湯峪水電站利用無功補(bǔ)償設(shè)施增發(fā)有功電量的計(jì)算分析

屈萬林

(陜西省石頭河水庫(kù)灌溉中心，陜西 咸陽 712000)

1 概 述

湯峪水電站位于陜西省眉縣湯峪口，為利用石頭河西安供水渠道在樓觀塬形成的70 m落差而建成的渠道引水式電站。電站總裝機(jī)容量4 250 kW(3×1 000 kW+1×1 250kW)，設(shè)計(jì)年發(fā)電量2 525萬kW·h,近3 a來平均發(fā)電量2 750萬kW·h，年利用小時(shí)數(shù)多達(dá)6 470 h；機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，主汛期無功欠發(fā)是一種常態(tài)。因地方電力調(diào)度管理部門對(duì)上網(wǎng)電力率有考核指標(biāo)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)力率不滿足要求的問題，因此研究探索機(jī)組無功補(bǔ)償很有必要。

2 水源狀況

石頭河水庫(kù)庫(kù)容1.47億m3，年調(diào)節(jié)能力2.7億m3，多年平均來水量4.3億m3。近3 a來，石頭河水庫(kù)供水渠道經(jīng)過湯峪口向東供楊凌、咸陽、西安的供水量連年保持在1.0億m3以上，湯峪段供水渠道設(shè)計(jì)加大流量10.0 m3/s，正常過流8.5 m3/s，年均過流量總量2.6億m3，來水充沛，渠道水源供給有充分保障。

3 補(bǔ)償計(jì)算及分析

為了充分利用水資源，減少水庫(kù)棄水量，保證湯峪水電站4臺(tái)機(jī)組常年保持滿負(fù)荷運(yùn)行，研究探索合理增加補(bǔ)償設(shè)施，在機(jī)組性能允許的情況下，實(shí)現(xiàn)增發(fā)有功電量，減發(fā)無功電量，既滿足并網(wǎng)點(diǎn)上網(wǎng)力率的考核要求，又能更好地利用好渠道水資源。

3.1 無功補(bǔ)償?shù)挠?jì)算分析

水輪發(fā)電機(jī)組功率因數(shù)的設(shè)計(jì)一般為0.8，有功功率、無功功率和視在功率滿足：

S2=P2+Q2

cosφ=P/S

式中，cosφ為功率因數(shù)；P為有功功率(kW)；Q為無功功率(kvar)；S為視在功率(kVA)。

當(dāng)機(jī)組正常運(yùn)行發(fā)電，理論上滿載流量為7.6 m3/s，有功功率P=4 250 kW時(shí)，由功率關(guān)系公式計(jì)算結(jié)果如下：

S=P/cosφ=4 250 kW/0.8=5 312.5 kVA

此時(shí)cosφ=0.8，sinφ=0.6；無功功率Q=5 312.5×0.6=3 187.5 kvar，機(jī)組滿載運(yùn)行。但實(shí)際運(yùn)行過程中，由于端電壓限制，加上升壓變、線路的損耗；且無功損耗遠(yuǎn)比有功損耗大，機(jī)組負(fù)荷一旦超過3 800 kW至4 000 kW左右，就會(huì)出現(xiàn)無功欠發(fā)；機(jī)組欠發(fā)無功量約為Q1=500 kvar，每天欠發(fā)無功電量1.2萬kvar左右。

3.2 對(duì)增發(fā)有功電量情況的分析

(1)保持發(fā)電機(jī)總?cè)萘? 312.5 kVA不變，當(dāng)有功電量維持在實(shí)際常態(tài)運(yùn)行負(fù)荷，P=3 900 kW時(shí)，功率因數(shù)cosφ=3 900/5 312.5=0.734；sinφ=0.68，此時(shí)無功電量Q=5 312.5×0.68=3 612.5 kvar；假設(shè)此時(shí)投入的無功補(bǔ)償電量Qc=1 000 kvar，ΔQ=Q-Qc=3 612.5-1 000=2 612.5 kvar，發(fā)電機(jī)需要發(fā)2 612.5 kvar無功電量，即可實(shí)現(xiàn)無功總輸出的需求。此時(shí)，機(jī)組功率因數(shù)為cosφ=0.734，機(jī)組不滿5 312.5 kVA。

保證總輸出cosφ=0.8時(shí)，有功電量P=3 900 kW。因有補(bǔ)償設(shè)施的投入，無功電量Q=P×tanφ=3 900×0.75=2 925 kvar；ΔQ=Q-Qc=2 925-1 000=1 925 kvar。

則機(jī)組總功率為3 900 kW時(shí)，補(bǔ)償容量Qc=1 000 kvar，機(jī)組需發(fā)無功ΔQ=1 925 kvar，就達(dá)到總輸出cosφ=0.8。

