火溪河梯級電站黑啟動探索及應(yīng)用

張曉洪, 徐永全, 劉 峰, 白奎明

(四川華能涪江水電有限責任公司,四川成都 610041)

1 概 述

電力系統(tǒng)黑啟動是在出現(xiàn)大面積停電甚至電網(wǎng)全停后、迅速啟用具有自啟能力的發(fā)電機組,恢復(fù)電廠廠用電和系統(tǒng)供電的一種應(yīng)急方案。

火溪河電廠一庫四級,自上而下為水牛家、自一里、木座、陰坪,四個電站總裝機容量為 400 MW,通過木座開關(guān)站匯集利用兩回 220kV線路送天明變電站并入四川主網(wǎng)(圖 1)。

圖 1 火溪河流域電站接入系統(tǒng)圖

2 涪江公司進行黑啟動試驗的探索

2.1 選擇自一里水電站機組進行黑啟動試驗

火溪河電廠地處川西偏遠山區(qū),還需經(jīng)百余公里長線路輸電接入 220kV主網(wǎng),穩(wěn)定性問題突出,一旦系統(tǒng)與電廠解列,將形成孤網(wǎng)運行,還可能出現(xiàn)梯級電廠機組全停而造成廠用電源消失。在遭遇不可抗拒的自然災(zāi)害后,火溪河電廠若能夠?qū)崿F(xiàn)機組黑啟動,對內(nèi)恢復(fù)廠用電、對外配合恢復(fù)電網(wǎng)運行將具有重大而深遠的意義。

自一里電站于 2004年 12月發(fā)電,是火溪河一庫四級中最早發(fā)電的電站,也是火溪河上下游梯級電站施工用電的重要保障,選擇自一里水電站機組進行黑啟動試驗為最佳選擇。

水電站的黑啟動是指在無廠用交流電的情況下,僅僅利用電廠儲存的兩種能量——直流系統(tǒng)蓄電池儲存的電能量和液壓系統(tǒng)儲存的液壓能量完成機組自啟動。因此,機組黑啟動應(yīng)滿足以下條件:(1)機組黑啟動的時間應(yīng)盡量短;(2)啟機前球閥壓油罐內(nèi)油壓、油量必須保證能使球閥全開和全關(guān)一次;(3)啟機前調(diào)速器壓油罐內(nèi)油壓、油量必須保證導(dǎo)葉打開后能全關(guān)回來;(4)黑啟動過程中,軸承瓦溫不能超過限制值,以避免燒瓦;(5)直流系統(tǒng)和 UPS系統(tǒng)能保證啟機過程中的各種控制操作以及數(shù)據(jù)監(jiān)視;(6)轉(zhuǎn)子剩磁能使機組零起升壓至額定電壓,否則不能直接進行黑啟動。

2006年 8月,涪江公司在自一里水電站進行了不啟動柴油發(fā)電機直接黑啟動機組的試驗:手動分步模擬了球閥和調(diào)速器油壓裝置失電情況下的開球閥和開機試驗,基本可以滿足黑啟動操作的需要;接著又進行了冷態(tài)機組在無冷卻水情況下的開機試驗,8min內(nèi)上導(dǎo)軸承最高溫度達到54℃,推力軸承最高溫度達到 40℃,下導(dǎo)軸承最高溫度達到 46℃,水導(dǎo)軸承最高溫度達到 38℃,瓦溫均未超過軸承溫度報警值 60℃,模擬黑啟動啟機總共耗費時間約 10min。因此,自一里水電站機組在冷態(tài)情況下完全具備黑啟動能力。但為了確保安全,公司隨后對自一里水電站配置了一臺 220kW的柴油發(fā)電機,以保證特殊情況下啟動柴油發(fā)電機供技術(shù)供水泵和油泵,黑啟動機組恢復(fù)廠用電。

