閘孔潛水式異步水輪發(fā)電機組運行實踐

李守成，王豹，嚴平，李瞻

（1.江蘇省洪澤湖水利工程管理處，江蘇洪澤223100；2.淮安市洪金灌區(qū)管理處，江蘇洪澤223100）

閘孔潛水式異步水輪發(fā)電機組運行實踐

李守成1，王豹1，嚴平1，李瞻2

（1.江蘇省洪澤湖水利工程管理處，江蘇洪澤223100；2.淮安市洪金灌區(qū)管理處，江蘇洪澤223100）

在水閘閘孔設置潛水式異步水輪發(fā)電機組是一種新型的水力發(fā)電形式，該形式機組在運行中，體現(xiàn)出了結構簡單、輔助設備少、并網(wǎng)操作便捷等優(yōu)點。論文介紹了閘孔潛水式異步水輪發(fā)電機組的安裝要點，以及機組在斷流與調速、空載建壓、單機負載、并網(wǎng)與離網(wǎng)等環(huán)節(jié)的運行實踐，并對試驗機組的運行成果和效率進行了分析。

閘孔；潛水式；異步發(fā)電機；運行實踐

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.09.023

1 項目背景

為探索閘孔水力發(fā)電新形式，簡化水電站結構型式，江蘇省洪澤湖水利工程管理處會同揚州大學合作開展了水閘閘孔潛水發(fā)電站研究科技項目，項目的試驗機型選定為全貫流潛水式異步水輪發(fā)電機組。

項目選擇江蘇省三河閘2#閘孔作為試驗場，試驗機安裝在2#孔對應的消力池內，三河閘設計流量12000m3/s，共63孔，每孔寬度10m，三河閘上游正常蓄水位13.0m，相應下游水位7.5m，可利用發(fā)電水頭在4.5～5.5m之間。

目前，該項目研究取得成功，獲得國家實用新型專利（專利號：ZL 2014 2 0586243.3）。

2 電站的整體布置及設備選型安裝

2.1 電站的整體布置

電站由進水浮箱檢修門及斷流設施、引水管道、潛水式異步水輪發(fā)電機組、尾水管等組成，如圖1所示。

圖1 水輪機發(fā)電機組整體布置圖

2.2 水輪發(fā)電機組選型與安裝

全貫流潛水式異步水輪發(fā)電機組目前在國內外都較為少見，國內更沒有定型的潛水水輪發(fā)電機組，因此，項目組進行了比選與設計。

水輪機參數(shù)。機組型號，GDJ735B-W-86；額定功率，128 kW；額定轉速，394r/min；設計水頭，4.5m；設計流量，3.19m3/s；轉輪直徑，0.86m；轉輪角度，21.5°；導葉開度，57°；飛逸轉速，1000r/min；效率，0.88。

發(fā)電機參數(shù)。額定電壓，400V；額定頻率，50Hz；額定電流，181A；額定輸出功率，100kW；額定轉速，394r/min；功率因數(shù)，0.8；發(fā)電機效率為0.84。

水輪發(fā)電機組進水口及拍門，設在浮箱式檢修門上，檢修門安裝在三河閘檢修門門槽里。

水輪發(fā)電機組的安裝順序是先檢修閘門及拍門的安裝，然后是進水管道安裝，再進行水輪發(fā)電機組及尾水管安裝，最后是發(fā)電機輸出電纜及其他配電設施的安裝。

水輪機組安裝的質量控制要點：

1）檢修門安裝緊密，不大量滲水；

2）進水管道沿閘室平順布置，不扭曲；

3）進水管道固定牢靠；

4）拍門啟閉正常；

5）電氣線路、設備的安裝符合規(guī)范要求。

3 發(fā)電機運行

3.1 斷流與調速

該項目中水輪機導葉、轉輪葉片均采用了固定形式，起初設計是在進水口安裝拍門，拍門通過鋼絲繩與起吊設備相連接，依靠控制拍門的開度來實現(xiàn)機組的斷流與調速。但是，在運行實踐中，存在著如下問題：

1）拍門安裝在水下，拍門開度無法直觀讀取；

2）起吊拍門的設備環(huán)節(jié)太多，鋼絲繩又具有一定的彈性，依靠控制拍門開度來控制發(fā)電機組的轉速，準確性極差；

3）當拍門的開度從大開度降至25°以下時，由于高速水流的慣性作用，拍門會產(chǎn)生劇烈震動、跳躍；

4）斷流時，拍門在完全關閉的剎那，會對進水管口形成巨大撞擊等，對水輪發(fā)電機組形成威脅。

后在引水管上，安裝φ1200mm電動蝶閥閘門，同時安裝蝶閥開度顯示儀，用蝶閥來進行水輪發(fā)電機組的斷流與調速控制，拍門原設計中的功能基本被替代。

3.2 空載建壓

由于訂購的異步發(fā)電機沒有配備勵磁電容，生產(chǎn)廠家也沒有提供勵磁電容的參數(shù)。因此，異步發(fā)電機的基本勵磁電容C0，起初是通過以下公式計算獲得：

