發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行極限與P-Q曲線(xiàn)

發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行極限與P—Q曲線(xiàn)在生產(chǎn)中的應(yīng)用河北大唐國(guó)際2021/6/271摘要將發(fā)電機(jī)P—Q曲線(xiàn)圖通過(guò)DCS系統(tǒng)做成監(jiān)視畫(huà)面，使運(yùn)行人員能及時(shí)、方便、準(zhǔn)確地了解發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀況，及時(shí)做出調(diào)整，確保機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。2021/6/272摘要本文重點(diǎn)闡述了將發(fā)電機(jī)的P—Q曲線(xiàn)圖在DCS系統(tǒng)上做成監(jiān)視畫(huà)面后，使運(yùn)行人員多了一種直觀(guān)、方便的監(jiān)視手段，從而達(dá)到在各種運(yùn)行工況下，都能給值班人員提供即時(shí)、準(zhǔn)確的參考信息。此項(xiàng)工作在實(shí)際實(shí)施過(guò)程中還需要熱控人員的大力配合，共同探討，使監(jiān)視畫(huà)面發(fā)揮其最大效用。2021/6/273概述隨著發(fā)電機(jī)組容量的不斷增大，對(duì)機(jī)組各運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)視要求更準(zhǔn)確、及時(shí)、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(jìn)一步開(kāi)發(fā)、利用這一先進(jìn)的監(jiān)視手段，使其發(fā)揮最大作用，服務(wù)于機(jī)組的運(yùn)行監(jiān)視。2021/6/274一、發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行極限在穩(wěn)定運(yùn)行的條件下，發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行極限決定于下列四個(gè)條件：1)原動(dòng)機(jī)輸出功率極限。原動(dòng)機(jī)（汽輪機(jī)）的額定功率一般都稍大于或等于發(fā)電機(jī)的額定功率而選定。2)發(fā)電機(jī)的額定容量，即由定子繞組和鐵心發(fā)熱決定的安全運(yùn)行極限。在一定電壓下，決定了定子電流的允許值。2021/6/275一、發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行極限3)發(fā)電機(jī)的最大勵(lì)磁電流，通常由轉(zhuǎn)子的發(fā)熱決定。4)進(jìn)相運(yùn)行的穩(wěn)定度。當(dāng)發(fā)電機(jī)功率因數(shù)小于零（電流超前電壓）而轉(zhuǎn)入進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，Eq和U之間的夾角增大，此時(shí)發(fā)電機(jī)的有功功率輸出受靜態(tài)穩(wěn)定條件的限制，此外，對(duì)內(nèi)冷發(fā)電機(jī)還可能受端部發(fā)熱的限制。上述條件，決定了發(fā)電機(jī)參數(shù)的允許運(yùn)行范圍。2021/6/276二、發(fā)電機(jī)的P—Q曲線(xiàn)

在電力系統(tǒng)中運(yùn)行的發(fā)電機(jī)，必須根據(jù)系統(tǒng)的情況，調(diào)節(jié)有功功率和無(wú)功功率，在一定的電壓和電流下，當(dāng)功率因數(shù)下降時(shí)，發(fā)電機(jī)的無(wú)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(shí)，則要減小無(wú)功功率、增大有功功率，以達(dá)到輸出容量不超過(guò)允許值。因此運(yùn)行人員必須掌握功率因數(shù)變化時(shí)發(fā)電機(jī)的允許運(yùn)行范圍。2021/6/277二、發(fā)電機(jī)的P—Q曲線(xiàn)發(fā)電機(jī)P—Q曲線(xiàn)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(wú)功功率Q的關(guān)系曲線(xiàn)，又稱(chēng)為發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行極限。發(fā)電機(jī)的P—Q曲線(xiàn)，是在發(fā)電機(jī)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(jī)在額定電壓、額定氫壓和額定冷卻介質(zhì)溫度下的運(yùn)行范圍是P—Q曲線(xiàn)的基礎(chǔ)。2021/6/278二、發(fā)電機(jī)的P—Q曲線(xiàn)圖1為我公司安裝的中國(guó)四川東方電機(jī)股份有限公司300MW水氫氫冷汽輪發(fā)電機(jī)的P—Q曲線(xiàn)。在發(fā)電機(jī)氫壓0.25MPa、額定電壓20KV、功率因數(shù)0.85（滯后）時(shí)，其銘牌額定容量為353MVA。在正常條件下運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)的最大連續(xù)輸出容量為388MVA。如圖1所示，表明了發(fā)電機(jī)運(yùn)行受定子長(zhǎng)期允許發(fā)熱（決定了定子額定電流In）、轉(zhuǎn)子繞組長(zhǎng)期允許發(fā)熱（決定了額定勵(lì)磁電流）、原動(dòng)機(jī)功率、穩(wěn)定極限等幾方面的限制。

