尼爾基水利樞紐水輪發(fā)電機組的增容潛力分析

王大勇

（嫩江尼爾基水利水電有限責(zé)任公司，黑龍江齊齊哈爾161005）

尼爾基水利樞紐水輪發(fā)電機組的增容潛力分析

王大勇

（嫩江尼爾基水利水電有限責(zé)任公司，黑龍江齊齊哈爾161005）

文章詳細闡述尼爾基水利水電有限責(zé)任公司發(fā)電廠機組增容發(fā)電的必要性、增容的可行性，并對機組增容經(jīng)濟效益進行分析，已滿足其在電網(wǎng)中的調(diào)峰能力，增加了電網(wǎng)的備用容量。機組增容發(fā)電為尼爾基公司發(fā)電廠安全穩(wěn)定生產(chǎn)提供堅實可靠保障。

機組增容；必要性；可行性；機組試驗；效益分析

1 機組增容發(fā)電的必要性

1.1 水輪發(fā)電機組現(xiàn)狀

尼爾基發(fā)電廠4臺水輪發(fā)電機組是由哈爾濱電機廠制造，由中水第六工程局安裝施工，首臺4號機組于2006年7月16日并網(wǎng)發(fā)電，其余3臺機組也在2006年底前相繼投產(chǎn)發(fā)電，4臺水輪發(fā)電機組經(jīng)過接近7年多的發(fā)電運行考驗，目前機組運行狀況良好。

1.2 增加發(fā)電量的條件

尼爾基水庫庫容較大，具有嫩江流域水資源利用的多年調(diào)控能力，因此水庫一般都保持相對的高水位運行狀態(tài)，這為提高水能發(fā)電效率的提供良好契機。

1.3 增容后的效益與重要作用

當(dāng)遇到豐水年時，來水量很大，例如2013年，就出現(xiàn)了預(yù)留庫容不足而導(dǎo)致棄水現(xiàn)象，因此怎樣能夠使發(fā)電機組在此期間安全的增加出力（簡稱增容）多發(fā)電，充分利用好水力資源，力爭不棄水或少棄水，將會創(chuàng)造更大經(jīng)濟效益。此外，機組增容后，也提高了其在電網(wǎng)中的調(diào)峰能力，增加了電網(wǎng)的備用容量，由此可見機組增容的是十分必要的。

2 機組增容發(fā)電的可行性

2.1 增容改造方案的選擇

尼爾基發(fā)電廠總裝機額定有功容量為4×62.5 MW，主變壓器額定容量150 MVA，接線方式為2臺機組共用1臺變壓器。經(jīng)過分析，主變壓器的容量是制約發(fā)電機組增容發(fā)電的瓶頸，曾經(jīng)通過技術(shù)咨詢和市場調(diào)查，如果把150 MVA主變壓器進行擴容改造，最大可增擴容至180 MVA，但是需要改造費用接近設(shè)備總價的60%（更換變壓器繞組），每臺改造費用約400多萬元，費用比較昂貴，由此看來，機組增容發(fā)電的前提條件很難滿足。

但是通過研究和分析現(xiàn)有設(shè)備技術(shù)參數(shù)，結(jié)合設(shè)備的實際運行規(guī)律，可以從另外的角度探析機組增容發(fā)電的可行性，就能夠使這個問題得以解決。

2.2 機組實際運行情況

在實際運行中，機組經(jīng)常能夠保持帶額定有功負荷62.5 MW狀態(tài)下運行，尤其是在汛期發(fā)電期間，4臺機組最大日發(fā)電量超過6 000 MW。這里要重點提及一項發(fā)電機組運行參數(shù)—功率因數(shù)（cos?），因為功率因數(shù)是決定發(fā)電機組在額定電流狀態(tài)下的有功和無功功率的分配關(guān)系，發(fā)電機的額定功率（有功）是在額定功率因數(shù)時所對應(yīng)的有功輸出功率，通過查看水輪發(fā)電機組的相關(guān)參數(shù)得出，機組額定功率因數(shù)cos?=0.875對應(yīng)的發(fā)電機額定輸出有功功率P=62.5 MW，發(fā)電機的額定電流為I=2 988 A，水輪機視在功率S=71.43 MVA。但是機組的實際運行狀態(tài)是按照電網(wǎng)調(diào)度指令執(zhí)行的，電網(wǎng)調(diào)度中心要對各發(fā)電廠的發(fā)電計劃（發(fā)電量）、發(fā)電機無功曲線、機組開/停、檢修批準(zhǔn)等各項工作直接調(diào)度，以保證電網(wǎng)運行的安全穩(wěn)定，這些工作內(nèi)容和機組運行中功率分配關(guān)系最大的就是發(fā)電機無功曲線。表1是電網(wǎng)調(diào)度下發(fā)的2012年2季度尼爾基發(fā)電廠發(fā)電機運行曲線表為例，全年各季度基本一致。

