发电机的安全运行极限与P―Q曲线

发电机的安全运行极限与P—Q曲线在生产中的应用河北大唐国际唐山热电有限责任公司摘要将发电机P—Q曲线图通过DCS系统做成监视画面，使运行人员能及时、方便、准确地了解发电机的运行状况，及时做出调整，确保机组的稳定运行。摘要本文重点阐述了将发电机的P—Q曲线图在DCS系统上做成监视画面后，使运行人员多了一种直观、方便的监视手段，从而达到在各种运行工况下，都能给值班人员提供即时、准确的参考信息。此项工作在实际实施过程中还需要热控人员的大力配合，共同探讨，使监视画面发挥其最大效用。概述随着发电机组容量的不断增大，对机组各运行参数的监视要求更准确、及时、全面，目前DCS系统具备了上述要求的基本功能，但尚需我们进一步开发、利用这一先进的监视手段，使其发挥最大作用，服务于机组的运行监视。一、发电机的安全运行极限在稳定运行的条件下，发电机的安全运行极限决定于下列四个条件：1)原动机输出功率极限。原动机（汽轮机）的额定功率一般都稍大于或等于发电机的额定功率而选定。2)发电机的额定容量，即由定子绕组和铁心发热决定的安全运行极限。在一定电压下，决定了定子电流的允许值。一、发电机的安全运行极限3)发电机的最大励磁电流，通常由转子的发热决定。4)进相运行的稳定度。当发电机功率因数小于零（电流超前电压）而转入进相运行时，Eq和U之间的夹角增大，此时发电机的有功功率输出受静态稳定条件的限制，此外，对内冷发电机还可能受端部发热的限制。上述条件，决定了发电机参数的允许运行范围。二、发电机的P—Q曲线在电力系统中运行的发电机，必须根据系统的情况，调节有功功率和无功功率，在一定的电压和电流下，当功率因数下降时，发电机的无功功率增大，有功功率相应减少；而当功率因数上升时，则要减小无功功率、增大有功功率，以达到输出容量不超过允许值。因此运行人员必须掌握功率因数变化时发电机的允许运行范围。二、发电机的P—Q曲线发电机P—Q曲线图就是表示其在各种功率因数下，允许的有功功率P和无功功率Q的关系曲线，又称为发电机的安全运行极限。发电机的P—Q曲线，是在发电机端电压和冷却介质温度一定，不同氢压条件下绘制的。发电机在额定电压、额定氢压和额定冷却介质温度下的运行范围是P—Q曲线的基础。二、发电机的P—Q曲线图1为我公司安装的中国四川东方电机股份有限公司300MW水氢氢冷汽轮发电机的P—Q曲线。在发电机氢压0.25MPa、额定电压20KV、功率因数0.85（滞后）时，其铭牌额定容量为353MVA。在正常条件下运行时，发电机的最大连续输出容量为388MVA。如图1所示，表明了发电机运行受定子长期允许发热（决定了定子额定电流In）、转子绕组长期允许发热（决定了额定励磁电流）、原动机功率、稳定极限等几方面的限制。图一：二、发电机的P—Q曲线发电机在欠励运行时，除了要保证并列运行的稳定性之外，还要受定子端部铁心和定子端部构件温升的附加限制。发电机的安全运行极限还与发电机的端电压有关。当发电机端电压比额定值大时，在图1上CD部分将向右移。若发电机的端电压降低，CD部分将向左移。如图1所示，因发电机的允许出力不受原动机的限制，故P—Q曲线的上面BC部分不再是一水平的直线段，而是由定子线棒容许的温升限制的圆弧。三、发电机的P—Q曲线在生产中的应用1、运行监视方面1）电压监视机组正常运行额定功率因数为0.85（迟相），发电机通过做进相试验，具备在额定功率因数为0.85（迟相）～0.95（进相）范围内连续调整的能力，目前我公司严格执行调度局下发的季度电压曲线，即高峰时段为223KV～230KV，平谷时段223KV～228KV。三、发电机的P—Q曲线在生产中的应用但实际运行中由于夜间电网系统方式的变化，时常出现平谷时段电网电压低于223KV，这就需要值班人员及时调整发电机的无功功率，但随着功率因数的降低，发电机的视在功率也应相应地降低。