定,發(fā)電機(jī)、水輪機(jī)各部分溫度正常,未出現(xiàn)異常,無(wú)功負(fù)載2000 kvar 時(shí)的有功消耗僅為200 kW。

1）水輪機(jī)主軸密封依靠水潤(rùn)滑、降溫,在調(diào)相運(yùn)行時(shí),蝸殼中排空,應(yīng)給主軸密封中加注冷卻水,保證密封不受損害。

2）在機(jī)組調(diào)相運(yùn)行中,隨著無(wú)功負(fù)荷逐步加大,發(fā)電機(jī)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(yīng)的勵(lì)磁電流也逐步增加,定子漏磁和定轉(zhuǎn)子磁勢(shì)的高次諧波在電樞繞組導(dǎo)線(xiàn)、磁路和其他金屬結(jié)構(gòu)部件內(nèi)的損耗增大,電機(jī)發(fā)熱量增大,振動(dòng)加劇,應(yīng)注意監(jiān)測(cè)機(jī)組振動(dòng)和軸承、線(xiàn)圈和鐵芯的溫度變化。

3）在機(jī)組調(diào)相運(yùn)行中,應(yīng)特別防止發(fā)電機(jī)的不對(duì)稱(chēng)運(yùn)行和異步運(yùn)行,避免引起轉(zhuǎn)子過(guò)熱和振動(dòng),造成發(fā)電機(jī)繞組絕緣破壞、機(jī)械部件損傷。

4）在機(jī)組調(diào)相運(yùn)行中,發(fā)電機(jī)線(xiàn)圈溫度、鐵芯溫度基本、后導(dǎo)溫度、水導(dǎo)溫度、推力軸承溫度以及機(jī)組軸承處振動(dòng)、基座擺度和振動(dòng)都需加強(qiáng)監(jiān)測(cè),控制在許可范圍內(nèi)。

5）實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)組運(yùn)行各種技術(shù)參數(shù)變化,包括無(wú)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(shè)一套壓縮空氣系統(tǒng)和管路,提高系統(tǒng)的運(yùn)行電壓及穩(wěn)定儲(chǔ)備,勵(lì)磁電流從低到高,緩慢調(diào)節(jié),確保運(yùn)行正常。

7）小型水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)相運(yùn)行,必須與生產(chǎn)廠(chǎng)家經(jīng)過(guò)詳細(xì)論證后,方可進(jìn)行試驗(yàn)。

4 4#臥式機(jī)組調(diào)相運(yùn)行評(píng)價(jià)

在機(jī)組調(diào)相運(yùn)行時(shí),一般由立式機(jī)組承擔(dān),但在特定條件下,臥式機(jī)組也能夠調(diào)相運(yùn)行。通過(guò)實(shí)際運(yùn)行試驗(yàn),石頭河水庫(kù)壩后電站4#臥式機(jī)組達(dá)到了調(diào)相運(yùn)行的要求,運(yùn)行穩(wěn)定,值得推廣。

機(jī)組調(diào)相運(yùn)行時(shí),在無(wú)功負(fù)荷從0 逐步增加到2000 kvar的過(guò)程中,發(fā)電機(jī)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(yīng)的勵(lì)磁電流也逐步增加,定子漏磁和定轉(zhuǎn)子磁勢(shì)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(jī)發(fā)熱量會(huì)大幅度增加,機(jī)組振動(dòng)加劇,運(yùn)行結(jié)束后,應(yīng)對(duì)機(jī)組進(jìn)行全面檢查,消除由此產(chǎn)生的缺陷。