2021/6/279圖一：2021/6/2710二、發(fā)電機(jī)的P—Q曲線(xiàn)發(fā)電機(jī)在欠勵(lì)運(yùn)行時(shí)，除了要保證并列運(yùn)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(jī)的安全運(yùn)行極限還與發(fā)電機(jī)的端電壓有關(guān)。當(dāng)發(fā)電機(jī)端電壓比額定值大時(shí)，在圖1上CD部分將向右移。若發(fā)電機(jī)的端電壓降低，CD部分將向左移。如圖1所示，因發(fā)電機(jī)的允許出力不受原動(dòng)機(jī)的限制，故P—Q曲線(xiàn)的上面BC部分不再是一水平的直線(xiàn)段，而是由定子線(xiàn)棒容許的溫升限制的圓弧。2021/6/2711三、發(fā)電機(jī)的P—Q曲線(xiàn)

在生產(chǎn)中的應(yīng)用

1、運(yùn)行監(jiān)視方面1）電壓監(jiān)視

機(jī)組正常運(yùn)行額定功率因數(shù)為0.85（遲相），發(fā)電機(jī)通過(guò)做進(jìn)相試驗(yàn)，具備在額定功率因數(shù)為0.85（遲相）～0.95（進(jìn)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(xiàn)，即高峰時(shí)段為223KV～230KV，平谷時(shí)段223KV～

228KV。2021/6/2712三、發(fā)電機(jī)的P—Q曲線(xiàn)

在生產(chǎn)中的應(yīng)用

但實(shí)際運(yùn)行中由于夜間電網(wǎng)系統(tǒng)方式的變化，時(shí)常出現(xiàn)平谷時(shí)段電網(wǎng)電壓低于223KV，這就需要值班人員及時(shí)調(diào)整發(fā)電機(jī)的無(wú)功功率，但隨著功率因數(shù)的降低，發(fā)電機(jī)的視在功率也應(yīng)相應(yīng)地降低。因此通過(guò)圖1值班人員可以方便清晰地看到發(fā)電機(jī)此時(shí)的運(yùn)行點(diǎn)是否在允許范圍內(nèi)，并且通過(guò)圖中幾個(gè)特殊的點(diǎn)可以計(jì)算出下列對(duì)應(yīng)關(guān)系：2021/6/2713三、發(fā)電機(jī)的P—Q曲線(xiàn)

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(wú)功功率MVAR01551862012262532442522552592602021/6/2714三、發(fā)電機(jī)的P—Q曲線(xiàn)

在生產(chǎn)中的應(yīng)用有了圖1的圖形范圍和上述計(jì)算數(shù)據(jù)做參考，值班人員可以準(zhǔn)確調(diào)整發(fā)電機(jī)無(wú)功功率，使其功率因數(shù)低于0.85運(yùn)行，但此時(shí)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流不得超過(guò)額定值且應(yīng)注意有功功率與無(wú)功功率的配合，以滿(mǎn)足隨著隨著功率因數(shù)的降低，發(fā)電機(jī)的視在功率也應(yīng)相應(yīng)地降低的條件。2021/6/2715三、發(fā)電機(jī)的P—Q曲線(xiàn)

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

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

2021/6/2716三、發(fā)電機(jī)的P—Q曲線(xiàn)

在生產(chǎn)中的應(yīng)用2、氫壓變化時(shí)的監(jiān)視

對(duì)于水氫氫冷的發(fā)電機(jī)，因?yàn)槎ㄗ永@組的熱量是被定子線(xiàn)棒內(nèi)的冷卻水帶走，所以，提高氫壓并不能加強(qiáng)定子線(xiàn)棒的散熱能力，故發(fā)電機(jī)的允許負(fù)荷也就不能增大。當(dāng)氫壓降低時(shí)，由于氫氣的傳熱能力減弱，必須降低發(fā)電機(jī)的允許負(fù)荷。2021/6/2717三、發(fā)電機(jī)的P—Q曲線(xiàn)

在生產(chǎn)中的應(yīng)用

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

2021/6/2718三、發(fā)電機(jī)的P—Q曲線(xiàn)

在生產(chǎn)中的應(yīng)用3、發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行的監(jiān)視

