尼尔基水利枢纽水轮发电机组的增容潜力分析

王大勇

（嫩江尼尔基水利水电有限责任公司，黑龙江齐齐哈尔161005）

尼尔基水利枢纽水轮发电机组的增容潜力分析

王大勇

（嫩江尼尔基水利水电有限责任公司，黑龙江齐齐哈尔161005）

文章详细阐述尼尔基水利水电有限责任公司发电厂机组增容发电的必要性、增容的可行性，并对机组增容经济效益进行分析，已满足其在电网中的调峰能力，增加了电网的备用容量。机组增容发电为尼尔基公司发电厂安全稳定生产提供坚实可靠保障。

机组增容；必要性；可行性；机组试验；效益分析

1 机组增容发电的必要性

1.1 水轮发电机组现状

尼尔基发电厂4台水轮发电机组是由哈尔滨电机厂制造，由中水第六工程局安装施工，首台4号机组于2006年7月16日并网发电，其余3台机组也在2006年底前相继投产发电，4台水轮发电机组经过接近7年多的发电运行考验，目前机组运行状况良好。

1.2 增加发电量的条件

尼尔基水库库容较大，具有嫩江流域水资源利用的多年调控能力，因此水库一般都保持相对的高水位运行状态，这为提高水能发电效率的提供良好契机。

1.3 增容后的效益与重要作用

当遇到丰水年时，来水量很大，例如2013年，就出现了预留库容不足而导致弃水现象，因此怎样能够使发电机组在此期间安全的增加出力（简称增容）多发电，充分利用好水力资源，力争不弃水或少弃水，将会创造更大经济效益。此外，机组增容后，也提高了其在电网中的调峰能力，增加了电网的备用容量，由此可见机组增容的是十分必要的。

2 机组增容发电的可行性

2.1 增容改造方案的选择

尼尔基发电厂总装机额定有功容量为4×62.5 MW，主变压器额定容量150 MVA，接线方式为2台机组共用1台变压器。经过分析，主变压器的容量是制约发电机组增容发电的瓶颈，曾经通过技术咨询和市场调查，如果把150 MVA主变压器进行扩容改造，最大可增扩容至180 MVA，但是需要改造费用接近设备总价的60%（更换变压器绕组），每台改造费用约400多万元，费用比较昂贵，由此看来，机组增容发电的前提条件很难满足。

但是通过研究和分析现有设备技术参数，结合设备的实际运行规律，可以从另外的角度探析机组增容发电的可行性，就能够使这个问题得以解决。

2.2 机组实际运行情况

在实际运行中，机组经常能够保持带额定有功负荷62.5 MW状态下运行，尤其是在汛期发电期间，4台机组最大日发电量超过6 000 MW。这里要重点提及一项发电机组运行参数—功率因数（cos⊄），因为功率因数是决定发电机组在额定电流状态下的有功和无功功率的分配关系，发电机的额定功率（有功）是在额定功率因数时所对应的有功输出功率，通过查看水轮发电机组的相关参数得出，机组额定功率因数cos⊄=0.875对应的发电机额定输出有功功率P=62.5 MW，发电机的额定电流为I=2 988 A，水轮机视在功率S=71.43 MVA。但是机组的实际运行状态是按照电网调度指令执行的，电网调度中心要对各发电厂的发电计划（发电量）、发电机无功曲线、机组开/停、检修批准等各项工作直接调度，以保证电网运行的安全稳定，这些工作内容和机组运行中功率分配关系最大的就是发电机无功曲线。表1是电网调度下发的2012年2季度尼尔基发电厂发电机运行曲线表为例，全年各季度基本一致。

表1 发电机运行曲线表

实际上，发电机组在运行中的功率因数经过实际记录的数据统计，基本上都是在0.97～0.98区间。

无论是电网调度下发的无功曲线还是发电机实际运行的功率因数，都高于机组的额定功率因数0.875，即使发电机有功出力达到了额定值62.50 MW，但是无功却比额定值小许多，所以发电机定子电流就远低于额定值2 988 A。

根据公式：

胆囊炎包括急慢性两种，其中，急性胆囊炎属于较为常见的一种外科急腹症[1-2]。近年来，伴随着微创技术的提出，经皮肝胆囊穿刺置管引流术得到广泛应用[3]，其结合腹腔镜胆囊切除术，能产生良好的疗效，创伤小，安全性高。本研究旨在探讨经皮肝胆囊穿刺引流术联合腹腔镜胆囊切除术在急性胆囊炎中的应用价值。现报道如下。

式中：S为视在功率，VA；P为有功功率，W；Q为无功功率，VAR。

如果在运行中保持发电机定子电流达到额定值，即I=2 988 A，当发电机功率因数在0.875～1.000区间变化，视在功率仍然是额定值，即S=71.43 MVA，发电机的有功功率和无功功率就会得到重新分配，见表2。

