小型水电工程中低压柴油发电机组容量计算的探讨

小型水电工程中低压柴油发电机组容量计算的探讨

张梅 解宇晖 董霄

陕西省水利电力勘测设计研究院 陕西省西安市 710000

摘要：全国建成小型水电工程约4.5 万座，总装机容量达5000 多万千瓦，在建装机1000 多万千瓦，年发电量达2000 多亿千瓦时，占水电总量的33％，累计解决了3 亿多农村无电人口的用电问题。为保证小型水电工程的安全运行，应设置事故备用电源，以保证在小型水电工程停电时，继续给溢洪道闸门启闭机供电。由于小型水电工程中溢洪道闸门启闭电机功率相对较小，且低压柴油发电机组具有热效率高、起动迅速、结构紧凑、占地面积小、维护操作简单等特点，故在小型水电工程中采用低压柴油发电机组作为事故备用电源。

关键词：小型水电工程中低压柴油发电机组容量计算

前言：目前，小型水电工程中低压柴油发电机组容量的选择多采取估算的方法，结果往往并不准确。容量选择过小，在启动电动机时导致柴油机熄火停机或发电电压过低导致电动机根本无法启动；容量选择过大，投资和维护成本高，并且柴油机由于长期大马拉小车，造成活塞环处、喷油嘴处积炭严重，气缸磨损加剧等严重后果。
一、柴油机顺利启动条件

1、常温启动要求。机组在常温下（非增压机组不低于5℃，增压机组不低于10℃）经三次启动应能成功，每次间隔时间为30s。

2、低温启动要求在低温下应有低温启动措施，有预加热装置。功率≤250kW 的机组应该在30min 内顺利启动; 功率≥250kW 的机组应该在1h 内顺利启动。柴油机顺利启动，关键在于喷入气缸的柴油能否与被压缩的空气迅速组成可燃混合气并发火燃烧。不论是混合气形成，还是发火燃烧，要求进入气缸内的空气被压缩到有较高的温度和压力。从混合气的形成来说，空气的压力越高，密度越大柴油喷射时遇到的阻力越大，柴油喷雾质量越高，与空气混合越好。同时，在空气温度高时，柴油易蒸发，而与空气迅速形成良好的可燃混合气。柴油在常压下自燃温度为335°C左右。对可燃混合气来说，随着可燃混合气压力增高，发火温度会降低。因此，使进入气缸的空气被压缩后，具有较高的温度和压力，是保证柴油机顺利启动的主要因素。为满足以上要求，必须具备以下条件：（1）要有足够的转速。转速高、气体泄漏小，压缩空气向缸内传热时间短，热量损失少，容易造成较高温度和压力。（2）气缸密封性好。可减少气体泄漏，增加压缩终了时的压力和温度。（3）喷油前提要符合要求，喷油质量要好，否则形不成可燃混合气。尤其是低温启动，进气温度低，启动转速在低温条件下明显降低，而且柴油粘度随着增加，雾化不良，由此引起柴油机起动困难。

二、小型水电工程中低压柴油发电机组容量计算

1.容量计算。目前，水利水电设计规范及手册中都没有关于低压柴油发电机组容量计算的论述，故低压柴油发电机组容量计算只能参考其他行业。因此，经过分析探讨提出适合小型水电工程特点的低压柴油发电机组容量计算方法。在《工业与民用配电设计手册》的供配电系统设计中，所选择的发电机容量应同时满足以下三个条件：①发电机的连续运行额定功率大于或等于稳定负荷计算功率；②发电机的备用运行功率大于或等于负荷的尖峰功率；③在最大单台电动机或成组电动机启动时，发电机的瞬时电压降不大于20％。按稳定负荷计算在小型水电工程中，溢洪道闸门启闭机起动负荷是稳定负荷的数倍，照明、办公等事故应急负荷也很小，因此，在小型水电工程中低压柴油发电机组容量仅需参考公式，并根据小型水电工程中应急负荷特性对公式进行完善即可。在尖峰电流时，自供电变压器的低压母线至启闭机任何一台电动机端子的电压损失不应超过额定电压的15%。即电动机启动端子电压不小于其额定电压的85%。当采用低压柴油发电机供电时也应满足该规范对电动机起动端子压降的要求。低压柴油发电机组额定电压为400V，当发电机母线允许瞬时压降△U 取0.2 时，发电机母线允许瞬时电压为320V，考虑到母线至电动机端子之间还有线路电压损失，不能满足该规范的要求，故发电机母线允许瞬时压降应根据工程实际计算。母线允许瞬时压降的计算方法在小型水电工程中，要使溢洪道闸门能起动的充分必要条件为闸门启闭电机的起动转矩应大于闸门启闭最大静阻力矩。为保证工程运行安全可靠，应留有一定安全系数，溢洪道闸门启闭最大静阻力矩由闸门设计。小型水电工程中低压柴油发电机组容量计算如下：根据溢洪道闸门启闭电机参数，根据溢洪道闸门设计人员提供的闸门最大静阻力矩，计算电机起动端子电压与额定电压的比值发电机母线允许瞬时电压降。