汽輪發(fā)電機(jī)的進(jìn)相運(yùn)行就是低勵(lì)磁運(yùn)行。發(fā)電機(jī)在此工作狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，它的功率因數(shù)是超前的，即它從系統(tǒng)中吸收感性無(wú)功功率并發(fā)出有功功率。發(fā)電機(jī)通常是發(fā)出有功功率和電感性無(wú)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(jí)的提高，輸電線(xiàn)路的加長(zhǎng)，線(xiàn)路的電容電流也愈來(lái)愈大，它也相當(dāng)于發(fā)出電感性無(wú)功功率。2021/6/2719三、發(fā)電機(jī)的P—Q曲線(xiàn)

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(shí)，線(xiàn)路上的電壓會(huì)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(guò)剩的無(wú)功電流（無(wú)功功率）樞紐變電所母線(xiàn)上的電壓可能超過(guò)額定電壓15%～20%左右。此時(shí)利用部分發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行，以吸收剩余的無(wú)功功率，使樞紐點(diǎn)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(wú)功功率的調(diào)壓設(shè)備。2021/6/2720三、發(fā)電機(jī)的P—Q曲線(xiàn)

在生產(chǎn)中的應(yīng)用發(fā)電機(jī)通常運(yùn)行情況下是發(fā)出無(wú)功功率，如果減少勵(lì)磁電流，使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)為欠勵(lì)磁運(yùn)行，即轉(zhuǎn)為進(jìn)相運(yùn)行，發(fā)電機(jī)就由發(fā)出無(wú)功功率轉(zhuǎn)為吸收無(wú)功功率。勵(lì)磁電流愈小，從系統(tǒng)吸收的無(wú)功功率愈大，功角δ也愈大。所以對(duì)于進(jìn)相運(yùn)行，允許吸收多少無(wú)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(jìn)相運(yùn)行時(shí)，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(jìn)相運(yùn)行時(shí)的允許出力限制之一。2021/6/2721三、發(fā)電機(jī)的P—Q曲線(xiàn)

在生產(chǎn)中的應(yīng)用

唐山熱電公司#1、#2機(jī)進(jìn)相試驗(yàn)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(guò)試驗(yàn)確定了發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行的能力，即進(jìn)相運(yùn)行的限制因素（靜穩(wěn)極限、定子電壓、廠(chǎng)用電壓等）；同時(shí)測(cè)定了對(duì)220KV出線(xiàn)電壓的調(diào)壓效果。2021/6/2722三、發(fā)電機(jī)的P—Q曲線(xiàn)

在生產(chǎn)中的應(yīng)用

考慮到220KV出線(xiàn)電壓較低的情況，在確定#1、#2發(fā)電機(jī)的進(jìn)相運(yùn)行范圍時(shí)留有適當(dāng)欲度，避免發(fā)電機(jī)定子電壓及220KV出線(xiàn)電壓低于限制值。根據(jù)進(jìn)相運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果，確定#1、#2發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行范圍如表1所示。2021/6/2723三、發(fā)電機(jī)的P—Q曲線(xiàn)

在生產(chǎn)中的應(yīng)用表1#1、#2發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行范圍P（MW）Q（Mvar）功率因數(shù)COSφ300-50-0.986250-55-0.977200-60-0.957150-55-0.9392021/6/2724三、發(fā)電機(jī)的P—Q曲線(xiàn)

在生產(chǎn)中的應(yīng)用#1、#2發(fā)電機(jī)在上述范圍的邊界進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，可吸收系統(tǒng)無(wú)功功率50~60Mvar，并使220KV出線(xiàn)電壓降低2.3~3.2KV。在完成#1、#2發(fā)電機(jī)進(jìn)相試驗(yàn)的同時(shí)，也確定了#1、#2發(fā)電機(jī)勵(lì)磁裝置中的低勵(lì)限制范圍，如表2所示。2021/6/2725三、發(fā)電機(jī)的P—Q曲線(xiàn)

在生產(chǎn)中的應(yīng)用表2#1、#2發(fā)電機(jī)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%2021/6/2726三、發(fā)電機(jī)的P—Q曲線(xiàn)

在生產(chǎn)中的應(yīng)用

根據(jù)表1#1、#2發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行范圍和表2#1、#2發(fā)電機(jī)P/Q限制范圍，將發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行限制線(xiàn)和發(fā)電機(jī)P/Q限制線(xiàn)分別畫(huà)在圖1發(fā)電機(jī)容量曲線(xiàn)圖上，形成限制線(xiàn)1和限制線(xiàn)2。通過(guò)圖1可以比較直觀(guān)地看出:發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行限制線(xiàn)1在發(fā)電機(jī)運(yùn)行的允許范圍內(nèi),被發(fā)電機(jī)P/Q限制線(xiàn)2完全包容在內(nèi),且留有一定的欲度。2021/6/2727三、發(fā)電機(jī)的P—Q曲線(xiàn)

