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世界最大火电厂电力如何送出?

日前,内蒙古大唐国际托克托发电有限责任公司(简称“托克托电厂”)五期2台66万千瓦机组先后并网发电,标志着世界在役*大的火电厂机组全部投入商业运营。

10台机组、612万千瓦,如何既安全又经济地实现外送?作为托克托电厂的总设计师,中国能源建设集团所属中国电力工程顾问集团华北电力设计院有限公司(简称“华北院”)以****的次同步谐振治理技术与措施,交出了上乘的答卷。

在次同步谐振治理领域极深研几二十余年,华北院在托克托电厂率先以串补加阻塞滤波器的输电方案,成功解决了世界规模*大、系统*复杂的次同步谐振问题,更在我国树立起大容量、远距离、安全经济电力输送的典范,**了我国输电技术的进步。

20年潜心钻研 攻克***难题

位于呼和浩特、包头、鄂尔多斯金三角腹地的托克托县,西距黄河12公里,与准格尔煤田隔河相望,距离北京500多公里,拥有大型煤电基地得天独厚的区位优势、资源禀赋和交通条件。

上世纪80年代,肩负着华北电网规划与设计的重任,华北院提出在托克托建设大型火电厂,并通过4回500千伏线路加串联电容补偿(串补)的方式,输送600万至700万千瓦装机容量的大胆规划,在我国能源版图上画下了“西电东送”的重要一笔。

描绘着托克托大型煤电基地美好图景的同时,如何确保电力送得出,以及受端电网的安全稳定,实现大容量、远距离、安全经济的电力输送,成为华北院科技攻关的主要方向。

1994年,该院启动“串补输电及抑制严重次同步谐振技术研发及应用”的专题研究,成为国内*早提出利用阻塞滤波器解决次同步谐振并开展研究的电力企业。

“高补偿度串补是提高交流输电能力及其经济性的有效手段,但串补会引起次同步谐振,这种电气—机械共振现象,严重时会造成发电机组大轴扭断,或者造成大轴的机械寿命损耗,而阻塞滤波器是解决这一问题*有效的方法。”该科研项目负责人、华北院副总工程师王绍德介绍说。

次同步谐振(SSR),至今仍被公认为世界性难题。从2003年至2006年,托克托电厂以每年投产两台60万千瓦机组的速度完成了一至四期工程建设。迫于次同步谐振难题,外送通道从*初的2回逐年扩建,直到4回线路全部建成。如果不及时解决,四期工程因受到外送通道的限制,电力无法送出,已经开展可研的五期工程更是成了空中楼阁。

具有机网复合共振、异步自励磁和暂态扭矩放大三种型式次同步谐振的托克托电厂,有着世界上*为严重和复杂的次同步谐振问题。随着托克托电厂一步步由蓝图变为现实,华北院依托工程建设开展的前瞻性的次同步谐振治理研究也结出硕果:

研究了几乎全部实用的次同步谐振预防抑制措施;

在国内率先提出发电机轴系优化设计是解决次同步谐振的有效手段;

率先提出准确测量辨识轴系参数和发电机参数方法是准确评估次同步谐振风险和精准设计次同步谐振治理措施的关键;

率先研发成功次同步谐振或者次同步振荡的测量检测装置“发电机轴系扭振参数测量辨识系统”;

成功研发异步自励磁准确分析方法、同步机异步运行参数测辨方法和同步机参数准确测辩方法、提出异步自励磁保护方法……

正是基于这些优越行业的研究成果和丰富实践,在外资企业承担的托克托电厂四期次同步谐振治理项目历时五年之久仍举步维艰时,华北院勇挑重担,牵头成功解决了**问题,在保证四期工程成功送电的同时,将我国次同步谐振治理技术提升到一个新的高度,使托克托电厂成为世界*大火电厂的梦想照进现实。

开创轴系优化 设计树立SSR治理典范

在次同步谐振治理领域20多年的专业研究和实践积淀,以及对输电技术发展的科学研判,让华北院始终站在行业的制高点,并以成功的工程实践树立起次同步谐振治理的标杆。凭借在四期项目中的优异表现,2015年,华北院获得托克托电厂五期机组次同步谐振治理工程总承包项目,这是该院在这一领域**中标总承包项目。新的超超临界机组,更加复杂的系统,与机组同步、一次成功投产的要求,直接关系到五期工程的电力外送和投资效益成功与否……五期机组次同步谐振治理工程的技术难度与风险****。

面对压力与挑战,华北院历时两年,经历轴系优化设计、参数测量辨识、离线建模仿真、试验平台研制等多个环节,仅方案研究、参数测试与辨识、成套设计、设备主要参数研究、运行方式研究等方面的研究报告就完成了近20卷。