當PE≥10kW，且電容器為“△”接法時，

I0=IE-1.34PE=181-1.34×100=47（A）

式中，I0為發(fā)電機空載電流，IE為電機額定電流，PE為電機額定功率，UE為額定電壓，f為頻率[1]。

但是，在運行實踐中，按照以上公式計算配置的電容量，不能夠完成發(fā)電機的建壓。通過摸索，最終實現(xiàn)建壓的實際匹配電容量為1990μF，電容型號為BCMJ0.4-20-3自愈式電容器，接線方式“△”，單只為398μF，使用5只并聯(lián)。試驗發(fā)電機空載建壓時的幾種特征如表1所示。

表1 試驗發(fā)電機空載建壓時的特征

從表1中可見1990μF電容量并不是試驗機組合適的電容量配置，但是，由于試驗現(xiàn)場條件有限，沒有更多不同參數(shù)的電容器來進行重新搭配組合。

3.3 并網(wǎng)與離網(wǎng)

3.3.1 異步發(fā)電機的并網(wǎng)方式選擇

目前，異步發(fā)電機并網(wǎng)主要有如下的4種方式。

1）直接并網(wǎng)方式。采用直接并網(wǎng)的方式只需要使異步發(fā)電機的轉速接近同步轉速（一般為98%～100%的同步轉速），即可并網(wǎng)。該方式的優(yōu)點是無須同步設備和整步操作，機組運行控制簡單；缺點是并網(wǎng)時會產(chǎn)生較大的沖擊電流，容易造成電網(wǎng)電壓下降，適用于電網(wǎng)容量大、發(fā)電機組容量小的情況。

2）準同期并網(wǎng)方式。該方式與同步發(fā)電機在準同步并網(wǎng)方式上相同，當異步發(fā)電機的電壓、相位、頻率三者與電網(wǎng)一致時，即開始并網(wǎng)操作。該方式的優(yōu)點是并網(wǎng)時的沖擊電流不大，電網(wǎng)電壓下降幅度很小；缺點是整步同期設備使機組的造價增加，并網(wǎng)所耗費的時間較長，適用于電網(wǎng)容量較小的場合適用。

3）降壓并網(wǎng)方式。該方式是使用電抗器在系統(tǒng)與發(fā)電機之間進行連接，達到減小電網(wǎng)電壓下降的幅度與合閘瞬間沖擊電流幅值的目的，降壓并網(wǎng)方式需要大功率的電阻或電抗器組件，投資隨著機組容量的增大而增大，適用于小容量發(fā)電機組的并網(wǎng)。

4）軟并網(wǎng)方式。該方式是通過雙向晶閘管使異步發(fā)電機與電網(wǎng)相連，當異步發(fā)電機運行轉速與同步轉速開始接近時，與電網(wǎng)進行連接的每一相雙向晶閘管的控制角在180°與0°之間逐漸同步打開；此時，雙向晶閘管的導通角也同時在0°與180°之間逐漸同步增大。這時自動并網(wǎng)開關尚未動作，發(fā)電機通過雙向晶閘管平穩(wěn)地進入電網(wǎng)。

該項目的并網(wǎng)配電盤，為試驗人員利用舊配電盤進行改造，改造后的配電盤主要電氣部件為隔離開關HD13-630、負荷開關（并網(wǎng)接觸器）CJ20-400、勵磁電容器控制斷路器DZ20J-100。

3.3.2 并網(wǎng)運行

1）影響異步發(fā)電機并網(wǎng)的要素及控制措施

（1）相序。并網(wǎng)前，必須對電網(wǎng)和發(fā)電機的相序進行測定，如果測出的發(fā)電機相序與電網(wǎng)的不一致，需要進行線路調整，必須保證發(fā)電機與電網(wǎng)的相序一致。

（2）頻率。發(fā)電機的頻率必須等于或者完全接近電網(wǎng)的頻率，頻差越小，并網(wǎng)時產(chǎn)生的震蕩和沖擊電流越小，發(fā)電機頻率可以通過調整發(fā)電機轉速來控制[2]。

