發(fā)電機的安全運行極限與PQ曲線

關(guān)于發(fā)電機的安全運行極限與PQ曲線摘要將發(fā)電機P—Q曲線圖通過DCS系統(tǒng)做成監(jiān)視畫面，使運行人員能及時、方便、準(zhǔn)確地了解發(fā)電機的運行狀況，及時做出調(diào)整，確保機組的穩(wěn)定運行。第2頁,共38頁，2024年2月25日，星期天摘要本文重點闡述了將發(fā)電機的P—Q曲線圖在DCS系統(tǒng)上做成監(jiān)視畫面后，使運行人員多了一種直觀、方便的監(jiān)視手段，從而達到在各種運行工況下，都能給值班人員提供即時、準(zhǔn)確的參考信息。此項工作在實際實施過程中還需要熱控人員的大力配合，共同探討，使監(jiān)視畫面發(fā)揮其最大效用。第3頁,共38頁，2024年2月25日，星期天概述隨著發(fā)電機組容量的不斷增大，對機組各運行參數(shù)的監(jiān)視要求更準(zhǔn)確、及時、全面，目前DCS系統(tǒng)具備了上述要求的基本功能，但尚需我們進一步開發(fā)、利用這一先進的監(jiān)視手段，使其發(fā)揮最大作用，服務(wù)于機組的運行監(jiān)視。第4頁,共38頁，2024年2月25日，星期天一、發(fā)電機的安全運行極限在穩(wěn)定運行的條件下，發(fā)電機的安全運行極限決定于下列四個條件：1)原動機輸出功率極限。原動機（汽輪機）的額定功率一般都稍大于或等于發(fā)電機的額定功率而選定。2)發(fā)電機的額定容量，即由定子繞組和鐵心發(fā)熱決定的安全運行極限。在一定電壓下，決定了定子電流的允許值。第5頁,共38頁，2024年2月25日，星期天一、發(fā)電機的安全運行極限3)發(fā)電機的最大勵磁電流，通常由轉(zhuǎn)子的發(fā)熱決定。4)進相運行的穩(wěn)定度。當(dāng)發(fā)電機功率因數(shù)小于零（電流超前電壓）而轉(zhuǎn)入進相運行時，Eq和U之間的夾角增大，此時發(fā)電機的有功功率輸出受靜態(tài)穩(wěn)定條件的限制，此外，對內(nèi)冷發(fā)電機還可能受端部發(fā)熱的限制。上述條件，決定了發(fā)電機參數(shù)的允許運行范圍。第6頁,共38頁，2024年2月25日，星期天二、發(fā)電機的P—Q曲線

在電力系統(tǒng)中運行的發(fā)電機，必須根據(jù)系統(tǒng)的情況，調(diào)節(jié)有功功率和無功功率，在一定的電壓和電流下，當(dāng)功率因數(shù)下降時，發(fā)電機的無功功率增大，有功功率相應(yīng)減少；而當(dāng)功率因數(shù)上升時，則要減小無功功率、增大有功功率，以達到輸出容量不超過允許值。因此運行人員必須掌握功率因數(shù)變化時發(fā)電機的允許運行范圍。第7頁,共38頁，2024年2月25日，星期天二、發(fā)電機的P—Q曲線發(fā)電機P—Q曲線圖就是表示其在各種功率因數(shù)下，允許的有功功率P和無功功率Q的關(guān)系曲線，又稱為發(fā)電機的安全運行極限。發(fā)電機的P—Q曲線，是在發(fā)電機端電壓和冷卻介質(zhì)溫度一定，不同氫壓條件下繪制的。發(fā)電機在額定電壓、額定氫壓和額定冷卻介質(zhì)溫度下的運行范圍是P—Q曲線的基礎(chǔ)。第8頁,共38頁，2024年2月25日，星期天二、發(fā)電機的P—Q曲線圖1為我公司安裝的中國四川東方電機股份有限公司300MW水氫氫冷汽輪發(fā)電機的P—Q曲線。在發(fā)電機氫壓0.25MPa、額定電壓20KV、功率因數(shù)0.85（滯后）時，其銘牌額定容量為353MVA。在正常條件下運行時，發(fā)電機的最大連續(xù)輸出容量為388MVA。如圖1所示，表明了發(fā)電機運行受定子長期允許發(fā)熱（決定了定子額定電流In）、轉(zhuǎn)子繞組長期允許發(fā)熱（決定了額定勵磁電流）、原動機功率、穩(wěn)定極限等幾方面的限制。