因此通过图1值班人员可以方便清晰地看到发电机此时的运行点是否在允许范围内，并且通过图中几个特殊的点可以计算出下列对应关系：三、发电机的P—Q曲线在生产中的应用功率因数COSφ1.00.90.850.80.70.60.50.40.30.20.1有功功率MW353317300268222180141110805326无功功率MVAR0155186201226253244252255259260三、发电机的P—Q曲线在生产中的应用有了图1的图形范围和上述计算数据做参考，值班人员可以准确调整发电机无功功率，使其功率因数低于0.85运行，但此时发电机的励磁电流不得超过额定值且应注意有功功率与无功功率的配合，以满足随着随着功率因数的降低，发电机的视在功率也应相应地降低的条件。三、发电机的P—Q曲线在生产中的应用2）转子线圈温度的监视大型发电机转子线圈的温度及温升的监视，目前主要靠监视发电机冷、热氢的温度来实现，即冷氢温度在35～46℃，热氢温度≤65℃。通过图1的显示能够使值班人员随时看到并熟知图中AB圆弧即为励磁线圈温升限制线，发电机在功率因数低于0.85（滞后）运行时，其运行点不应超出此圆弧的限制线。通过图形配合监视发电机冷、热氢的温度能更好地监视转子线圈温度。三、发电机的P—Q曲线在生产中的应用2、氢压变化时的监视对于水氢氢冷的发电机，因为定子绕组的热量是被定子线棒内的冷却水带走，所以，提高氢压并不能加强定子线棒的散热能力，故发电机的允许负荷也就不能增大。当氢压降低时，由于氢气的传热能力减弱，必须降低发电机的允许负荷。三、发电机的P—Q曲线在生产中的应用图1中分别画出了氢压为0.1MPa、0.2MPa、0.25MPa不同氢压下的三条限制线。如果因氢气系统的原因发电机不能达到额定氢压，而必须降低氢压运行时，图中能使值班人员方便地看出由于降低氢压而发电机有功负荷必须相应地降低时发电机的运行点。例如：氢压为0.1MPa时（COSφ=0.85）负荷不能超过200MW；氢压为0.2MPa时（COSφ=0.85）负荷不能超过270MW。三、发电机的P—Q曲线在生产中的应用3、发电机进相运行的监视汽轮发电机的进相运行就是低励磁运行。发电机在此工作状态下运行时，它的功率因数是超前的，即它从系统中吸收感性无功功率并发出有功功率。发电机通常是发出有功功率和电感性无功功率，以供给电感性负荷。随着电力系统的发展，电压等级的提高，输电线路的加长，线路的电容电流也愈来愈大，它也相当于发出电感性无功功率。三、发电机的P—Q曲线在生产中的应用在系统负荷较轻，即电感性负荷较轻时，线路上的电压会上升，例如在节假日、午夜等低负荷的情况下，如果不能有效地减少和吸收过剩的无功电流（无功功率）枢纽变电所母线上的电压可能超过额定电压15%～20%左右。此时利用部分发电机进相运行，以吸收剩余的无功功率，使枢纽点上的电压保持在允许的范围内，则可少装其他吸收剩余无功功率的调压设备。三、发电机的P—Q曲线在生产中的应用发电机通常运行情况下是发出无功功率，如果减少励磁电流，使发电机转为欠励磁运行，即转为进相运行，发电机就由发出无功功率转为吸收无功功率。励磁电流愈小，从系统吸收的无功功率愈大，功角δ也愈大。所以对于进相运行，允许吸收多少无功功率，发出多少有功功率，静稳定极限角是限制条件之一。此外，进相运行时，定子端部漏磁和转子端部漏磁的合成磁通增大，引起定子端部发热增加，因此，定子端部允许发热也是进相运行时的允许出力限制之一。三、发电机的P—Q曲线在生产中的应用唐山热电公司#1、#2机进相试验工作由华北电力科学研究院有限责任公司于2005年4月完成。通过试验确定了发电机进相运行的能力，即进相运行的限制因素（静稳极限、定子电压、厂用电压等）；同时测定了对220KV出线电压的调压效果。三、发电机的P—Q曲线在生产中的应用考虑到220KV出线电压较低的情况，在确定#1、#2发电机的进相运行范围时留有适当欲度，避免发电机定子电压及220KV出线电压低于限制值。