彭 橋, 張 鵬, 周 俊 全

(1.國(guó)能粵電臺(tái)山發(fā)電有限公司,廣東 臺(tái)山 529200;2.中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川 成都 610072;3.國(guó)電大渡河流域水電開發(fā)有限公司,四川 成都 610041)

1 新型電力系統(tǒng)中大型水電機(jī)組調(diào)相運(yùn)行原因分析

在實(shí)現(xiàn)國(guó)家“雙碳”目標(biāo)的大背景下,隨著近年來太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電的大力發(fā)展,水電機(jī)組的運(yùn)行方式已經(jīng)由傳統(tǒng)的發(fā)電方式逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榕浜巷L(fēng)光水儲(chǔ)多能互補(bǔ)的新型運(yùn)行方式[1]。

某水電站位于某江干流上,采用壩式開發(fā)方案,具有不完全年調(diào)節(jié)能力。電站裝機(jī)容量2 240 MW,地下廠房,安裝4臺(tái)單機(jī)容量510 MW的混流式機(jī)組和2臺(tái)單機(jī)容量200 MW的混流式泄放生態(tài)流量機(jī)組。某江上游光伏資源豐富,可配置裝機(jī)約為3 600萬kW,電站除發(fā)電外兼具備新型電力系統(tǒng)多能互補(bǔ)的功能。

隨著光伏出力在通道中占比逐漸升高,在光伏側(cè)和匯流站側(cè)可能出現(xiàn)暫態(tài)過電壓水平過高的情況,從而影響電網(wǎng)的穩(wěn)定正常運(yùn)行。如不考慮暫態(tài)過電壓抑制措施,送電通道的最大送電能力會(huì)嚴(yán)重下降,光伏消納能力也將大幅下降,所以必須采取相應(yīng)的過電壓抑制措施。目前,電網(wǎng)中常用過電壓抑制措施主要有采用靜止無功補(bǔ)償器(SVC)、靜態(tài)同步補(bǔ)償器(SVG)、同步調(diào)相機(jī),以及利用水電機(jī)組作調(diào)相運(yùn)行。

根據(jù)《某江上游某水電站接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)》審查意見:“4. 發(fā)電機(jī)組額定功率因數(shù) 0.9,電站應(yīng)具備進(jìn)相和調(diào)相運(yùn)行能力”;結(jié)合接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)單位提供的相關(guān)資料,為滿足其大規(guī)模的新能源接入,降低接入系統(tǒng)過電壓水平,某水電站應(yīng)具有調(diào)相運(yùn)行能力。

國(guó)內(nèi)常規(guī)機(jī)組具有調(diào)相運(yùn)行能力的不多,且多為容量不大的中小型機(jī)組。某水電站單機(jī)容量510 MW,額定水頭177 m,轉(zhuǎn)輪直徑6.35 m,具有單機(jī)容量大、機(jī)組尺寸大的特點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外還未有類似規(guī)模的常規(guī)機(jī)組進(jìn)行調(diào)相運(yùn)行的業(yè)績(jī)。因此,對(duì)大尺寸、大容量的某水電站機(jī)組進(jìn)行調(diào)相運(yùn)行的可行性技術(shù)分析,對(duì)保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行是非常必要的。

2 某水電站水輪機(jī)調(diào)相運(yùn)行可行性分析

2.1 水輪機(jī)調(diào)相工作原理

混流式水輪發(fā)電機(jī)組作為調(diào)相運(yùn)行時(shí),主要有“帶水調(diào)相”和“壓水調(diào)相”兩種方式,其中“壓水調(diào)相”因其具有調(diào)相運(yùn)行時(shí)有功損耗小的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。這種調(diào)相方式配備專用的空氣壓縮機(jī)和儲(chǔ)氣設(shè)備,用壓縮空氣強(qiáng)制地壓低尾水管中的水位,使轉(zhuǎn)輪完全脫離尾水并在空氣中旋轉(zhuǎn),以減少調(diào)相運(yùn)行方式下的有功損耗[1]。

相比常規(guī)水輪機(jī),調(diào)相運(yùn)行機(jī)組水輪機(jī)增加了“調(diào)相啟動(dòng)”“發(fā)電-調(diào)相”“調(diào)相-發(fā)電”“調(diào)相-停機(jī)”等工況,這些工況需要經(jīng)過“充氣壓水”“回水排氣”的關(guān)鍵過程。