第9頁,共38頁，2024年2月25日，星期天圖一：第10頁,共38頁，2024年2月25日，星期天二、發(fā)電機的P—Q曲線發(fā)電機在欠勵運行時，除了要保證并列運行的穩(wěn)定性之外，還要受定子端部鐵心和定子端部構(gòu)件溫升的附加限制。發(fā)電機的安全運行極限還與發(fā)電機的端電壓有關(guān)。當(dāng)發(fā)電機端電壓比額定值大時，在圖1上CD部分將向右移。若發(fā)電機的端電壓降低，CD部分將向左移。如圖1所示，因發(fā)電機的允許出力不受原動機的限制，故P—Q曲線的上面BC部分不再是一水平的直線段，而是由定子線棒容許的溫升限制的圓弧。第11頁,共38頁，2024年2月25日，星期天三、發(fā)電機的P—Q曲線

在生產(chǎn)中的應(yīng)用

1、運行監(jiān)視方面1）電壓監(jiān)視

機組正常運行額定功率因數(shù)為0.85（遲相），發(fā)電機通過做進相試驗，具備在額定功率因數(shù)為0.85（遲相）～0.95（進相）范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)整的能力，目前我公司嚴(yán)格執(zhí)行調(diào)度局下發(fā)的季度電壓曲線，即高峰時段為223KV～230KV，平谷時段223KV～

228KV。第12頁,共38頁，2024年2月25日，星期天三、發(fā)電機的P—Q曲線

在生產(chǎn)中的應(yīng)用

但實際運行中由于夜間電網(wǎng)系統(tǒng)方式的變化，時常出現(xiàn)平谷時段電網(wǎng)電壓低于223KV，這就需要值班人員及時調(diào)整發(fā)電機的無功功率，但隨著功率因數(shù)的降低，發(fā)電機的視在功率也應(yīng)相應(yīng)地降低。因此通過圖1值班人員可以方便清晰地看到發(fā)電機此時的運行點是否在允許范圍內(nèi)，并且通過圖中幾個特殊的點可以計算出下列對應(yīng)關(guān)系：第13頁,共38頁，2024年2月25日，星期天三、發(fā)電機的P—Q曲線

在生產(chǎn)中的應(yīng)用功率因數(shù)COSφ1.00.90.850.80.70.60.50.40.30.20.1有功功率MW353317300268222180141110805326無功功率MVAR0155186201226253244252255259260第14頁,共38頁，2024年2月25日，星期天三、發(fā)電機的P—Q曲線

在生產(chǎn)中的應(yīng)用有了圖1的圖形范圍和上述計算數(shù)據(jù)做參考，值班人員可以準(zhǔn)確調(diào)整發(fā)電機無功功率，使其功率因數(shù)低于0.85運行，但此時發(fā)電機的勵磁電流不得超過額定值且應(yīng)注意有功功率與無功功率的配合，以滿足隨著隨著功率因數(shù)的降低，發(fā)電機的視在功率也應(yīng)相應(yīng)地降低的條件。第15頁,共38頁，2024年2月25日，星期天三、發(fā)電機的P—Q曲線

在生產(chǎn)中的應(yīng)用2）轉(zhuǎn)子線圈溫度的監(jiān)視

大型發(fā)電機轉(zhuǎn)子線圈的溫度及溫升的監(jiān)視，目前主要靠監(jiān)視發(fā)電機冷、熱氫的溫度來實現(xiàn)，即冷氫溫度在35～46℃，熱氫溫度≤65℃。通過圖1的顯示能夠使值班人員隨時看到并熟知圖中AB圓弧即為勵磁線圈溫升限制線，發(fā)電機在功率因數(shù)低于0.85（滯后）運行時，其運行點不應(yīng)超出此圓弧的限制線。通過圖形配合監(jiān)視發(fā)電機冷、熱氫的溫度能更好地監(jiān)視轉(zhuǎn)子線圈溫度。

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在生產(chǎn)中的應(yīng)用2、氫壓變化時的監(jiān)視

對于水氫氫冷的發(fā)電機，因為定子繞組的熱量是被定子線棒內(nèi)的冷卻水帶走，所以，提高氫壓并不能加強定子線棒的散熱能力，故發(fā)電機的允許負(fù)荷也就不能增大。當(dāng)氫壓降低時，由于氫氣的傳熱能力減弱，必須降低發(fā)電機的允許負(fù)荷。第17頁,共38頁，2024年2月25日，星期天三、發(fā)電機的P—Q曲線