（3）變壓器二次側的感性負載。該項目的第一次并網(wǎng)試驗沒有成功，即發(fā)電機與電網(wǎng)連通后，增加蝶閥開度，發(fā)電機轉速增加，但是無功率輸出。后經(jīng)分析，主要原因為當天變壓器二次側存在大量感性負載，且配電房的電容補償柜因故沒有投入運行，變壓器功率因數(shù)較低，使發(fā)電機在吸收電網(wǎng)無功電流建壓時產(chǎn)生困難。第二次并網(wǎng)試驗前，試驗人員斷開了變壓器二次側的所有負載，發(fā)電機并網(wǎng)發(fā)電成功。

2）異步發(fā)電機并網(wǎng)運行步驟

（1）打開機組勵磁電容器組開關，接通勵磁電容器組。

（2）緩慢開啟蝶閥，啟動發(fā)電機組，中低速運轉3～5min，觀察機組運行情況。

（3）用點動方式加大蝶閥開度，發(fā)電機組建壓完成后，調整轉速，使頻率穩(wěn)定在50Hz。

（4）斷開電容器組的控制開關。

（5）合配電盤HD13-630刀開關，合負荷開關（并網(wǎng)接觸器）CJ20-400，此時發(fā)電機作為電動機運轉，并網(wǎng)電流約為額定電流的1.05倍左右，觀察機組運行情況。

（6）逐步加大蝶閥開度，發(fā)電機轉換為發(fā)電機運行狀態(tài)，低功率運轉10min，觀察機組運行情況及各項儀表反映的參數(shù)情況。

（7）繼續(xù)加大蝶閥開度，直至全開，發(fā)電機功率穩(wěn)步上升。

3.4 試驗機組的并網(wǎng)運行成果及效率分析

試驗機組2015年5月22日在三河閘并網(wǎng)發(fā)電成功，6月3日正式并網(wǎng)運行，至6月25日撤離，安全運行23d，累計發(fā)電量約43600kW·h，按照當前電網(wǎng)的收購價0.41kW·h/元計算，發(fā)電收入約1.7萬余元。

從并網(wǎng)運行情況看，試驗機組運行穩(wěn)定，在水頭5.2m情況下，發(fā)電機輸出有功功率為80kW。電壓410V，電流225A，機組功率因數(shù)0.5，發(fā)電機的輸出功率為其額定功率的80%。

分析認為，功率不足的主要原因如下：

1）因土建結構限制，機組的進水管道直徑小于原設計，直徑由1400mm縮小為1200mm，過流面積減少27%。導致機組的設計流量為3.19m3/s，出水口實測的機組流量僅為2.1m3/s；

2）尾水管采用玻璃鋼制作，結構強度較差，在試驗階段就已經(jīng)破損，并網(wǎng)運行時，尾水管已經(jīng)完全脫離機組，影響機組效率。

4 結語

從閘孔潛水式異步發(fā)電機并網(wǎng)發(fā)電的運行實踐來看，小功率異步發(fā)電機具有并網(wǎng)設備簡單、并網(wǎng)操作便捷、并網(wǎng)沖擊電流可控、并網(wǎng)后運行穩(wěn)定可靠等特點。因此，在控制運用不頻繁的水閘上安裝潛水式異步水輪發(fā)電機組，具有廣闊的前景。

【1】龍從玉.異步電機發(fā)電勵磁電容的計算[J].電世界，1994(3)∶86-87.

【2】問澤杭，馬曉忠，莫岳平，等，水閘閘孔潛水式水力發(fā)電站研究[J].治淮，2015(8)∶75.

Operation Practices of Sluice Gate Diving Type Asynchronous Water Turbine
Generator Sets

LI Shou-cheng1,WANG Bao1,YAN Ping1,LI Zhan2
(1.Management Division of Hongze Lake Hydraulic Engineering of Jiangsu Province,Hongze 223100,China;（2.Hongjin Irrigation District Management Office of Huai'an,Hongze 223100,China)

It's a new form of hydroelectricity to install the diving type asynchronous water turbine generator sets in the sluice gate.In operation,this set form shows the advantages of simple structure,less auxiliary equipment,convenient grid-connected operation,etc.This article describes the installation keys of the sluice gate diving type asynchronous water turbine generator sets as well as the operation practices of the generator sets in the process of stop and speed,no load operation,single load,grid and of fgrid.Besides,it also analyzes the operating results and efficiency of the test generator sets.

sluice gate;diving type;asynchronous generator;operation practice

TV742

B

1007-9467（2016）09-0050-03

2016-09-05

江蘇省水利科技項目“水閘閘孔潛水發(fā)電站研究”（2012043）

李守成（1965～），男，江蘇淮安人，技師，從事大型水閘、小型水電站的運行管理與研究。