而機(jī)組仍不滿5 312.5 kVA，可供機(jī)組無功調(diào)節(jié)的裕度為Qb=Q-ΔQ=3 612.5-1 925=1 687.5 kvar，此時(shí)如果不配置補(bǔ)償設(shè)施，機(jī)組無功調(diào)節(jié)仍能夠滿足，還有Qt=Qb-Q1=687.5-500=187.5 kvar容量可供調(diào)節(jié)。

(2)保持發(fā)電機(jī)總?cè)萘? 312.5 kVA不變，當(dāng)4臺(tái)機(jī)組各自增加有功電量至滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，P=4 250 kW，機(jī)組滿發(fā)；cosφ=4 250/5 312.5=0.80，sinφ=0.60；此時(shí)無功電量Q=5 312.5×0.60=3 187.5 kvar。

如前所述，投入的設(shè)補(bǔ)償容量不變，仍然按Qc=1 000 kvar來執(zhí)行，ΔQ=Q-Qc=3 187.5-1 000=2 187.5 kvar，發(fā)電機(jī)需要發(fā)2 187.5 kvar無功電量，即可實(shí)現(xiàn)無功總輸出的需求。機(jī)組滿載5 312.5 kVA，總有功電量4 250 kW，總輸出cosφ=0.8時(shí)，無功電量Q=P×tanφ=4 250×0.75=3 187.5 kvar；可供機(jī)組無功調(diào)節(jié)的裕度為補(bǔ)償容量Qb=Qc=1 000 kvar，實(shí)際可供調(diào)節(jié)的容量則為Qt=Qb-Q1=1 000-500=500 kvar。

(3)保持發(fā)電機(jī)總?cè)萘? 312.5 kVA不變，當(dāng)4臺(tái)機(jī)組各增發(fā)50 kW有功電量，總有功增加200 kW至P=4 450 kW，發(fā)電機(jī)超發(fā)；這時(shí)cosφ=4 450/5 312.5=0.838，sinφ=0.546；無功電量Q=5 312.5×0.546=2 900.6 kvar。

如前所述，投入的設(shè)補(bǔ)償容量不變，仍然按Qc=1 000 kvar來執(zhí)行，ΔQ=Q-Qc=2 900.6-1 000=1 900.6 kvar，發(fā)電機(jī)需要發(fā)1 900.6 kvar無功電量，即可實(shí)現(xiàn)無功總輸出的需求。機(jī)組功率因數(shù)為cosφ=0.838，機(jī)組不滿5 312.5 kVA。當(dāng)保證總輸出cosφ=0.8時(shí)，有功電量P=4 450 kW，無功電量Q=P×tanφ=4 450×0.75=3 337.5 kvar,ΔQ=Q-Qc=3 337.5-1 000=2 337.5 kvar。則機(jī)組總功率為4 450 kW時(shí)，投入補(bǔ)償設(shè)施補(bǔ)償容量Qc=1 000 kvar，機(jī)組需發(fā)無功ΔQ=2 337.5 kvar，就達(dá)到總輸出cosφ=0.8?？晒C(jī)組無功調(diào)節(jié)的裕度為Qb=Q-ΔQ=2 900.6-2 337.5=563.1 kvar，實(shí)際可供調(diào)節(jié)的容量則為Qt=Qb-Q1=563.1-500=63.1 kvar，裕度基本用完，但仍然能夠滿足實(shí)際運(yùn)行需要。

(4)保持發(fā)電機(jī)總?cè)萘? 312.5 kVA不變，當(dāng)4臺(tái)機(jī)組各增發(fā)100 kW有功電量，總有功增加400 kW至P=4 650 kW超發(fā)；此時(shí)cosφ=4 650/5 312.5=0.875，sinφ=0.485；無功電量Q=5 312.5×0.485=2 576.6 kvar。

如前所述，投入的設(shè)補(bǔ)償容量不變，仍然按Qc=1 000 kvar來執(zhí)行，ΔQ=2 576.6-1 000=1 576.6 kvar，發(fā)電機(jī)需要發(fā)1 576.6 kvar無功電量，即可實(shí)現(xiàn)無功總輸出的需求。機(jī)組功率因數(shù)為cosφ=0.875，機(jī)組不滿5 312.5 kVA。當(dāng)保證總輸出cosφ=0.8時(shí)，有功電量P=4 650 kW，無功電量Q=P×tanφ=4 650×0.75=3 487.5 kvar；ΔQ=3 487.5-1 000=2 487.5 kvar。則機(jī)組總功率為4 650 kW時(shí)，投入補(bǔ)償設(shè)施補(bǔ)償容量Qc=1 000 kvar，機(jī)組需發(fā)無功ΔQ=2 487.5 kvar，就達(dá)到總輸出cosφ=0.8?？晒C(jī)組無功調(diào)節(jié)的裕度為Qb=Q-ΔQ=2 576.6-2 487.5=89.1 kvar，理論上補(bǔ)償容量還有裕度，實(shí)際則為Qt=Qb-Q1=89.1-500=-410.9 kvar，補(bǔ)償容量已不能滿足需要。

