居龍?zhí)端姀S發(fā)電機(jī)組增容改造可行性研究

唐 凱

(江西贛能智慧能源有限公司，330096，南昌)

0 引言

農(nóng)村山區(qū)的中小型水電站在提供電力的同時(shí)，部分還承擔(dān)了防洪、灌溉等功能，有效減少了森林砍伐和水土流失，是我國(guó)能源體系中的重要組成部分，歷史上曾經(jīng)發(fā)揮過積極的作用[1-3]。特別是20世紀(jì)80年代以來，農(nóng)村水電的建設(shè)大大促進(jìn)了農(nóng)村電網(wǎng)的建設(shè)，農(nóng)業(yè)農(nóng)村的電氣化水平大大提高，迅速改善了山區(qū)的面貌[4-5]。隨著農(nóng)村水電開發(fā)程度的提高，以及經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，水電生態(tài)環(huán)境影響受到更多的關(guān)注，堅(jiān)持生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展成為水電行業(yè)發(fā)展的重要標(biāo)準(zhǔn)[6-7]。

近年來，在全球應(yīng)對(duì)氣候變化背景下，能源轉(zhuǎn)型、綠色發(fā)展逐漸成為民眾共識(shí)和政府發(fā)展的戰(zhàn)略[8-10]。特別是2021年我國(guó)提出要在2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年實(shí)現(xiàn)碳中和的戰(zhàn)略目標(biāo)以來，水電作為一種零碳能源，在雙碳目標(biāo)中將扮演非常重要的角色[11-15]。但部分中小水電站由于運(yùn)營(yíng)時(shí)間久遠(yuǎn)，受當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、裝備水平、施工技術(shù)等限制，迫切需要進(jìn)行增效擴(kuò)容改造，以提高發(fā)電效能，消除安全隱患，改善生態(tài)環(huán)境狀況[16-18]。

江西贛能股份有限公司居龍?zhí)端姀S(以下簡(jiǎn)稱“居電”)位于江西省贛州市贛縣區(qū)大田鄉(xiāng)夏湖村，距縣城23 km。壩址控制流域面積7 739 km2，電站總裝機(jī)容量60 MW，多年平均發(fā)電量 1.97 億kWh，屬于日調(diào)節(jié)徑流式水電站，是桃江干流規(guī)劃的最末一級(jí)。在桃江流域上游已經(jīng)開發(fā)了五羊、鐵石口、信豐等電站，均是徑流式水電站，流域水庫(kù)屬于日調(diào)節(jié)水庫(kù)。由于水庫(kù)群特性的原因，水庫(kù)調(diào)節(jié)能力受限，每年汛期居電棄水電量高達(dá)3 750 萬kWh，為了提高水能利用率，減少棄水電量，計(jì)劃將機(jī)組容量從30 MW提高至32 MW。

1 增容改造電氣方案

水電站增容改造電氣方案設(shè)計(jì)主要遵循以下原則：1)遵循有關(guān)節(jié)能法律法規(guī)和相關(guān)政策；2)淘汰落后耗能設(shè)備，選用節(jié)能設(shè)備和產(chǎn)品；3)在工程設(shè)計(jì)中貫徹節(jié)能思想，優(yōu)先選擇節(jié)能的設(shè)計(jì)方案；4)加強(qiáng)節(jié)能管理，分析能耗指標(biāo)，明確節(jié)能目標(biāo)，落實(shí)節(jié)能措施。

三相交流同步發(fā)電機(jī)功率計(jì)算公式如下：

式中：P為功率，U為定子電壓，I為定子電流，cosφ為功率因數(shù)。

從上式可以看出，要提高發(fā)電機(jī)容量(P)，就需要提高定子電壓(U)或定子電流(I) 或功率因數(shù)(cosφ)。提高機(jī)組定子電壓(U)或定子電流(I)的方式來進(jìn)行發(fā)電機(jī)增容，則定子、機(jī)端母線設(shè)備、主變壓器等也必須進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)改造，相對(duì)來說這技改工程復(fù)雜程度高、經(jīng)濟(jì)成本大。居電擬在機(jī)組現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)不作改變，定轉(zhuǎn)子、機(jī)端母線設(shè)備、主變壓器等不進(jìn)行技術(shù)改造的基礎(chǔ)上，將額定功率因數(shù)(cosφ)由原0.90(滯后)提高至0.95(滯后)，來實(shí)現(xiàn)機(jī)組容量增容至32 MW的技改目的。

2 電磁參數(shù)

改造后，額定功率因數(shù)(cosφ)由原0.90(滯后)提高至0.95(滯后)，機(jī)組容量從30 MW增至32 MW后，發(fā)電機(jī)主要參數(shù)對(duì)比如表1。

表1 增容改造前后發(fā)電機(jī)主要參數(shù)

由表1可以看出，增容改造后，發(fā)電機(jī)功率因數(shù)、視在功率、發(fā)電機(jī)額定電流均有相應(yīng)的提高，從而對(duì)發(fā)電機(jī)組的電抗參數(shù)及時(shí)間常數(shù)、電熱負(fù)荷、磁通密度、勵(lì)磁參數(shù)等數(shù)據(jù)也生產(chǎn)了影響，分別復(fù)核額定功率因數(shù)cosφ=0.9和cosφ=0.95時(shí)，復(fù)核結(jié)果如表2。

表2 增容改造前后發(fā)電機(jī)額定功率因數(shù)復(fù)核結(jié)果

2.1 電抗參數(shù)

由表2可以看出，額定功率因數(shù)(cosφ)從0.9提高至0.95，對(duì)電抗參數(shù)產(chǎn)生的影響均在±2%以內(nèi)，這對(duì)增容后的發(fā)電機(jī)短路電流的大小影響不大。

