第四节　机组调相压水供气

一、调相压水概述

1.机组调相运行

为了提高电力系统的功率因数和保持电压水平,有时可利用水轮发电机组做同期调相运行,这时发电机做同步电动机运行,向系统输出无功功率,以补偿输电线路和异步电动机的感性或容性电流。

水电站是否承担调相任务,取决于电力系统的要求和该电站的具体条件,需由多方面论证确定。如电站距负荷中心较近,系统又缺乏无功功率,而该电站的年利用小时数又不高,则利用机组在不发电期间作同期调相运行较为合理。随着大功率电容器的出现、机组单机容量的扩大、水电站在电力系统中越来越多地承担基荷以及机组年利用小时数的大幅提高,利用水轮发电机组作调相运行的电站有所减少。

2.机组调相运行特点

(1)比装设专门的同期调相机经济,不需额外增加一次性投资。

(2)运行切换灵活,由调相运行转为发电运行只需10～20s,最多不超过1min,作为电力系统的事故备用很灵活。

(3)为维持机组转速恒定,需要消耗电能比其他静电容器大。

3.机组调相运行方式

(1)抽水调相方式:关闭进水闸门(阀门)与尾水的闸门,用水泵抽空尾水管中的积水,使转轮在空气中旋转。该方式关闭闸门(阀门)和抽水均需较长的时间,运行操作复杂,而且转为发电运行时的充水时间也较长。

(2)水轮机与发电机解离调相方式:将水轮机转轮与发电机解离,使水轮机转轮不参与调相运行。该方式拆卸和安装工作量较大,短期内不能转为发电运行。

上述两种调相运行方式均只适用于季节性发电的电站或机组,如以灌溉为主的电站,在不发电的季节作调相运行。

(3)水轮机空载调相方式:将导叶开度调至空载开度,使水轮机空转,带动发电机作调相运行。该方式水轮机效率极低,耗水量大,极不经济,且水轮机运行工况恶劣,易造成空蚀与振动。

(4)机组调相压水方式:关闭水轮机导叶,利用压缩空气强制压低转轮室水位,使转轮在空气中旋转,与发电机一起作调相运行,从电网中吸收电能(有功功率),向系统输出无功功率。该方式操作简便,转换迅速,电量消耗少,是目前最广泛的机组调相运行方式。

如果机组调相运行时转轮淹没在水中,则消耗的有功功率比转轮在空气中运行要大得多,一般大5～10倍,甚至更多。大量水电站调相运行数据显示:满发时转轮在水中旋转所消耗的有功功率约为额定功率的15%,而转轮在空气中旋转有功功率损耗约为额定功率的4%,如某水电站机组额定出力为45MW,当转轮完全浸入水中作调相运行时的有功功耗为8MW,而当转轮完全脱水运行时的有功功耗仅为1.4～1.6MW。此外,转轮在水中作调相运行还会产生不同程度的空蚀和振动。可见调相压水可以大大减少电力系统的有功损耗,经济效益巨大。

二、给气压水的作用过程和影响因素

在机组转为调相运行的给气压水过程中,并不是只要把压缩空气充到转轮室内就总能把水压到转轮以下。根据试验观察,在给气压水初期,由于转轮在水中旋转,导致了三种回流:其一为旋转回流,旋转方向与机组相同,位置在转轮室和尾水管的直锥管段;其二为竖向回流,位置在尾水管的垂直部分;其三为水平回流,位置在尾水管的垂直部分和水平部分,如图3-23所示。

压缩空气进入转轮室后,先被水流冲裂成气泡,并由旋转回流和竖向回流将其带至尾水管底部,接着一部分气泡随竖向回流的中心水流又回升上去,另一部分气泡则随水平回流携带而逸至下游,这部分由水平回流携带出去的空气流量称为携气流量,其逸气的多少直接关系到调相给气压水的成败。如起始给气流量较大,远超过携气流量的极限值,则转轮室很快出现气水分界面,转轮搅动水流的作用立即减弱,由于继续供气,水面很快就被压下,其空气利用率很高(η≈1);如起始给气流量较小,则转轮室内将较晚出现气水分界面,导致供气时间较长,供气量较大,逸气也较多,空气利用率较小(η<1);如给气流量很小,在供气过程中,始终不超过相应时刻携气流量的极限值,则转轮室始终不能出现气水分界面,即给气全部逸失,压水不会成功,空气利用率为零(η=0)。因此,为保证压水成功,压水过程应在0.5～2min内供给足够的气量,使水迅速脱离转轮而至规定的下限水位。