2.工程案例。某小型水电工程溢洪道共设8 孔闸门，闸门最大静阻力矩为900N·m，闸门启闭电机在低压柴油发电机组供电时，应急负荷主要包括：溢洪道8 孔闸门启闭电机：最大稳定运行方式为2 孔闸门启闭电机同时运行，最不利短时运行方式为闸门启闭电机稳定运行同时启动闸门启闭机，最远1 台闸门启闭机起动时线路电压损失百分数为2.0%；事故照明、办公等负荷约10kW；利用计算低压柴油发电机组的容量。本文参考《工业与民用配电设计手册》中柴油发电机组容量计算的方法，并结合小型水电工程应急负荷特点及相关规范的要求对其进行分析讨论，提出小型水电工程中柴油发电机组容量计算的方法。按本文计算出的柴油发电机组容量，在小型水电工程的运行过程中没有出现安全问题，满足工程运行要求。

三、运行中应注意的问题

只要掌握了柴油发电机组运行的条件，充分熟悉各种并联的方法，就可根据工程的具体情况，适当地选用某种并联方式。既可做到操作简便、迅速，可靠性高，又可防止并联瞬间出现的冲击电流和电压波动。电流大到甚至会有烧毁中线的情况发生。因此，在低压柴油电站机组的并联运行中必须予以充分的注意，从电机学中可知，把发电机产生的每相电势展开成傅里叶级数，三相电流的和始终等于零，这样中线里是不会有正序和负序的谐波电流出现的。当柴油发电机组处于单机运行时，谐波电流所遇到的阻抗只有零序阻抗。由于零序阻抗是很小的，因而较小的谐波电势所引起的谐波电流可以达到相当大的值。为了使运行的低压柴油发电机组的中线谐波电流减小，就必须想办法增大中线里的阻抗值。通常是在中线加入电抗器来限流。从抑制中线里高次谐波电流来看，希望加入的电抗器值越大越好。但是，由于发电机不可能总是运行在三相对称负载情况下，当发电机负载不对称时，中线里还要流过不对称负载的基波电流，该电流经过电抗器也会产生电压降，造成“零点漂移”，使三相电压不对称。因而，从减小“零点漂移”来看，又希望电抗器的值越小越好。那所以只要将三次谐波电流限制到允许范围内，其他更高次零序谐波电流也会满足要求。采用同型号机组除了在中线上加入电抗器可抑制谐波电流之外，选用相同型号的机组并联运行，可保证并联运行机组的三次谐波电势大小相等、相位一致（或接近），中线上高次谐波电流很小甚至为零。力求运行状态一致将并联运行的柴油发电机组的有功、无功功率合理分配，尽量使其功角一致，也可使中线上的谐波电流大大降低。

结合小型水电工程应急负荷特点及相关规范的要求对其进行分析讨论，提出小型水电工程中柴油发电机组容量计算的方法。在小型水电工程的运行过程中没有出现安全问题，满足工程运行要求。

参考文献：

[1]中国航空工业规划设计研究院等．《工业与民用配电设计手册》(第三版)．中国电力出版社，2019：65～66．

[2]湖南省水利水电勘测设计研究总院等．《水利水电工程启闭机设计规范》(SL41-2011)．中国水利水电出版社，2019：65～66．