“調(diào)相啟動(dòng)”及“發(fā)電-調(diào)相”工況均需要“充氣壓水”,充氣壓水原理見圖1。以“發(fā)電-調(diào)相”工況為例,機(jī)組需降低有功功率并關(guān)閉活動(dòng)導(dǎo)葉,向上、下止漏環(huán)通入冷卻水,打開錐管壓氣管液壓閥向流道內(nèi)通入壓縮空氣使轉(zhuǎn)輪室中水位下降,同時(shí)打開底環(huán)平壓管用于止漏環(huán)冷卻水的排出,在錐管內(nèi)水位。

圖1 充氣壓水原理圖

下降到制定位置時(shí)充氣壓水完成,可以投入無功調(diào)節(jié),進(jìn)入調(diào)相運(yùn)行[2]。

“調(diào)相-發(fā)電”及“調(diào)相-停機(jī)”工況均需要“回水排氣”。以“調(diào)相-發(fā)電”工況為例,關(guān)閉錐管壓氣管液壓閥和底環(huán)平壓管液壓閥,打開錐管排氣閥和頂蓋排氣閥,錐管內(nèi)的水位逐漸上升,當(dāng)上升至轉(zhuǎn)輪處到達(dá)一級(jí)濺水功率時(shí)關(guān)閉錐管排氣閥,當(dāng)流道內(nèi)充滿水達(dá)到二級(jí)濺水功率時(shí)關(guān)閉頂蓋排氣閥,關(guān)閉止漏環(huán)冷卻水,回水排氣完成,可將導(dǎo)葉開啟至設(shè)定功率進(jìn)入發(fā)電工況。

2.2 調(diào)相用氣量初步分析及計(jì)算

機(jī)組使用的調(diào)相用氣量要按規(guī)范要求進(jìn)行計(jì)算。通常應(yīng)滿足2次壓氣的要求[3]。

從表1(部分電站調(diào)相壓水系統(tǒng)主要參數(shù)表)可以看出,該水電站整體空氣系統(tǒng)規(guī)模大于文登等抽蓄電站,與尼日利亞(設(shè)計(jì)中) Zungeru 水電站、越南宣光電站相當(dāng),這與某水電站水輪機(jī)尺寸大、壓水體積明顯大于其他抽蓄機(jī)組有關(guān)。總的來說,某水電站調(diào)相壓水用氣量雖大于抽蓄電站,但仍位于現(xiàn)有裝備技術(shù)水平內(nèi)。漏氣量是影響調(diào)相壓水成功率的另一個(gè)重要因素,若壓水過程中漏氣量過大,可能造成壓水失敗或是設(shè)備投資過大。某水電站水輪機(jī)尺寸大,主機(jī)廠提供的漏氣量略小于Zungeru 水電站,大于抽蓄電站平均水平。但某水電站水輪機(jī)設(shè)置有筒形閥,若考慮在調(diào)相壓水期間關(guān)閉筒形閥,再通過水輪機(jī)其他結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化,可以有效降低漏氣量,降低空壓機(jī)系統(tǒng)投資。根據(jù)計(jì)算,選用3只容積為16.0 m3且額定工作壓力為8.0 MPa的中壓儲(chǔ)氣罐,儲(chǔ)氣罐總?cè)莘e為48.0 m3。實(shí)現(xiàn)調(diào)相壓水功能從用氣量方面來說不存在制約因素。

表1 部分電站調(diào)相壓水系統(tǒng)主要參數(shù)表

2.3 調(diào)相工況對(duì)水輪機(jī)穩(wěn)定性和部件剛強(qiáng)度的影響

某水電站水輪發(fā)電機(jī)組作調(diào)相運(yùn)行時(shí),轉(zhuǎn)輪在空氣中旋轉(zhuǎn),沒有水流擾動(dòng)的影響,機(jī)組振動(dòng)與擺度將遠(yuǎn)低于正常發(fā)電工況。轉(zhuǎn)輪室腔內(nèi)氣體的壓力與尾水壓力平衡,電站尾水最高壓力為0.35 MPa,即便考慮運(yùn)行時(shí)可能的壓力波動(dòng),調(diào)相運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)輪腔體內(nèi)的氣壓力不會(huì)超過0.45 MPa,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)的壓力。