影响给气压水效果的因素主要有:给气压力,给气管径,储气罐容积,转轮的型号、尺寸和转速,给气位置,下游水位,尾水管高度,导叶漏水量等。

(1)给气压力和给气管径:给气压力和给气管径直接影响起始给气流量。给气压力大时给气流量也大,压水效果好,而管径小时阻力大,可能导致给气流量不足,故供气支管直径不得小于DN80。

(2)储气罐容积:当起始给气流量足够大时,储气罐容积对压水的成败并无影响。而当起始给气流量较小时,则要求有足够容量的储气罐,以满足持续给气要求。

(3)给气位置:对于混流式机组,给气位置主要有以下几处:

1)顶盖边缘:空气从导叶与叶片之间进入转轮室,由于该处水流速度最小,故给气效果最好,但开孔较困难。

2)顶盖上:空气从转轮上冠的减压孔进入转轮室,给气效果一般,实际应用较多,一般设置多个进气孔。

3)尾水管进口管壁:该处水流速度最大,给气容易被冲散带走,给气效果最差。

(4)转速:机组转速越高,尾水管中的回流越强烈,逸气越大,压水效果越差。

(5)导叶漏水:导叶漏水具有旋转动能,会促使水平回流连续不断,因而继续逸气。另外,漏水会把一部分空气卷入水中形成气泡,气泡的多少和冲入水中的深度取决于漏水量的大小和水流速度,如果漏水量大到把气泡冲到尾水管底部,就会有一部分气泡随水平回流逸向下游,所以导叶漏水量大时压水效果差。

此外,转轮的型号和尺寸、下游水位及尾水管高度对调相压水也有影响,但对于已知电站,这些都是常数。

三、设备选择计算

1.充气容积的计算

充气容积主要包括转轮室的空间和尾水管的充气容积。其中尾水管的充气容积取决于压水深度h2,可按如下方法来确定:混流式水轮机的压水深度应在转轮下环底面以下(0.4～0.6)D1,但不小于1.2m,转轮直径小、转速高的机组取大值;转桨式水轮机的压水深度应在叶片中心线以下(0.3～0.5)D1,但不小于1m,转轮直径小、转速高的机组取大值;可逆式机组的压水深度应在转轮下(0.7～1.0)D3。

以混流式机组为例,各部分的充气容积如图3-24所示,其计算式如下:

导叶部分:

底环部分:

尾水管锥管部分:

转轮所占容积:

总充气容积:

2.转轮室充气压力

转轮中充气压力必须平衡尾水管内外的水压差,即

3.储气罐容积计算

储气罐容积必须满足首次压水过程中对总耗气量的要求,包括对转轮室的充气和压水过程中漏气的补偿。可按压缩空气的有效利用系数计算:

4.空压机生产率计算

空压机生产率应满足在一定时间内恢复储气罐压力,同时补充已作调相运行机组的漏气量。可按式(3-20)计算:

其中

其余符号意义见式(3-19)。

专供调相用的空压机一般不少于两台,每台生产率取计算值的70%,额定绝对压力为0.8MPa。

5.管道选择计算

按经验选取:干管在DN80～DN200之间选取。接入转轮室的支管在DN80～DN150之间选取,或按经验公式计算:

四、调相压水供气系统图

图3-25所示为一个典型的调相压水供气系统,由两台空压机(1KY和2KY)、两个储气罐(1QG和2QG)、管道系统和控制测量元件组成。调相压水后,两台空压机同时工作向储气罐补气,当储气罐压力恢复后即转为一台工作、一台备用,并定期切换。系统是自动控制的,以前常用继电器完成其自动控制功能,现在则一般采用计算机(如PLC)来实现自动控制。

压力信号器1～3YX用来控制空压机的启动、停止及压力过高或过低时发出信号。温度信号器1～2WX用于监视空压机的排气温度,当温度过高时发出信号并停机。电磁阀1～2DCF用于控制冷却水,当空压机启动时打开,停机时关闭。电磁阀3～4DCF当空压机停机时打开,使气水分离器自动排污,当空压机启动时延时关闭,实现无负荷启动。

机组转为调相运行时,装设在转轮室下方尾水管壁上的电极式水位信号器DSX就投入工作状态。这时分别装在上、下限水位处的两对电极均淹没在水中,由于水的导电性使中间继电器通电励磁,电磁配压阀DP的操作回路闭合,控制液压阀YF开启,压缩空气进入转轮室把水压下。当水位压至下限水位以后,两对电极均已脱水,电磁阀关闭,停止供气。运行中由于漏气及导叶漏水等原因,水位可能回升,一直升至上限水位时又重新供气,再次把水面压至下限水位以下。手动闸阀ZF在调相过程中一直开启,向转轮室补气,可根据转轮室漏气量的大小调整其开度,避免液压阀YF频繁操作。

工业供气管的活接头可用于风动工具或安装检修时的吹扫用气。