2.2 電熱負(fù)荷

從表3看出，額定功率因數(shù)(cosφ)從0.9提高至0.95，對(duì)電熱負(fù)荷產(chǎn)生的影響(除熱負(fù)荷2%外)均在1%左右，這對(duì)增容后的發(fā)電機(jī)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)不需要進(jìn)行相應(yīng)技術(shù)改造，也能保證機(jī)組溫升在設(shè)計(jì)值以內(nèi)。

表3 增容改造后發(fā)電機(jī)短路電流

2.3 勵(lì)磁參數(shù)

根據(jù)上述電磁設(shè)計(jì)復(fù)核計(jì)算結(jié)果對(duì)比可以得出，發(fā)電機(jī)增容至32 MW、功率因數(shù)為0.95時(shí)，發(fā)電機(jī)的電磁負(fù)荷和電抗參數(shù)變化較小；定子和轉(zhuǎn)子的溫升略有提高，但都在保證值且在合適的范圍內(nèi)；增容后額定勵(lì)磁電流無原則變化，所需的空冷器容量也無原則變化，因此可以判斷，發(fā)電機(jī)可以增容至32 MW并滿足長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行要求。另外發(fā)電機(jī)增容后原勵(lì)磁系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)也無需進(jìn)行增容改造。綜合評(píng)價(jià)，對(duì)于發(fā)電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)，增容至32 MW、額定功率因數(shù)為0.95是完全可行的。

3 發(fā)電機(jī)組溫升

增容改造后，通過提高功率因數(shù)(cosφ)，將機(jī)組容量從30 MW增至32 MW，雖然額定電流、電壓與原設(shè)計(jì)沒有改變，但是電機(jī)的電磁參數(shù)、電熱負(fù)荷等變化引起機(jī)組運(yùn)行時(shí)溫度升高的變化，根據(jù)計(jì)算發(fā)電機(jī)組溫升結(jié)果如表5。

表4 增容改造后發(fā)電機(jī)勵(lì)磁參數(shù)

表5 增容改造后發(fā)電機(jī)組溫升

根據(jù)上述電磁設(shè)計(jì)復(fù)核計(jì)算結(jié)果對(duì)比可以得出，發(fā)電機(jī)增容至32 MW、功率因數(shù)為0.95時(shí)，發(fā)電機(jī)的電磁負(fù)荷和電抗參數(shù)變化較小；定子和轉(zhuǎn)子的溫升略有提高，但都在保證值且在合適的范圍內(nèi)；增容后額定勵(lì)磁電流無顯著變化，所需的空冷器容量也無顯著變化，因此可以判斷，發(fā)電機(jī)可以增容至32 MW并滿足長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行要求。另外發(fā)電機(jī)增容后原勵(lì)磁系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)也無需進(jìn)行增容改造。綜合評(píng)價(jià)，對(duì)于發(fā)電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)，增容至32 MW、額定功率因數(shù)為0.95是完全可行。

4 軸承負(fù)荷

機(jī)組容量從30 MW增至32 MW，軸向水力由此相應(yīng)增加。根據(jù)軸向水推力公式計(jì)算：

式中：FW為軸向水推力，K為軸向水推力系數(shù)，Di為轉(zhuǎn)輪名義直徑(m)，Hmax為最大水頭(m)。推力軸承進(jìn)行了核算，結(jié)果如表6。

表6 增容改造后推力軸承負(fù)荷

增容后，隨著推力負(fù)荷由305 t提高到321 t，油膜厚度有微小降低，但依然遠(yuǎn)高于允許的最小油膜厚度；油膜溫度略有提高，但仍低于允許溫度。冷卻所需油量增加2.6%，但相對(duì)原設(shè)計(jì)給定的流量已有充分的裕度。因此，可在不改變潤(rùn)滑油循環(huán)系統(tǒng)及推力軸承結(jié)構(gòu)的條件，實(shí)現(xiàn)增容運(yùn)行。

5 機(jī)械強(qiáng)度

電機(jī)組有功自30 000 kW提高到32 000 kW，將功率因數(shù)從0.90提高到0.95，對(duì)照定子機(jī)座剛度相關(guān)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)進(jìn)行復(fù)核，結(jié)果如表7。

表7 增容改造后定子機(jī)座機(jī)械強(qiáng)度

由上述計(jì)算成果對(duì)比表明：發(fā)電機(jī)機(jī)座剛度有充分裕度。在機(jī)組額定工況下，齒壓板、壓指及拉緊螺桿所受應(yīng)力無變化。在機(jī)組突然短路故障時(shí)，各部應(yīng)力也無原則變化。由于機(jī)組增容后水輪機(jī)的飛逸轉(zhuǎn)速不變，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子最惡劣工況的應(yīng)力不會(huì)變化。在發(fā)電機(jī)組飛逸轉(zhuǎn)速保持不變的條件下，各部件應(yīng)力水平符合相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

6 結(jié)束語

水電在我國(guó)能源體系中占有重要的地位。部分建于20世紀(jì)的中小型水電站由于設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)、施工等原因，亟需進(jìn)行擴(kuò)容改造，以提高發(fā)電效率，消除安全隱患，提高生態(tài)環(huán)境效益。本文通過分析和校核，將發(fā)電機(jī)組額定功率因數(shù)(cosφ)由原0.90(滯后)提高至0.95(滯后)來實(shí)現(xiàn)機(jī)組容量由30 MW增至32 MW在技術(shù)上是可行的。提高額定功率因數(shù)的改造方案可以在不改變定子、機(jī)端母線設(shè)備、主變壓器的基礎(chǔ)上實(shí)施，并有效降低了改造成本。本文的改造方案對(duì)于同類水電發(fā)電機(jī)組的增容改造具有一定的借鑒意義。