2017年4月27日,五期总承包项目阻塞滤波器投产验收试验正式启动,华北院依托其研发的次同步谐振特征根计算软件,在一周内连续计算了112万种可能遇到的运行方式。结果振奋人心:托克托电厂五期机组的次同步谐振问题并不严重,阻塞滤波器抑制效果良好。

实际上,能够获得如此优异的成绩,华北院在五期工程早期开展的机组轴系优化设计发挥了至关重要的作用。早在2002年,该院在托克托电厂三期和上都电厂一期工程设计中,就提出了通过发电机轴系优化设计解决机组次同步谐振问题。但当时各机组大轴已完成订货,主机基础设计也已结束,轴系优化幅度较小,而且大部分评审专家对这种方法持否定意见。

2013年,受业主委托开展托克托电厂五期工程主设备招标文件准备的华北院,提前向国内三大主机厂索资,根据设备厂家拟投标设备参数,开展轴系扭振特性研究,根据招标情况,针对东方 电气集团的三缸发电机组提出了轴系优化设计的具体要求:“尽量压缩高中压缸间距离和中低压缸间距离,拉长低发之间的距离,调整轴系扭振的频率和振型。”并根据设备厂家优化设计后的结果再进行效果计算分析和确认。经过优化的发电机高中压缸的瓦间距离从2600毫米压缩至2000毫米,*小直径由457.2毫米增至482.6毫米,中低压缸的瓦间距离从2700毫米压缩至2000毫米,低发间低压缸侧转子延伸了200毫米,低发瓦间距离由2750毫米增加至2950毫米……

2017年5月27日,托克托电厂五期工程次同步谐振治理措施项目顺利通过中国电机工程学会组织的专家评审,标志着世界在役*大火电厂的出力可以保证全部送出。看到优异的试验数据,业内专家给出了这样的高度评价:次同步谐振治理项目能够在两年内建成并与机组同步投运,创造了新的行业纪录。华北院在国内率先依托轴系优化设计解决次同步谐振问题,填补了我国次同步谐振治理技术的空白。

兼顾经济安全要求 **输电技术进步

每年就地转化燃煤1700多万吨,并承担着满足京津唐地区用电需求的任务,年发电量约占北京地区总用电需求的30%。从一期工程投运到今天,这座世界*大的火电厂已安全稳定运行14年,其中,次同步谐振治理工程在保障电力安全经济外送中发挥的作用功不可没。

而伴随着托克托电厂次同步谐振治理技术的成功,也给我国输电技术的经济性和高效率带来了**性的突破:单回输送容量150万千瓦、输电距离498千米,单位输电投资1.7亿元/100万千瓦/100千米,双双创下了我国500千伏交流输电能力和经济性的*优纪录。

“通过轴系优化设计,配合托电五期的新式阻塞滤波器,500千伏线路的输电距离可延伸至700公里,串补度增加至50%~60%,甚至70%,送电能力提高到单回200万千瓦应该不成问题。而且,所有这些技术更适用于特高压电网,具有广阔的应用前景。”看到项目的成功投运,王绍德充满自信。

更为重要的是,通过对大容量、远距离、安全经济输电方案,以及串补及其系统问题的持续研究,依托托克托电厂的成功实践,华北院提出了大型电源基地经过适当分组或联合,使用3至4回串补线路直接输送至负荷中心的输电方案和电网规划方案。这种方案改善了电网分区平衡,提高了受端电网的电源支撑,实现了电力远距离经济可靠输送,妥善兼顾了远距离经济输电与大电网的安全稳定问题,一直被推广使用至今。

实际上,华北院次同步谐振治理技术的研究成果,一直在整个行业发挥着积极作用。10余年来,发电机轴系扭振参数测量辨识系统先后应用于上都、锦界、伊敏、府谷、盘南、绥中、宝日希勒、鄂温克、岱海等电厂的轴系扭振参数测量,为这些电厂的次同步谐振或者次同步振荡问题解决作出了重要贡献。

2007年,针对锦界电厂的实际情况,华北院创造性地提出并推荐了次同步谐振动态稳定装置治理方案和二控二双机共享控制策略,在工程实施阶段,全程参与设备研发、动模试验、现场调试、运行方式分析等各方面的工作,在整个项目中被誉为“总设计师”。该项目自2009年投运至今,运行效果良好,并于2010年获得中国电力科学技术进步奖。

2015年,华北院《串补输电及采用阻塞滤波器抑制严重次同步谐振技术研发与应用》科研项目获得中国电力科学技术进步奖。“新型阻塞滤波器”“同步发电机参数获取方法及系统”“发电机异步自励磁振荡保护装置及保护方法”“阻塞滤波器失谐故障的继电保护方法”获得国家发明砖利授权。

今天,托克托电厂,这座见证了我国电力工业高速发展、电力技术跨越升级的火电航母,将以次同步谐振治理典范,以及高效率、经济性输电的崭新坐标,继续闪耀于世界能源建设的版图。

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