表2 功率因数表

通过以上计算，保持发电机的额定负载电流不变情况下，根据发电机功率因数进行有功和无功输出分配，有功功率可以在62.50～71.43 MW区间运行。功率因数和有功的关系曲线见图1。

图1 有功功率与功率因数关系

3 试验

3.1 增容后的机组各零部件强度计算与校核

机组增容后，其各主要零部件所承受的水压力、轴向水推力、扭矩及电磁力等都必然有不同程度的增加。为了满足机组增容要求，保证机组安全运行，有必要对主轴、联接螺栓、转轮体、转轮叶片、座环、顶盖、接力器、导叶、控制环及传动机构、推力轴承、负重机架、发电机定子机座进行强度计算、校核，其计算分析结果应该满足增容要求。

3.2 增容后的发电机电磁参数计算与校核

机组增容应考虑几种方案，如目前铭牌方案、机组增容65，67.5，70 MW等工况，对上述方案进行电磁计算，确定机组增容后主要电磁参数（如短路比、直流同步电抗、直流瞬变电抗等）均要满足运行要求，此时的定子线圈、转子线圈、定子铁心的温升的裕度也要满足规程要求。

4台发电机组虽然在投运时做过温升试验，但是经过大修后机组的状态是有一些变化的，尤其是大修中发电机的定子线棒槽楔进行了检修处理，而且要在和以往不同的试验条件进行温升试验，即发电机的有功、无功分配不是按照原来的额定功率因数制定，所以发电机定子电流虽然还在额定值以内，但发电机的有功电流和无功电流分配发生了变化，发电机内部电磁力和电阻热效应均发生了变化，因此需要对发电机进行以上试验，求证可靠运行依据。选择以下几种运行工况进行温升试验，见表3。

表3 功率因数表

3.4 机组甩负荷试验

由于机组的有功增加，使得水轮机导叶开度增大，水轮机过水量增大，桨叶在新的协联点运行，开度也要增大，所以对于超出额定有功发电工况要进行逐级甩负荷试验，以求证各项数据（蜗壳压力、机组抬机量、转速上升率、机组振动等）满足机组安全运行。可以选择表3运行工况进行甩负荷试验。

3.5 水轮机调速器协联试验

对于新的机组运行工况，还涉及到水轮机调速器要增加新的运行协联点，目前的设计协联曲线还没有进行超额定有功发电的水轮机协联试验，所以应该进行补充试验，以求证最佳运行协联点，保证机组安全可靠运行。

3.6 机组稳定性试验

可以结合发电机温升试验工况，进行增容后的机组稳定性试验，以求验证增容后的机组各部轴承摆度、机架、顶盖、定子机座振动是否满足稳定要求，同时要考验各部轴承、推力瓦温是否满足规程要求。

3.7 其他试验检查项目

注意观察发电机最大负载电流长期运行时发电机励磁变压器的运行情况以及发电机励磁装置、开关设备的运行情况，当2台机组同时在额定负载电流状态下运行时，要加强对主变压器及户外开关设备运行状况进行认真检查。

通过对机组增容发电的可行性分析论证可知，在机组结构部件不变和保证机组稳定性的前提下，适当提高发电机功率因数，提高发电机有功功率是完全可行的。建议应由具有资质权威研究机构或部门的有关专家做进一步论证评审，以便获得科学论证增容的可行性。

4 机组增容放电的效益分析

4.1 增强电网备用容量

增加了电网的备用水电机组容量，即使在平常的热备用状态，电网可以视为尼尔基水力发电厂为280 MW，比原来的250 MW高出12%。

4.2 增强电网的调峰能力

增强了尼尔基发电机组在电网中的调峰能力，虽然尼尔基发电厂总装机容量并不能对电网的调峰起到重要作用，但是它的意义就在于增加的是水电机组容量，对电网的瞬时、快速调峰还是能发挥一定的作用。

4.3 减少机组耗水率

增加发电效益，如果每日的发电量已确定，则提高单位时间内的发电量，相对就会减少发电运行时间，减少机组空载耗水量，从而提高水能效率。

4.4 提高电厂发电效益

尼尔基发电厂通过机组增容改造后，可以提升尼尔基公司整体运行水平，提高机组的可靠性和稳定性，从而能更好的发挥尼尔基水利枢纽作用。通过在2013年尼尔基水库发生弃水和四台机组连续满发电122 d的验证下，如果将4台水轮机组的总出力由原来的25万kW提高至28万kW，每天可增加发电72万kW·h。由此可见，所增加发电效益是非常可观的。

［1］宋新明，黄德伟.南河水电厂机组的增容改造［J］.湖北水力发电，1994（1）.

［2］胡金荣.刘家峡水电厂机组增容改造［A］.全国水电厂技术改造学习交流研讨会论文集［C］.2005.

［3］王宏.葛洲坝电站机组增容改造关键技术研究及工程项目管理［D］.重庆大学，2001.

［4］付廷勤.刘家峡水电厂水轮发电机组增容改造分析研究［D］.武汉大学，2004.

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2016-08-24