根据进相运行试验结果，确定#1、#2发电机进相运行范围如表1所示。三、发电机的P—Q曲线在生产中的应用表1#1、#2发电机进相运行范围P（MW）Q（Mvar）功率因数COSφ300-50-0.986250-55-0.977200-60-0.957150-55-0.939三、发电机的P—Q曲线在生产中的应用#1、#2发电机在上述范围的边界进相运行时，可吸收系统无功功率50~60Mvar，并使220KV出线电压降低2.3~3.2KV。在完成#1、#2发电机进相试验的同时，也确定了#1、#2发电机励磁装置中的低励限制范围，如表2所示。三、发电机的P—Q曲线在生产中的应用表2#1、#2发电机P/Q限制范围%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%三、发电机的P—Q曲线在生产中的应用根据表1#1、#2发电机进相运行范围和表2#1、#2发电机P/Q限制范围，将发电机进相运行限制线和发电机P/Q限制线分别画在图1发电机容量曲线图上，形成限制线1和限制线2。通过图1可以比较直观地看出:发电机进相运行限制线1在发电机运行的允许范围内,被发电机P/Q限制线2完全包容在内,且留有一定的欲度。三、发电机的P—Q曲线在生产中的应用另两条限制线在高负荷即260MW—300MW及以上有一个明显的回收趋势，这说明在高负荷时发电机的进相允许范围和P/Q限制（低励限制）范围要明显减小。有了图1做为参考再加上发电机功率因数、无功功率等数据的CRT显示，值班人员可以随时看到发电机进相运行时的运行点及与进相范围限制线、低励限制线的距离，做到可靠调整。三、发电机的P—Q曲线在生产中的应用另外值班人员还需要再严格执行进相运行的有关规定。进相运行应具备的条件：1）发电机进相运行应在电网负荷低谷期间，依据调度命令或季度电压曲线执行。2）低谷时段220KV线路电压高于电压曲线规定数值。3）发电机进相运行时，负荷应在150MW以上稳定运行。三、发电机的P—Q曲线在生产中的应用4）发电机励磁装置正常运行。5）发电机氢气冷却系统正常，冷氢温度在35℃～46℃范围，各氢冷却器出口氢温差不大于2℃。6）发电机温度监视画面各温度测点温度显示正常。三、发电机的P—Q曲线在生产中的应用遇有下列情况，可暂时改变进相深度或改为迟相运行，正常后重新进入进相状态：1）6KV厂用电动机启动。2）380V厂用电动机启动。3）输煤上煤设备启动。4）机组负荷不稳定。三、发电机的P—Q曲线在生产中的应用遇有下列情况，机组由进相运行转为迟相运行：1）220KV系统发生故障，线路电压降低至电压曲线要求范围时，无需调度命令，应及时调整无功，力争维持线路电压在合格范围内。2）1（2）号机组故障掉闸，或大量减负荷，无需调度命令，应及时调整2（1）号机无功，力争维持线路电压在合格范围内。三、发电机的P—Q曲线在生产中的应用3）1、2号机进相运行时发生任一PT保险熔断时，应逐步增加发电机的励磁电流，待厂用系统电压高于6KV后，再按发电机规程处理。4）发电机自动励磁装置任一整流柜故障或励磁装置由“自动”切至“手动”运行三、发电机的P—Q曲线在生产中的应用进相运行时的注意事项：1）因进相运行时发电机的静态稳定性降低，注意不能使发电机失去静态稳定性。2）应密切监视发电机端部铁芯及结构件的温升情况。3）应密切监视厂用电压不低于5.7kV。三、发电机的P—Q曲线在生产中的应用4）励磁装置发低励限制信号时应停止进相操作，并及时调整发电机无功。5）在调节器低励限制退出的情况下，发电机不得进相运行。6）发电机励磁装置在手动方式时，禁止进相运行。三、发电机的P—Q曲线在生产中的应用发电机进相运行时有关参数的规定：名称无功功率功率因数6KV母线电压380V母线电压定子电压220KV出线电压数值≤50MVar≥-0.95≥5.7KV≥370V≥18KV≥220KV三、发电机的P—Q曲线在生产中的应用注：