在生產(chǎn)中的應(yīng)用

圖1中分別畫出了氫壓為0.1MPa、0.2MPa、0.25MPa不同氫壓下的三條限制線。如果因氫氣系統(tǒng)的原因發(fā)電機不能達到額定氫壓，而必須降低氫壓運行時，圖中能使值班人員方便地看出由于降低氫壓而發(fā)電機有功負(fù)荷必須相應(yīng)地降低時發(fā)電機的運行點。例如：氫壓為0.1MPa時（COSφ=0.85）負(fù)荷不能超過200MW；氫壓為0.2MPa時（COSφ=0.85）負(fù)荷不能超過270MW。

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在生產(chǎn)中的應(yīng)用3、發(fā)電機進相運行的監(jiān)視

汽輪發(fā)電機的進相運行就是低勵磁運行。發(fā)電機在此工作狀態(tài)下運行時，它的功率因數(shù)是超前的，即它從系統(tǒng)中吸收感性無功功率并發(fā)出有功功率。發(fā)電機通常是發(fā)出有功功率和電感性無功功率，以供給電感性負(fù)荷。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，電壓等級的提高，輸電線路的加長，線路的電容電流也愈來愈大，它也相當(dāng)于發(fā)出電感性無功功率。第19頁,共38頁，2024年2月25日，星期天三、發(fā)電機的P—Q曲線

在生產(chǎn)中的應(yīng)用在系統(tǒng)負(fù)荷較輕，即電感性負(fù)荷較輕時，線路上的電壓會上升，例如在節(jié)假日、午夜等低負(fù)荷的情況下，如果不能有效地減少和吸收過剩的無功電流（無功功率）樞紐變電所母線上的電壓可能超過額定電壓15%～20%左右。此時利用部分發(fā)電機進相運行，以吸收剩余的無功功率，使樞紐點上的電壓保持在允許的范圍內(nèi)，則可少裝其他吸收剩余無功功率的調(diào)壓設(shè)備。第20頁,共38頁，2024年2月25日，星期天三、發(fā)電機的P—Q曲線

在生產(chǎn)中的應(yīng)用發(fā)電機通常運行情況下是發(fā)出無功功率，如果減少勵磁電流，使發(fā)電機轉(zhuǎn)為欠勵磁運行，即轉(zhuǎn)為進相運行，發(fā)電機就由發(fā)出無功功率轉(zhuǎn)為吸收無功功率。勵磁電流愈小，從系統(tǒng)吸收的無功功率愈大，功角δ也愈大。所以對于進相運行，允許吸收多少無功功率，發(fā)出多少有功功率，靜穩(wěn)定極限角是限制條件之一。此外，進相運行時，定子端部漏磁和轉(zhuǎn)子端部漏磁的合成磁通增大，引起定子端部發(fā)熱增加，因此，定子端部允許發(fā)熱也是進相運行時的允許出力限制之一。第21頁,共38頁，2024年2月25日，星期天三、發(fā)電機的P—Q曲線

在生產(chǎn)中的應(yīng)用

唐山熱電公司#1、#2機進相試驗工作由華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司于2005年4月完成。通過試驗確定了發(fā)電機進相運行的能力，即進相運行的限制因素（靜穩(wěn)極限、定子電壓、廠用電壓等）；同時測定了對220KV出線電壓的調(diào)壓效果。第22頁,共38頁，2024年2月25日，星期天三、發(fā)電機的P—Q曲線

在生產(chǎn)中的應(yīng)用

考慮到220KV出線電壓較低的情況，在確定#1、#2發(fā)電機的進相運行范圍時留有適當(dāng)欲度，避免發(fā)電機定子電壓及220KV出線電壓低于限制值。根據(jù)進相運行試驗結(jié)果，確定#1、#2發(fā)電機進相運行范圍如表1所示。第23頁,共38頁，2024年2月25日，星期天三、發(fā)電機的P—Q曲線

在生產(chǎn)中的應(yīng)用表1#1、#2發(fā)電機進相運行范圍P（MW）Q（Mvar）功率因數(shù)COSφ300-50-0.986250-55-0.977200-60-0.957150-55-0.939第24頁,共38頁，2024年2月25日，星期天三、發(fā)電機的P—Q曲線

在生產(chǎn)中的應(yīng)用#1、#2發(fā)電機在上述范圍的邊界進相運行時，可吸收系統(tǒng)無功功率50~60Mvar，并使220KV出線電壓降低2.3~3.2KV。在完成#1、#2發(fā)電機進相試驗的同時，也確定了#1、#2發(fā)電機勵磁裝置中的低勵限制范圍，如表2所示。第25頁,共38頁，2024年2月25日，星期天三、發(fā)電機的P—Q曲線