表1 發(fā)電機運行曲線表

實際上，發(fā)電機組在運行中的功率因數(shù)經(jīng)過實際記錄的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，基本上都是在0.97～0.98區(qū)間。

無論是電網(wǎng)調(diào)度下發(fā)的無功曲線還是發(fā)電機實際運行的功率因數(shù)，都高于機組的額定功率因數(shù)0.875，即使發(fā)電機有功出力達到了額定值62.50 MW，但是無功卻比額定值小許多，所以發(fā)電機定子電流就遠低于額定值2 988 A。

根據(jù)公式：

膽囊炎包括急慢性兩種，其中，急性膽囊炎屬于較為常見的一種外科急腹癥[1-2]。近年來，伴隨著微創(chuàng)技術(shù)的提出，經(jīng)皮肝膽囊穿刺置管引流術(shù)得到廣泛應(yīng)用[3]，其結(jié)合腹腔鏡膽囊切除術(shù)，能產(chǎn)生良好的療效，創(chuàng)傷小，安全性高。本研究旨在探討經(jīng)皮肝膽囊穿刺引流術(shù)聯(lián)合腹腔鏡膽囊切除術(shù)在急性膽囊炎中的應(yīng)用價值?，F(xiàn)報道如下。

式中：S為視在功率，VA；P為有功功率，W；Q為無功功率，VAR。

如果在運行中保持發(fā)電機定子電流達到額定值，即I=2 988 A，當(dāng)發(fā)電機功率因數(shù)在0.875～1.000區(qū)間變化，視在功率仍然是額定值，即S=71.43 MVA，發(fā)電機的有功功率和無功功率就會得到重新分配，見表2。

表2 功率因數(shù)表

通過以上計算，保持發(fā)電機的額定負載電流不變情況下，根據(jù)發(fā)電機功率因數(shù)進行有功和無功輸出分配，有功功率可以在62.50～71.43 MW區(qū)間運行。功率因數(shù)和有功的關(guān)系曲線見圖1。

圖1 有功功率與功率因數(shù)關(guān)系

3 試驗

3.1 增容后的機組各零部件強度計算與校核

機組增容后，其各主要零部件所承受的水壓力、軸向水推力、扭矩及電磁力等都必然有不同程度的增加。為了滿足機組增容要求，保證機組安全運行，有必要對主軸、聯(lián)接螺栓、轉(zhuǎn)輪體、轉(zhuǎn)輪葉片、座環(huán)、頂蓋、接力器、導(dǎo)葉、控制環(huán)及傳動機構(gòu)、推力軸承、負重機架、發(fā)電機定子機座進行強度計算、校核，其計算分析結(jié)果應(yīng)該滿足增容要求。

3.2 增容后的發(fā)電機電磁參數(shù)計算與校核

機組增容應(yīng)考慮幾種方案，如目前銘牌方案、機組增容65，67.5，70 MW等工況，對上述方案進行電磁計算，確定機組增容后主要電磁參數(shù)（如短路比、直流同步電抗、直流瞬變電抗等）均要滿足運行要求，此時的定子線圈、轉(zhuǎn)子線圈、定子鐵心的溫升的裕度也要滿足規(guī)程要求。

4臺發(fā)電機組雖然在投運時做過溫升試驗，但是經(jīng)過大修后機組的狀態(tài)是有一些變化的，尤其是大修中發(fā)電機的定子線棒槽楔進行了檢修處理，而且要在和以往不同的試驗條件進行溫升試驗，即發(fā)電機的有功、無功分配不是按照原來的額定功率因數(shù)制定，所以發(fā)電機定子電流雖然還在額定值以內(nèi)，但發(fā)電機的有功電流和無功電流分配發(fā)生了變化，發(fā)電機內(nèi)部電磁力和電阻熱效應(yīng)均發(fā)生了變化，因此需要對發(fā)電機進行以上試驗，求證可靠運行依據(jù)。選擇以下幾種運行工況進行溫升試驗，見表3。