因此,機(jī)組調(diào)相運(yùn)行時(shí)水輪機(jī)穩(wěn)定性和剛強(qiáng)度安全裕度優(yōu)于機(jī)組正常發(fā)電工況。

2.4 調(diào)相工況對(duì)水輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響

為使某水電站機(jī)組適配調(diào)相運(yùn)行工況,水輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還需要進(jìn)行針對(duì)性調(diào)整。

(1)為減少漏氣量,水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)需要增加導(dǎo)葉端面密封。

(2)水輪機(jī)頂蓋需增加排氣管路,接至電站滲漏集水井。

(3)頂蓋需增加上止漏環(huán)冷卻水供水管路。該管路與電站技術(shù)供水管路系統(tǒng)連接,并配置自動(dòng)控制閥門。

(4)座環(huán)需增加下止漏環(huán)冷卻水供水管路。該管路與電站技術(shù)供水管路系統(tǒng)連接,并配置自動(dòng)控制閥門。

(5)錐管進(jìn)口位置需設(shè)置進(jìn)氣管,該管路儲(chǔ)氣罐供氣干管連接,并配置自動(dòng)控制閥門。

(6)尾水錐管外側(cè)適當(dāng)位置需設(shè)置帶有報(bào)警節(jié)點(diǎn)的液位監(jiān)測(cè)裝置。

因調(diào)相工況而增加的上述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變化不會(huì)導(dǎo)致原水輪機(jī)設(shè)計(jì)發(fā)生較大方案調(diào)整,對(duì)于供貨工期影響較小。

3 某水電站發(fā)電機(jī)調(diào)相運(yùn)行可行性分析

3.1 仿真分析計(jì)算成果

計(jì)算模型需按照常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)及勵(lì)磁系統(tǒng)AVR進(jìn)行建模,通常不考慮加裝PSS裝置。仿真計(jì)算工況包括調(diào)相運(yùn)行工況(發(fā)電機(jī)不發(fā)出有功功率)和正常發(fā)電工況。發(fā)電機(jī)調(diào)相運(yùn)行仿真模型見圖2。

圖2 發(fā)電機(jī)調(diào)相運(yùn)行仿真模型

參考標(biāo)準(zhǔn):IEEE 421.5,GB/T 755,GB/T 7984等。電機(jī)端電壓運(yùn)行范圍:18 kV±7.5%。經(jīng)過初步仿真分析計(jì)算,某水電站510 MW發(fā)電機(jī)具備能力如下:

(1)調(diào)相工況下,電機(jī)的調(diào)相容量范圍為-448 ～368 MVar,勵(lì)磁電流未超過額定勵(lì)磁電流,強(qiáng)勵(lì)電壓為2.5倍額定勵(lì)磁電壓。

(2)發(fā)電機(jī)在額定功率(510 MW)條件下,其無功調(diào)節(jié)范圍為-247～247 MVar。

經(jīng)仿真分析,某水電站510 MW發(fā)電機(jī)具備一定調(diào)相能力,其調(diào)相容量為368 Mvar(滯相)。

3.2 調(diào)相工況對(duì)發(fā)電機(jī)主要參數(shù)的影響

發(fā)電機(jī)調(diào)相運(yùn)行,電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸不變,直軸電抗參數(shù)有所下降,有利于提高暫態(tài)響應(yīng)速度,定子繞組溫升大幅降低,有利于提高調(diào)相工況定子繞組的過載能力,其余參數(shù)與發(fā)電工況相當(dāng)。

3.3 調(diào)相工況對(duì)發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響

510 MW發(fā)電機(jī)調(diào)相運(yùn)行,電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)不變。

(1)調(diào)相運(yùn)行工況與發(fā)電工況比,其空載特性相同,電機(jī)磁拉力、偏心磁拉力、轉(zhuǎn)動(dòng)部分離心力不變。

(2)由于沒有有功功率輸出,調(diào)相運(yùn)行工況電磁扭矩比發(fā)電工況大幅降低。

(3)由于水推力的大幅減少,調(diào)相運(yùn)行工況推力負(fù)荷比發(fā)電工況大幅降低。

綜上,電機(jī)調(diào)相工況受力低于發(fā)電工況,因此,510 MW發(fā)電機(jī)調(diào)相運(yùn)行時(shí)結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度滿足要求。