在生產(chǎn)中的應(yīng)用表2#1、#2發(fā)電機P/Q限制范圍%P/SnQ（MVar）%Q/Sn0-78.8-22.3%25-78.3-22.2%50-78-22.1%75-77.7-22.0%100-53-15%第26頁,共38頁，2024年2月25日，星期天三、發(fā)電機的P—Q曲線

在生產(chǎn)中的應(yīng)用

根據(jù)表1#1、#2發(fā)電機進相運行范圍和表2#1、#2發(fā)電機P/Q限制范圍，將發(fā)電機進相運行限制線和發(fā)電機P/Q限制線分別畫在圖1發(fā)電機容量曲線圖上，形成限制線1和限制線2。通過圖1可以比較直觀地看出:發(fā)電機進相運行限制線1在發(fā)電機運行的允許范圍內(nèi),被發(fā)電機P/Q限制線2完全包容在內(nèi),且留有一定的欲度。第27頁,共38頁，2024年2月25日，星期天三、發(fā)電機的P—Q曲線

在生產(chǎn)中的應(yīng)用

另兩條限制線在高負(fù)荷即260MW—300MW及以上有一個明顯的回收趨勢，這說明在高負(fù)荷時發(fā)電機的進相允許范圍和P/Q限制（低勵限制）范圍要明顯減小。有了圖1做為參考再加上發(fā)電機功率因數(shù)、無功功率等數(shù)據(jù)的CRT顯示，值班人員可以隨時看到發(fā)電機進相運行時的運行點及與進相范圍限制線、低勵限制線的距離，做到可靠調(diào)整。第28頁,共38頁，2024年2月25日，星期天三、發(fā)電機的P—Q曲線

在生產(chǎn)中的應(yīng)用

另外值班人員還需要再嚴(yán)格執(zhí)行進相運行的有關(guān)規(guī)定。進相運行應(yīng)具備的條件：1）發(fā)電機進相運行應(yīng)在電網(wǎng)負(fù)荷低谷期間，依據(jù)調(diào)度命令或季度電壓曲線執(zhí)行。2）低谷時段220KV線路電壓高于電壓曲線規(guī)定數(shù)值。3）發(fā)電機進相運行時，負(fù)荷應(yīng)在150MW以上穩(wěn)定運行。第29頁,共38頁，2024年2月25日，星期天三、發(fā)電機的P—Q曲線

在生產(chǎn)中的應(yīng)用4）發(fā)電機勵磁裝置正常運行。5）發(fā)電機氫氣冷卻系統(tǒng)正常，冷氫溫度在35℃～46℃范圍，各氫冷卻器出口氫溫差不大于2℃。6）發(fā)電機溫度監(jiān)視畫面各溫度測點溫度顯示正常。

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在生產(chǎn)中的應(yīng)用遇有下列情況，可暫時改變進相深度或改為遲相運行，正常后重新進入進相狀態(tài)：1）6KV廠用電動機啟動。2）380V廠用電動機啟動。3）輸煤上煤設(shè)備啟動。4）機組負(fù)荷不穩(wěn)定。

第31頁,共38頁，2024年2月25日，星期天三、發(fā)電機的P—Q曲線

在生產(chǎn)中的應(yīng)用遇有下列情況，機組由進相運行轉(zhuǎn)為遲相運行：1）220KV系統(tǒng)發(fā)生故障，線路電壓降低至電壓曲線要求范圍時，無需調(diào)度命令，應(yīng)及時調(diào)整無功，力爭維持線路電壓在合格范圍內(nèi)。2）1（2）號機組故障掉閘，或大量減負(fù)荷，無需調(diào)度命令，應(yīng)及時調(diào)整2（1）號機無功，力爭維持線路電壓在合格范圍內(nèi)。第32頁,共38頁，2024年2月25日，星期天三、發(fā)電機的P—Q曲線

在生產(chǎn)中的應(yīng)用3）1、2號機進相運行時發(fā)生任一PT保險熔斷時，應(yīng)逐步增加發(fā)電機的勵磁電流，待廠用系統(tǒng)電壓高于6KV后，再按發(fā)電機規(guī)程處理。4）發(fā)電機自動勵磁裝置任一整流柜故障或勵磁裝置由“自動”切至“手動”運行

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