(5)機(jī)組設(shè)計(jì)總引流量7.6 m3/s，渠道正常過流量8.5 m3/s，為設(shè)計(jì)引流量1.118倍，發(fā)電機(jī)增發(fā)10%左右是可行的。選用的償容量Qc=1 000 kvar相對(duì)較小，應(yīng)適當(dāng)加大，將補(bǔ)償容量增大至Qc=1 500 kvar時(shí)，保持發(fā)電機(jī)總?cè)萘? 312.5 kVA不變，總有功P=4 650 kW超發(fā)；此時(shí)cosφ=4 650/5 312.5=0.875，sinφ=0.485；無功電量Q=5 312.5×0.485=2 576.6 kvar。

如前所述，投入的設(shè)補(bǔ)償容量不變，仍然按Qc=1 500 kvar來執(zhí)行，ΔQ=Q-Qc=2 576.6-1 500=1 076.6 kvar，發(fā)電機(jī)需要發(fā)1 076.6 kvar無功電量，即可實(shí)現(xiàn)無功總輸出的需求。機(jī)組功率因數(shù)為cosφ=0.875，機(jī)組不滿5 312.5 kVA。當(dāng)保證總輸出cosφ=0.8時(shí)，有功電量P=4 650 kW，無功電量Q=P×tanφ=4 650×0.75=3 487.5 kvar,ΔQ=Q-Qc=3 487.5-1 500=1 987.5 kvar。則機(jī)組總功率為4 650 kW時(shí)，投入補(bǔ)償設(shè)施補(bǔ)償容量Qc=1 500 kvar，機(jī)組需發(fā)無功ΔQ=1 987.5 kvar，就達(dá)到總輸出cosφ=0.8。可供機(jī)組無功調(diào)節(jié)的裕度為Qb=Q-ΔQ=2 576.6-1 987.5=589.1 kvar，補(bǔ)償容量還有裕度，實(shí)際可供調(diào)節(jié)容量為Qt=Qb-Q1=589.1-500=89.1 kvar，補(bǔ)償容量能滿足需要。

3.3 計(jì)算結(jié)論分析

湯峪水電站可通過配置無功補(bǔ)償容量Qc=1 500 kvar的無功補(bǔ)償設(shè)施比較合理，太小解決不了主汛期大流量過水情況下渠道水源的利用問題；太大對(duì)正常設(shè)計(jì)工況下的運(yùn)行起不到應(yīng)有的作用，還會(huì)加大投資，造成浪費(fèi)。通過配置無功補(bǔ)償設(shè)施，能夠解決機(jī)組負(fù)荷超過3 900 kW即出現(xiàn)的無功欠發(fā)，上網(wǎng)力率不合格問題，保證電站總輸出cosφ=0.8。同時(shí)，機(jī)組可增發(fā)至4 650 kW，增加400 kW有功電量，解決為滿足力率而棄水問題；充分利用渠道水源，實(shí)現(xiàn)滿發(fā)多發(fā)。

4 投資經(jīng)濟(jì)分析

(1)無功補(bǔ)償設(shè)備可選用分段式高壓電容補(bǔ)償柜，并聯(lián)于機(jī)組6.3 kV出線母線上，在機(jī)組運(yùn)行在3 900～4 650 kW時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況來自投，市場(chǎng)上有成套的補(bǔ)償設(shè)備，費(fèi)用在15萬左右。

(2)按每年主汛期6—9月份渠道9.0～10.0 m3/s 過流超發(fā)至4 650 kW，按100 d運(yùn)行2 400 h計(jì)算，主汛期超發(fā)電量總量為：400 kW×2 400 h=96萬kW·h/a，按上網(wǎng)電量0.325元/kW·h計(jì)算，全年可增收31.2萬元以上，實(shí)現(xiàn)一個(gè)汛期就收回投資成本。

5 結(jié) 語

對(duì)于無調(diào)節(jié)能力的渠道引流式電站，通過合理配置無功補(bǔ)償設(shè)施，能夠有效利用主汛期實(shí)現(xiàn)有功電量多發(fā)，在解決水電站無功電量欠發(fā)的同時(shí)，提高電站的收入。