在新型电力系统中大型水电机组调相运行可行性分析

彭 桥, 张 鹏, 周 俊 全

(1.国能粤电台山发电有限公司,广东 台山 529200;2.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司,四川 成都 610072;3.国电大渡河流域水电开发有限公司,四川 成都 610041)

1 新型电力系统中大型水电机组调相运行原因分析

在实现国家“双碳”目标的大背景下,随着近年来太阳能发电、风力发电的大力发展,水电机组的运行方式已经由传统的发电方式逐步转变为配合风光水储多能互补的新型运行方式[1]。

某水电站位于某江干流上,采用坝式开发方案,具有不完全年调节能力。电站装机容量2 240 MW,地下厂房,安装4台单机容量510 MW的混流式机组和2台单机容量200 MW的混流式泄放生态流量机组。某江上游光伏资源丰富,可配置装机约为3 600万kW,电站除发电外兼具备新型电力系统多能互补的功能。

随着光伏出力在通道中占比逐渐升高,在光伏侧和汇流站侧可能出现暂态过电压水平过高的情况,从而影响电网的稳定正常运行。如不考虑暂态过电压抑制措施,送电通道的最大送电能力会严重下降,光伏消纳能力也将大幅下降,所以必须采取相应的过电压抑制措施。目前,电网中常用过电压抑制措施主要有采用静止无功补偿器(SVC)、静态同步补偿器(SVG)、同步调相机,以及利用水电机组作调相运行。

根据《某江上游某水电站接入系统设计》审查意见:“4. 发电机组额定功率因数 0.9,电站应具备进相和调相运行能力”;结合接入系统设计单位提供的相关资料,为满足其大规模的新能源接入,降低接入系统过电压水平,某水电站应具有调相运行能力。

国内常规机组具有调相运行能力的不多,且多为容量不大的中小型机组。某水电站单机容量510 MW,额定水头177 m,转轮直径6.35 m,具有单机容量大、机组尺寸大的特点。国内外还未有类似规模的常规机组进行调相运行的业绩。因此,对大尺寸、大容量的某水电站机组进行调相运行的可行性技术分析,对保证机组安全稳定运行是非常必要的。

2 某水电站水轮机调相运行可行性分析

2.1 水轮机调相工作原理

混流式水轮发电机组作为调相运行时,主要有“带水调相”和“压水调相”两种方式,其中“压水调相”因其具有调相运行时有功损耗小的优点而被广泛应用。这种调相方式配备专用的空气压缩机和储气设备,用压缩空气强制地压低尾水管中的水位,使转轮完全脱离尾水并在空气中旋转,以减少调相运行方式下的有功损耗[1]。

相比常规水轮机,调相运行机组水轮机增加了“调相启动”“发电-调相”“调相-发电”“调相-停机”等工况,这些工况需要经过“充气压水”“回水排气”的关键过程。

“调相启动”及“发电-调相”工况均需要“充气压水”,充气压水原理见图1。以“发电-调相”工况为例,机组需降低有功功率并关闭活动导叶,向上、下止漏环通入冷却水,打开锥管压气管液压阀向流道内通入压缩空气使转轮室中水位下降,同时打开底环平压管用于止漏环冷却水的排出,在锥管内水位。

图1 充气压水原理图

下降到制定位置时充气压水完成,可以投入无功调节,进入调相运行[2]。

“调相-发电”及“调相-停机”工况均需要“回水排气”。以“调相-发电”工况为例,关闭锥管压气管液压阀和底环平压管液压阀,打开锥管排气阀和顶盖排气阀,锥管内的水位逐渐上升,当上升至转轮处到达一级溅水功率时关闭锥管排气阀,当流道内充满水达到二级溅水功率时关闭顶盖排气阀,关闭止漏环冷却水,回水排气完成,可将导叶开启至设定功率进入发电工况。

2.2 调相用气量初步分析及计算

机组使用的调相用气量要按规范要求进行计算。通常应满足2次压气的要求[3]。

从表1(部分电站调相压水系统主要参数表)可以看出,该水电站整体空气系统规模大于文登等抽蓄电站,与尼日利亚(设计中) Zungeru 水电站、越南宣光电站相当,这与某水电站水轮机尺寸大、压水体积明显大于其他抽蓄机组有关。总的来说,某水电站调相压水用气量虽大于抽蓄电站,但仍位于现有装备技术水平内。漏气量是影响调相压水成功率的另一个重要因素,若压水过程中漏气量过大,可能造成压水失败或是设备投资过大。某水电站水轮机尺寸大,主机厂提供的漏气量略小于Zungeru 水电站,大于抽蓄电站平均水平。但某水电站水轮机设置有筒形阀,若考虑在调相压水期间关闭筒形阀,再通过水轮机其他结构设计优化,可以有效降低漏气量,降低空压机系统投资。根据计算,选用3只容积为16.0 m3且额定工作压力为8.0 MPa的中压储气罐,储气罐总容积为48.0 m3。实现调相压水功能从用气量方面来说不存在制约因素。

表1 部分电站调相压水系统主要参数表

2.3 调相工况对水轮机稳定性和部件刚强度的影响

某水电站水轮发电机组作调相运行时,转轮在空气中旋转,没有水流扰动的影响,机组振动与摆度将远低于正常发电工况。转轮室腔内气体的压力与尾水压力平衡,电站尾水最高压力为0.35 MPa,即便考虑运行时可能的压力波动,调相运行时转轮腔体内的气压力不会超过0.45 MPa,远远小于机组正常运行时的压力。

