在新型電力系統中大型水電機組調相運行可行性分析

彭 橋, 張 鵬, 周 俊 全

(1.國能粵電臺山發電有限公司,廣東 臺山 529200;2.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司,四川 成都 610072;3.國電大渡河流域水電開發有限公司,四川 成都 610041)

1 新型電力系統中大型水電機組調相運行原因分析

在實現國家“雙碳”目標的大背景下,隨著近年來太陽能發電、風力發電的大力發展,水電機組的運行方式已經由傳統的發電方式逐步轉變為配合風光水儲多能互補的新型運行方式[1]。

某水電站位于某江干流上,采用壩式開發方案,具有不完全年調節能力。電站裝機容量2 240 MW,地下廠房,安裝4臺單機容量510 MW的混流式機組和2臺單機容量200 MW的混流式泄放生態流量機組。某江上游光伏資源豐富,可配置裝機約為3 600萬kW,電站除發電外兼具備新型電力系統多能互補的功能。

隨著光伏出力在通道中占比逐漸升高,在光伏側和匯流站側可能出現暫態過電壓水平過高的情況,從而影響電網的穩定正常運行。如不考慮暫態過電壓抑制措施,送電通道的最大送電能力會嚴重下降,光伏消納能力也將大幅下降,所以必須采取相應的過電壓抑制措施。目前,電網中常用過電壓抑制措施主要有采用靜止無功補償器(SVC)、靜態同步補償器(SVG)、同步調相機,以及利用水電機組作調相運行。

根據《某江上游某水電站接入系統設計》審查意見:“4. 發電機組額定功率因數 0.9,電站應具備進相和調相運行能力”;結合接入系統設計單位提供的相關資料,為滿足其大規模的新能源接入,降低接入系統過電壓水平,某水電站應具有調相運行能力。

國內常規機組具有調相運行能力的不多,且多為容量不大的中小型機組。某水電站單機容量510 MW,額定水頭177 m,轉輪直徑6.35 m,具有單機容量大、機組尺寸大的特點。國內外還未有類似規模的常規機組進行調相運行的業績。因此,對大尺寸、大容量的某水電站機組進行調相運行的可行性技術分析,對保證機組安全穩定運行是非常必要的。

2 某水電站水輪機調相運行可行性分析

2.1 水輪機調相工作原理

混流式水輪發電機組作為調相運行時,主要有“帶水調相”和“壓水調相”兩種方式,其中“壓水調相”因其具有調相運行時有功損耗小的優點而被廣泛應用。這種調相方式配備專用的空氣壓縮機和儲氣設備,用壓縮空氣強制地壓低尾水管中的水位,使轉輪完全脫離尾水并在空氣中旋轉,以減少調相運行方式下的有功損耗[1]。

相比常規水輪機,調相運行機組水輪機增加了“調相啟動”“發電-調相”“調相-發電”“調相-停機”等工況,這些工況需要經過“充氣壓水”“回水排氣”的關鍵過程。

“調相啟動”及“發電-調相”工況均需要“充氣壓水”,充氣壓水原理見圖1。以“發電-調相”工況為例,機組需降低有功功率并關閉活動導葉,向上、下止漏環通入冷卻水,打開錐管壓氣管液壓閥向流道內通入壓縮空氣使轉輪室中水位下降,同時打開底環平壓管用于止漏環冷卻水的排出,在錐管內水位。

圖1 充氣壓水原理圖

下降到制定位置時充氣壓水完成,可以投入無功調節,進入調相運行[2]。

“調相-發電”及“調相-停機”工況均需要“回水排氣”。以“調相-發電”工況為例,關閉錐管壓氣管液壓閥和底環平壓管液壓閥,打開錐管排氣閥和頂蓋排氣閥,錐管內的水位逐漸上升,當上升至轉輪處到達一級濺水功率時關閉錐管排氣閥,當流道內充滿水達到二級濺水功率時關閉頂蓋排氣閥,關閉止漏環冷卻水,回水排氣完成,可將導葉開啟至設定功率進入發電工況。

2.2 調相用氣量初步分析及計算

機組使用的調相用氣量要按規范要求進行計算。通常應滿足2次壓氣的要求[3]。

從表1(部分電站調相壓水系統主要參數表)可以看出,該水電站整體空氣系統規模大于文登等抽蓄電站,與尼日利亞(設計中) Zungeru 水電站、越南宣光電站相當,這與某水電站水輪機尺寸大、壓水體積明顯大于其他抽蓄機組有關?？偟膩碚f,某水電站調相壓水用氣量雖大于抽蓄電站,但仍位于現有裝備技術水平內。漏氣量是影響調相壓水成功率的另一個重要因素,若壓水過程中漏氣量過大,可能造成壓水失敗或是設備投資過大。某水電站水輪機尺寸大,主機廠提供的漏氣量略小于Zungeru 水電站,大于抽蓄電站平均水平。但某水電站水輪機設置有筒形閥,若考慮在調相壓水期間關閉筒形閥,再通過水輪機其他結構設計優化,可以有效降低漏氣量,降低空壓機系統投資。根據計算,選用3只容積為16.0 m3且額定工作壓力為8.0 MPa的中壓儲氣罐,儲氣罐總容積為48.0 m3。實現調相壓水功能從用氣量方面來說不存在制約因素。