在生產(chǎn)中的應(yīng)用

另兩條限制線(xiàn)在高負(fù)荷即260MW—300MW及以上有一個(gè)明顯的回收趨勢(shì)，這說(shuō)明在高負(fù)荷時(shí)發(fā)電機(jī)的進(jìn)相允許范圍和P/Q限制（低勵(lì)限制）范圍要明顯減小。有了圖1做為參考再加上發(fā)電機(jī)功率因數(shù)、無(wú)功功率等數(shù)據(jù)的CRT顯示，值班人員可以隨時(shí)看到發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行時(shí)的運(yùn)行點(diǎn)及與進(jìn)相范圍限制線(xiàn)、低勵(lì)限制線(xiàn)的距離，做到可靠調(diào)整。2021/6/2728三、發(fā)電機(jī)的P—Q曲線(xiàn)

在生產(chǎn)中的應(yīng)用

另外值班人員還需要再?lài)?yán)格執(zhí)行進(jìn)相運(yùn)行的有關(guān)規(guī)定。進(jìn)相運(yùn)行應(yīng)具備的條件：1）發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)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(xiàn)執(zhí)行。2）低谷時(shí)段220KV線(xiàn)路電壓高于電壓曲線(xiàn)規(guī)定數(shù)值。3）發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，負(fù)荷應(yīng)在150MW以上穩(wěn)定運(yùn)行。2021/6/2729三、發(fā)電機(jī)的P—Q曲線(xiàn)

在生產(chǎn)中的應(yīng)用4）發(fā)電機(jī)勵(lì)磁裝置正常運(yùn)行。5）發(fā)電機(jī)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(jī)溫度監(jiān)視畫(huà)面各溫度測(cè)點(diǎn)溫度顯示正常。

2021/6/2730三、發(fā)電機(jī)的P—Q曲線(xiàn)

在生產(chǎn)中的應(yīng)用遇有下列情況，可暫時(shí)改變進(jìn)相深度或改為遲相運(yùn)行，正常后重新進(jìn)入進(jìn)相狀態(tài)：1）6KV廠(chǎng)用電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。2）380V廠(chǎng)用電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。3）輸煤上煤設(shè)備啟動(dòng)。4）機(jī)組負(fù)荷不穩(wěn)定。

2021/6/2731三、發(fā)電機(jī)的P—Q曲線(xiàn)

在生產(chǎn)中的應(yīng)用遇有下列情況，機(jī)組由進(jìn)相運(yùn)行轉(zhuǎn)為遲相運(yùn)行：1）220KV系統(tǒng)發(fā)生故障，線(xiàn)路電壓降低至電壓曲線(xiàn)要求范圍時(shí)，無(wú)需調(diào)度命令，應(yīng)及時(shí)調(diào)整無(wú)功，力爭(zhēng)維持線(xiàn)路電壓在合格范圍內(nèi)。2）1（2）號(hào)機(jī)組故障掉閘，或大量減負(fù)荷，無(wú)需調(diào)度命令，應(yīng)及時(shí)調(diào)整2（1）號(hào)機(jī)無(wú)功，力爭(zhēng)維持線(xiàn)路電壓在合格范圍內(nèi)。2021/6/2732三、發(fā)電機(jī)的P—Q曲線(xiàn)

在生產(chǎn)中的應(yīng)用3）1、2號(hào)機(jī)進(jìn)相運(yùn)行時(shí)發(fā)生任一PT保險(xiǎn)熔斷時(shí)，應(yīng)逐步增加發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，待廠(chǎng)用系統(tǒng)電壓高于6KV后，再按發(fā)電機(jī)規(guī)程處理。4）發(fā)電機(jī)自動(dòng)勵(lì)磁裝置任一整流柜故障或勵(lì)磁裝置由“自動(dòng)”切至“手動(dòng)”運(yùn)行

2021/6/2733三、發(fā)電機(jī)的P—Q曲線(xiàn)

在生產(chǎn)中的應(yīng)用進(jìn)相運(yùn)行時(shí)的注意事項(xiàng)：

1）因進(jìn)相運(yùn)行時(shí)發(fā)電機(jī)的靜態(tài)穩(wěn)定性降低，注意不能使發(fā)電機(jī)失去靜態(tài)穩(wěn)定性。2）應(yīng)密切監(jiān)視發(fā)電機(jī)端部鐵芯及結(jié)構(gòu)件的溫升情況。3）應(yīng)密切監(jiān)視廠(chǎng)用電壓不低于5.7kV。2021/6/2734三、發(fā)電機(jī)的P—Q曲線(xiàn)

在生產(chǎn)中