3.4 調(diào)相工況對(duì)某水電站運(yùn)行方式的影響

首先對(duì)四川西北部地區(qū)光伏電站的出力情況進(jìn)行分析。

從圖3(代表光伏電站日內(nèi)出力變化曲線)可以發(fā)現(xiàn),代表光伏電站各月、日內(nèi)出力趨勢(shì)較為一致。從日內(nèi)看,一般在上午7～8點(diǎn)太陽能輻射量開始增加,中午12～13點(diǎn)太陽能輻射量達(dá)到最大,之后輻射量開始下降,夜間20點(diǎn)～次日上午6點(diǎn)輻射量基本為0,光伏高出力時(shí)段區(qū)主要位于10～16點(diǎn)。從月分布來看,1月的日內(nèi)小時(shí)平均出力最大,7月各時(shí)刻出力最低,發(fā)電最少,總體在降水量平枯期光伏出力大,在汛期光伏出力較低[4]。

因此,從年內(nèi)來說,在平枯期內(nèi),電站經(jīng)常處于部分負(fù)荷狀態(tài),可以隨時(shí)按系統(tǒng)要求進(jìn)行調(diào)相運(yùn)行,確保光伏大發(fā)時(shí)的消納。在汛期,機(jī)組參與調(diào)相時(shí)段減少,水電機(jī)組在保證光伏消納的情況下,可盡量發(fā)電,減少棄水,提升電站整體的經(jīng)濟(jì)效益[5]。

從日內(nèi)來說,某水電站機(jī)組可能參考調(diào)相時(shí)間約在6 h左右,在汛期部分時(shí)段可能引起額外棄水,在平枯期基本不會(huì)產(chǎn)生棄水。

根據(jù)光伏出力特性,某水電站根據(jù)系統(tǒng)需要投入調(diào)相運(yùn)行,基本不會(huì)改變電站的運(yùn)行方式。

4 結(jié) 語

根據(jù)某水電站水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)及附屬設(shè)備調(diào)相運(yùn)行可行性分析可以發(fā)現(xiàn):

(1)接入新型電力系統(tǒng)后,從促進(jìn)新能源發(fā)展、實(shí)現(xiàn)水光互補(bǔ)、服務(wù)雙碳戰(zhàn)略,提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定、確保電站安全運(yùn)行等方面來說,大型水電機(jī)組的運(yùn)行方式進(jìn)行調(diào)整是必要的。

(2)根據(jù)對(duì)某水電站的水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)調(diào)相運(yùn)行可行性分析可以看出,大型水電機(jī)組經(jīng)過一定的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)調(diào)整,即可具備調(diào)相能力。機(jī)組穩(wěn)定性、安全性、可靠性不受影響,基本不會(huì)改變電站的運(yùn)行方式。目前水電站機(jī)組的設(shè)計(jì)制造規(guī)范正在進(jìn)行修訂,將來可能會(huì)把具備調(diào)相能力作為接入新型電力系統(tǒng)的一個(gè)必備條件。

(3)若在初設(shè)過程中未做調(diào)相設(shè)計(jì),廠內(nèi)通常沒有設(shè)置調(diào)相系統(tǒng)專用空壓機(jī)室,后期調(diào)整現(xiàn)有廠房布置格局較為困難。但大型地下水電站有大量施工、交通支洞可供利用。某水電站結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,利用已有施工支洞及交通通道,將調(diào)相運(yùn)行空壓機(jī)房布置在公路與進(jìn)廠交通洞交叉口附近,儲(chǔ)氣罐布置于副廠房底層強(qiáng)迫補(bǔ)氣預(yù)留空壓機(jī)室。因此,基本未增加土建投資。

(4)調(diào)相運(yùn)行除論證水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)可行性外,對(duì)供電和控制系統(tǒng)也要做相應(yīng)的補(bǔ)充設(shè)計(jì)。同時(shí)還需要對(duì)調(diào)相用氣量做詳細(xì)的計(jì)算。

目前,該水電站機(jī)組調(diào)相專題研究報(bào)告已經(jīng)通過了水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院的評(píng)審,正式進(jìn)入技施階段,筆者將繼續(xù)跟蹤調(diào)相設(shè)計(jì)的詳細(xì)方案的實(shí)施直至項(xiàng)目順利投運(yùn)。