居龍?zhí)端姀S發(fā)電機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

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

近年來，在全球應對氣候變化背景下，能源轉型、綠色發(fā)展逐漸成為民眾共識和政府發(fā)展的戰(zhàn)略[8-10]。特別是2021年我國提出要在2030年前實現(xiàn)碳達峰、2060年實現(xiàn)碳中和的戰(zhàn)略目標以來，水電作為一種零碳能源，在雙碳目標中將扮演非常重要的角色[11-15]。但部分中小水電站由于運營時間久遠，受當時設計標準、裝備水平、施工技術等限制，迫切需要進行增效擴容改造，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，電站總裝機容量60 MW，多年平均發(fā)電量 1.97 億kWh，屬于日調節(jié)徑流式水電站，是桃江干流規(guī)劃的最末一級。在桃江流域上游已經開發(fā)了五羊、鐵石口、信豐等電站，均是徑流式水電站，流域水庫屬于日調節(jié)水庫。由于水庫群特性的原因，水庫調節(jié)能力受限，每年汛期居電棄水電量高達3 750 萬kWh，為了提高水能利用率，減少棄水電量，計劃將機組容量從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計主要遵循以下原則：1)遵循有關節(jié)能法律法規(guī)和相關政策；2)淘汰落后耗能設備，選用節(jié)能設備和產品；3)在工程設計中貫徹節(jié)能思想，優(yōu)先選擇節(jié)能的設計方案；4)加強節(jié)能管理，分析能耗指標，明確節(jié)能目標，落實節(jié)能措施。

三相交流同步發(fā)電機功率計算公式如下：

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)。提高機組定子電壓(U)或定子電流(I)的方式來進行發(fā)電機增容，則定子、機端母線設備、主變壓器等也必須進行相應的技術改造，相對來說這技改工程復雜程度高、經濟成本大。居電擬在機組現(xiàn)有的結構不作改變，定轉子、機端母線設備、主變壓器等不進行技術改造的基礎上，將額定功率因數(shù)(cosφ)由原0.90(滯后)提高至0.95(滯后)，來實現(xiàn)機組容量增容至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)，機組容量從30 MW增至32 MW后，發(fā)電機主要參數(shù)對比如表1。

表1 增容改造前后發(fā)電機主要參數(shù)

由表1可以看出，增容改造后，發(fā)電機功率因數(shù)、視在功率、發(fā)電機額定電流均有相應的提高，從而對發(fā)電機組的電抗參數(shù)及時間常數(shù)、電熱負荷、磁通密度、勵磁參數(shù)等數(shù)據(jù)也生產了影響，分別復核額定功率因數(shù)cosφ=0.9和cosφ=0.95時，復核結果如表2。

表2 增容改造前后發(fā)電機額定功率因數(shù)復核結果

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，對電抗參數(shù)產生的影響均在±2%以內，這對增容后的發(fā)電機短路電流的大小影響不大。

2.2 電熱負荷

從表3看出，額定功率因數(shù)(cosφ)從0.9提高至0.95，對電熱負荷產生的影響(除熱負荷2%外)均在1%左右，這對增容后的發(fā)電機通風冷卻系統(tǒng)不需要進行相應技術改造，也能保證機組溫升在設計值以內。

表3 增容改造后發(fā)電機短路電流

2.3 勵磁參數(shù)

根據(jù)上述電磁設計復核計算結果對比可以得出，發(fā)電機增容至32 MW、功率因數(shù)為0.95時，發(fā)電機的電磁負荷和電抗參數(shù)變化較??；定子和轉子的溫升略有提高，但都在保證值且在合適的范圍內；增容后額定勵磁電流無原則變化，所需的空冷器容量也無原則變化，因此可以判斷，發(fā)電機可以增容至32 MW并滿足長期安全穩(wěn)定運行要求。另外發(fā)電機增容后原勵磁系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)也無需進行增容改造。綜合評價，對于發(fā)電機的電磁設計，增容至32 MW、額定功率因數(shù)為0.95是完全可行的。

3 發(fā)電機組溫升

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

表4 增容改造后發(fā)電機勵磁參數(shù)

表5 增容改造后發(fā)電機組溫升

根據(jù)上述電磁設計復核計算結果對比可以得出，發(fā)電機增容至32 MW、功率因數(shù)為0.95時，發(fā)電機的電磁負荷和電抗參數(shù)變化較小；定子和轉子的溫升略有提高，但都在保證值且在合適的范圍內；增容后額定勵磁電流無顯著變化，所需的空冷器容量也無顯著變化，因此可以判斷，發(fā)電機可以增容至32 MW并滿足長期安全穩(wěn)定運行要求。另外發(fā)電機增容后原勵磁系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)也無需進行增容改造。綜合評價，對于發(fā)電機的電磁設計，增容至32 MW、額定功率因數(shù)為0.95是完全可行。

4 軸承負荷

機組容量從30 MW增至32 MW，軸向水力由此相應增加。根據(jù)軸向水推力公式計算：

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

表6 增容改造后推力軸承負荷

增容后，隨著推力負荷由305 t提高到321 t，油膜厚度有微小降低，但依然遠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%，但相對原設計給定的流量已有充分的裕度。因此，可在不改變潤滑油循環(huán)系統(tǒng)及推力軸承結構的條件，實現(xiàn)增容運行。

5 機械強度

電機組有功自30 000 kW提高到32 000 kW，將功率因數(shù)從0.90提高到0.95，對照定子機座剛度相關設計基準進行復核，結果如表7。

表7 增容改造后定子機座機械強度

由上述計算成果對比表明：發(fā)電機機座剛度有充分裕度。在機組額定工況下，齒壓板、壓指及拉緊螺桿所受應力無變化。在機組突然短路故障時，各部應力也無原則變化。由于機組增容后水輪機的飛逸轉速不變，發(fā)電機轉子最惡劣工況的應力不會變化。在發(fā)電機組飛逸轉速保持不變的條件下，各部件應力水平符合相關設計規(guī)范要求。

6 結束語

水電在我國能源體系中占有重要的地位。部分建于20世紀的中小型水電站由于設計、標準、施工等原因，亟需進行擴容改造，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)電機組額定功率因數(shù)(cosφ)由原0.90(滯后)提高至0.95(滯后)來實現(xiàn)機組容量由30 MW增至32 MW在技術上是可行的。提高額定功率因數(shù)的改造方案可以在不改變定子、機端母線設備、主變壓器的基礎上實施，并有效降低了改造成本。本文的改造方案對于同類水電發(fā)電機組的增容改造具有一定的借鑒意義。