表1 部分電站調相壓水系統主要參數表

2.3 調相工況對水輪機穩定性和部件剛強度的影響

某水電站水輪發電機組作調相運行時,轉輪在空氣中旋轉,沒有水流擾動的影響,機組振動與擺度將遠低于正常發電工況。轉輪室腔內氣體的壓力與尾水壓力平衡,電站尾水最高壓力為0.35 MPa,即便考慮運行時可能的壓力波動,調相運行時轉輪腔體內的氣壓力不會超過0.45 MPa,遠遠小于機組正常運行時的壓力。

因此,機組調相運行時水輪機穩定性和剛強度安全裕度優于機組正常發電工況。

2.4 調相工況對水輪機結構設計的影響

為使某水電站機組適配調相運行工況,水輪機結構設計還需要進行針對性調整。

(1)為減少漏氣量,水輪機導水機構需要增加導葉端面密封。

(2)水輪機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冷卻水供水管路。該管路與電站技術供水管路系統連接,并配置自動控制閥門。

(4)座環需增加下止漏環冷卻水供水管路。該管路與電站技術供水管路系統連接,并配置自動控制閥門。

(5)錐管進口位置需設置進氣管,該管路儲氣罐供氣干管連接,并配置自動控制閥門。

(6)尾水錐管外側適當位置需設置帶有報警節點的液位監測裝置。

因調相工況而增加的上述結構設計變化不會導致原水輪機設計發生較大方案調整,對于供貨工期影響較小。

3 某水電站發電機調相運行可行性分析

3.1 仿真分析計算成果

計算模型需按照常規水輪發電機及勵磁系統AVR進行建模,通常不考慮加裝PSS裝置。仿真計算工況包括調相運行工況(發電機不發出有功功率)和正常發電工況。發電機調相運行仿真模型見圖2。

圖2 發電機調相運行仿真模型

參考標準:IEEE 421.5,GB/T 755,GB/T 7984等。電機端電壓運行范圍:18 kV±7.5%。經過初步仿真分析計算,某水電站510 MW發電機具備能力如下:

(1)調相工況下,電機的調相容量范圍為-448 ～368 MVar,勵磁電流未超過額定勵磁電流,強勵電壓為2.5倍額定勵磁電壓。

(2)發電機在額定功率(510 MW)條件下,其無功調節范圍為-247～247 MVar。

經仿真分析,某水電站510 MW發電機具備一定調相能力,其調相容量為368 Mvar(滯相)。

3.2 調相工況對發電機主要參數的影響

發電機調相運行,電機結構尺寸不變,直軸電抗參數有所下降,有利于提高暫態響應速度,定子繞組溫升大幅降低,有利于提高調相工況定子繞組的過載能力,其余參數與發電工況相當。

3.3 調相工況對發電機結構設計影響

510 MW發電機調相運行,電機結構參數不變。

(1)調相運行工況與發電工況比,其空載特性相同,電機磁拉力、偏心磁拉力、轉動部分離心力不變。

(2)由于沒有有功功率輸出,調相運行工況電磁扭矩比發電工況大幅降低。

(3)由于水推力的大幅減少,調相運行工況推力負荷比發電工況大幅降低。

綜上,電機調相工況受力低于發電工況,因此,510 MW發電機調相運行時結構剛強度滿足要求。

3.4 調相工況對某水電站運行方式的影響

首先對四川西北部地區光伏電站的出力情況進行分析。

從圖3(代表光伏電站日內出力變化曲線)可以發現,代表光伏電站各月、日內出力趨勢較為一致。從日內看,一般在上午7～8點太陽能輻射量開始增加,中午12～13點太陽能輻射量達到最大,之后輻射量開始下降,夜間20點～次日上午6點輻射量基本為0,光伏高出力時段區主要位于10～16點。從月分布來看,1月的日內小時平均出力最大,7月各時刻出力最低,發電最少,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,從年內來說,在平枯期內,電站經常處于部分負荷狀態,可以隨時按系統要求進行調相運行,確保光伏大發時的消納。在汛期,機組參與調相時段減少,水電機組在保證光伏消納的情況下,可盡量發電,減少棄水,提升電站整體的經濟效益[5]。

從日內來說,某水電站機組可能參考調相時間約在6 h左右,在汛期部分時段可能引起額外棄水,在平枯期基本不會產生棄水。

根據光伏出力特性,某水電站根據系統需要投入調相運行,基本不會改變電站的運行方式。

4 結 語

根據某水電站水輪機、發電機及附屬設備調相運行可行性分析可以發現:

(1)接入新型電力系統后,從促進新能源發展、實現水光互補、服務雙碳戰略,提高電力系統穩定、確保電站安全運行等方面來說,大型水電機組的運行方式進行調整是必要的。

(2)根據對某水電站的水輪機、發電機調相運行可行性分析可以看出,大型水電機組經過一定的結構設計調整,即可具備調相能力。機組穩定性、安全性、可靠性不受影響,基本不會改變電站的運行方式。目前水電站機組的設計制造規范正在進行修訂,將來可能會把具備調相能力作為接入新型電力系統的一個必備條件。

(3)若在初設過程中未做調相設計,廠內通常沒有設置調相系統專用空壓機室,后期調整現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。某水電站結合現場實際情況,利用已有施工支洞及交通通道,將調相運行空壓機房布置在公路與進廠交通洞交叉口附近,儲氣罐布置于副廠房底層強迫補氣預留空壓機室。因此,基本未增加土建投資。

(4)調相運行除論證水輪機、發電機可行性外,對供電和控制系統也要做相應的補充設計。同時還需要對調相用氣量做詳細的計算。

目前,該水電站機組調相專題研究報告已經通過了水電水利規劃設計總院的評審,正式進入技施階段,筆者將繼續跟蹤調相設計的詳細方案的實施直至項目順利投運。