因此,机组调相运行时水轮机稳定性和刚强度安全裕度优于机组正常发电工况。

2.4 调相工况对水轮机结构设计的影响

为使某水电站机组适配调相运行工况,水轮机结构设计还需要进行针对性调整。

(1)为减少漏气量,水轮机导水机构需要增加导叶端面密封。

(2)水轮机顶盖需增加排气管路,接至电站渗漏集水井。

(3)顶盖需增加上止漏环冷却水供水管路。该管路与电站技术供水管路系统连接,并配置自动控制阀门。

(4)座环需增加下止漏环冷却水供水管路。该管路与电站技术供水管路系统连接,并配置自动控制阀门。

(5)锥管进口位置需设置进气管,该管路储气罐供气干管连接,并配置自动控制阀门。

(6)尾水锥管外侧适当位置需设置带有报警节点的液位监测装置。

因调相工况而增加的上述结构设计变化不会导致原水轮机设计发生较大方案调整,对于供货工期影响较小。

3 某水电站发电机调相运行可行性分析

3.1 仿真分析计算成果

计算模型需按照常规水轮发电机及励磁系统AVR进行建模,通常不考虑加装PSS装置。仿真计算工况包括调相运行工况(发电机不发出有功功率)和正常发电工况。发电机调相运行仿真模型见图2。

图2 发电机调相运行仿真模型

参考标准:IEEE 421.5,GB/T 755,GB/T 7984等。电机端电压运行范围:18 kV±7.5%。经过初步仿真分析计算,某水电站510 MW发电机具备能力如下:

(1)调相工况下,电机的调相容量范围为-448 ～368 MVar,励磁电流未超过额定励磁电流,强励电压为2.5倍额定励磁电压。

(2)发电机在额定功率(510 MW)条件下,其无功调节范围为-247～247 MVar。

经仿真分析,某水电站510 MW发电机具备一定调相能力,其调相容量为368 Mvar(滞相)。

3.2 调相工况对发电机主要参数的影响

发电机调相运行,电机结构尺寸不变,直轴电抗参数有所下降,有利于提高暂态响应速度,定子绕组温升大幅降低,有利于提高调相工况定子绕组的过载能力,其余参数与发电工况相当。

3.3 调相工况对发电机结构设计影响

510 MW发电机调相运行,电机结构参数不变。

(1)调相运行工况与发电工况比,其空载特性相同,电机磁拉力、偏心磁拉力、转动部分离心力不变。

(2)由于没有有功功率输出,调相运行工况电磁扭矩比发电工况大幅降低。

(3)由于水推力的大幅减少,调相运行工况推力负荷比发电工况大幅降低。

综上,电机调相工况受力低于发电工况,因此,510 MW发电机调相运行时结构刚强度满足要求。

3.4 调相工况对某水电站运行方式的影响

首先对四川西北部地区光伏电站的出力情况进行分析。

从图3(代表光伏电站日内出力变化曲线)可以发现,代表光伏电站各月、日内出力趋势较为一致。从日内看,一般在上午7～8点太阳能辐射量开始增加,中午12～13点太阳能辐射量达到最大,之后辐射量开始下降,夜间20点～次日上午6点辐射量基本为0,光伏高出力时段区主要位于10～16点。从月分布来看,1月的日内小时平均出力最大,7月各时刻出力最低,发电最少,总体在降水量平枯期光伏出力大,在汛期光伏出力较低[4]。

因此,从年内来说,在平枯期内,电站经常处于部分负荷状态,可以随时按系统要求进行调相运行,确保光伏大发时的消纳。在汛期,机组参与调相时段减少,水电机组在保证光伏消纳的情况下,可尽量发电,减少弃水,提升电站整体的经济效益[5]。

从日内来说,某水电站机组可能参考调相时间约在6 h左右,在汛期部分时段可能引起额外弃水,在平枯期基本不会产生弃水。

根据光伏出力特性,某水电站根据系统需要投入调相运行,基本不会改变电站的运行方式。

4 结 语

根据某水电站水轮机、发电机及附属设备调相运行可行性分析可以发现:

(1)接入新型电力系统后,从促进新能源发展、实现水光互补、服务双碳战略,提高电力系统稳定、确保电站安全运行等方面来说,大型水电机组的运行方式进行调整是必要的。

(2)根据对某水电站的水轮机、发电机调相运行可行性分析可以看出,大型水电机组经过一定的结构设计调整,即可具备调相能力。机组稳定性、安全性、可靠性不受影响,基本不会改变电站的运行方式。目前水电站机组的设计制造规范正在进行修订,将来可能会把具备调相能力作为接入新型电力系统的一个必备条件。

(3)若在初设过程中未做调相设计,厂内通常没有设置调相系统专用空压机室,后期调整现有厂房布置格局较为困难。但大型地下水电站有大量施工、交通支洞可供利用。某水电站结合现场实际情况,利用已有施工支洞及交通通道,将调相运行空压机房布置在公路与进厂交通洞交叉口附近,储气罐布置于副厂房底层强迫补气预留空压机室。因此,基本未增加土建投资。

(4)调相运行除论证水轮机、发电机可行性外,对供电和控制系统也要做相应的补充设计。同时还需要对调相用气量做详细的计算。

目前,该水电站机组调相专题研究报告已经通过了水电水利规划设计总院的评审,正式进入技施阶段,笔者将继续跟踪调相设计的详细方案的实施直至项目顺利投运。