表3 功率因數(shù)表

3.4 機組甩負荷試驗

由于機組的有功增加，使得水輪機導(dǎo)葉開度增大，水輪機過水量增大，槳葉在新的協(xié)聯(lián)點運行，開度也要增大，所以對于超出額定有功發(fā)電工況要進行逐級甩負荷試驗，以求證各項數(shù)據(jù)（蝸殼壓力、機組抬機量、轉(zhuǎn)速上升率、機組振動等）滿足機組安全運行?？梢赃x擇表3運行工況進行甩負荷試驗。

3.5 水輪機調(diào)速器協(xié)聯(lián)試驗

對于新的機組運行工況，還涉及到水輪機調(diào)速器要增加新的運行協(xié)聯(lián)點，目前的設(shè)計協(xié)聯(lián)曲線還沒有進行超額定有功發(fā)電的水輪機協(xié)聯(lián)試驗，所以應(yīng)該進行補充試驗，以求證最佳運行協(xié)聯(lián)點，保證機組安全可靠運行。

3.6 機組穩(wěn)定性試驗

可以結(jié)合發(fā)電機溫升試驗工況，進行增容后的機組穩(wěn)定性試驗，以求驗證增容后的機組各部軸承擺度、機架、頂蓋、定子機座振動是否滿足穩(wěn)定要求，同時要考驗各部軸承、推力瓦溫是否滿足規(guī)程要求。

3.7 其他試驗檢查項目

注意觀察發(fā)電機最大負載電流長期運行時發(fā)電機勵磁變壓器的運行情況以及發(fā)電機勵磁裝置、開關(guān)設(shè)備的運行情況，當(dāng)2臺機組同時在額定負載電流狀態(tài)下運行時，要加強對主變壓器及戶外開關(guān)設(shè)備運行狀況進行認(rèn)真檢查。

通過對機組增容發(fā)電的可行性分析論證可知，在機組結(jié)構(gòu)部件不變和保證機組穩(wěn)定性的前提下，適當(dāng)提高發(fā)電機功率因數(shù)，提高發(fā)電機有功功率是完全可行的。建議應(yīng)由具有資質(zhì)權(quán)威研究機構(gòu)或部門的有關(guān)專家做進一步論證評審，以便獲得科學(xué)論證增容的可行性。

4 機組增容放電的效益分析

4.1 增強電網(wǎng)備用容量

增加了電網(wǎng)的備用水電機組容量，即使在平常的熱備用狀態(tài)，電網(wǎng)可以視為尼爾基水力發(fā)電廠為280 MW，比原來的250 MW高出12%。

4.2 增強電網(wǎng)的調(diào)峰能力

增強了尼爾基發(fā)電機組在電網(wǎng)中的調(diào)峰能力，雖然尼爾基發(fā)電廠總裝機容量并不能對電網(wǎng)的調(diào)峰起到重要作用，但是它的意義就在于增加的是水電機組容量，對電網(wǎng)的瞬時、快速調(diào)峰還是能發(fā)揮一定的作用。

4.3 減少機組耗水率

增加發(fā)電效益，如果每日的發(fā)電量已確定，則提高單位時間內(nèi)的發(fā)電量，相對就會減少發(fā)電運行時間，減少機組空載耗水量，從而提高水能效率。

4.4 提高電廠發(fā)電效益

尼爾基發(fā)電廠通過機組增容改造后，可以提升尼爾基公司整體運行水平，提高機組的可靠性和穩(wěn)定性，從而能更好的發(fā)揮尼爾基水利樞紐作用。通過在2013年尼爾基水庫發(fā)生棄水和四臺機組連續(xù)滿發(fā)電122 d的驗證下，如果將4臺水輪機組的總出力由原來的25萬kW提高至28萬kW，每天可增加發(fā)電72萬kW·h。由此可見，所增加發(fā)電效益是非?？捎^的。

［1］宋新明，黃德偉.南河水電廠機組的增容改造［J］.湖北水力發(fā)電，1994（1）.

［2］胡金榮.劉家峽水電廠機組增容改造［A］.全國水電廠技術(shù)改造學(xué)習(xí)交流研討會論文集［C］.2005.

［3］王宏.葛洲壩電站機組增容改造關(guān)鍵技術(shù)研究及工程項目管理［D］.重慶大學(xué)，2001.

［4］付廷勤.劉家峽水電廠水輪發(fā)電機組增容改造分析研究［D］.武漢大學(xué)，2004.

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