2.2 自一里水電站進行四川電網(wǎng)首次黑啟動試驗

隨著電網(wǎng)規(guī)模和電網(wǎng)互聯(lián)規(guī)模的發(fā)展,大電網(wǎng)的惡性事故將會給現(xiàn)代經(jīng)濟社會帶來巨大的損失和影響。2003年 8月 14日,美、加大停電和2005年 5月 25日莫斯科大停電等事故使我們認識到:在積極預(yù)防、防患于未然的同時,更要未雨綢繆,制定電網(wǎng)黑啟動方案,盡可能的減少事故對社會和經(jīng)濟造成的影響,具有著重要的理論和實踐意義。

由于四川電網(wǎng)電源分布不合理,負荷中心在川西地區(qū),而電源則集中在川南地區(qū)。由于川西地區(qū)裝機較少,缺少電源支撐,穩(wěn)定問題突出,故選擇在川西地區(qū)安排黑啟動試驗。四川省電力公司根據(jù)四川電網(wǎng)的特點,選擇在自一里水電站進行電網(wǎng)的黑啟動試驗,試驗的目標是通過自一里電站機組黑啟動后,向 220kV里天線送電,然后向江油電廠高壓廠用變供電,從而啟動江油電廠31#機組(容量 330MW),恢復(fù)對電網(wǎng)供電。黑啟動路徑如圖 2所示。

為確保黑啟動試驗安全,四川省電力公司委托四川電力試驗研究院進行了仿真計算,理論上解決了以下?lián)牡膯栴}:

(1)自激磁問題。自一里電站 220kV送出線路參數(shù)為:額定電壓 220kV,電阻 0.073Ω/km,電抗 0.421Ω/km,電納 2.832 μs/km,線路長度 148km。對線路進行全電壓充電時,線路充電功率約為 21Mvar。自一里電站機組參數(shù)為:額定功率 65MW,充電容量為 34.2Mvar。

對于空載短距離輸電線路,按照簡化公式計算線路末端電壓升高的百分值為:

圖 2 電網(wǎng)黑啟動路徑圖

按照簡易公式計算線路空載充電無功功率為:

根據(jù)理論計算結(jié)果并與機組特性相比較,發(fā)電機的充電容量遠大于線路空載無功功率,在線路末端不會產(chǎn)生過電壓,發(fā)電機不會產(chǎn)生自激磁。

(2)鐵磁諧振問題。對不同合閘角度下向江油 1#啟動變沖擊合閘的 RTDS進行了仿真計算,自一里水電站單機對江油 50MVA的 1#啟動變充電過程中不會發(fā)生鐵磁諧振現(xiàn)象。

(3)孤網(wǎng)運行穩(wěn)定問題。對江油電廠各輔助設(shè)備投運給自一里電站機組的運行穩(wěn)定進行了仿真計算,仿真計算結(jié)果表明:在孤網(wǎng)模式下投入江油電廠全部輔助負荷(18.45MW)后,機組頻率由 50.01Hz下降至 49.58Hz。由此確定自一里電站機組調(diào)速器在孤網(wǎng)運行時,將頻率控制在 50±0.5Hz是可行的。

經(jīng)理論分析可行后,2006年 12月 12日,四川省電力公司在自一里電站進行了川內(nèi)第一次電網(wǎng)黑啟動試驗,電站側(cè)在第一條試驗指令下達后30min內(nèi)完成了手動開機帶線路建壓過程;當電源送達江油電廠后,陸續(xù)投入輔助設(shè)備時電壓基本穩(wěn)定,頻率在 50.4～49.6Hz范圍內(nèi)變化,當電站 220kV母線達到 237kV時,機組的無功功率進相為 19.96Mvar。江油電廠一臺 330MW機組借助自一里電站供廠用電順利啟動并與自一里電站 1號機組并列。試驗成功!

3 “5.12”地震后火溪河電站黑啟動的成功應(yīng)用及經(jīng)驗總結(jié)

3.1 “5.12”地震后火溪河電站黑啟動成功應(yīng)用

“5.12”地震后,地處極重災(zāi)區(qū)的平武縣境內(nèi)火溪河流域的通訊、交通、電力全部中斷,火溪河梯級電站集控中心監(jiān)控信號全部中斷,電站現(xiàn)場設(shè)備狀況不明。搶險人員徒步趕赴“無人值班,關(guān)門運行”的梯級電站時,廠用電已中斷很久,必須立即實施機組黑啟動以恢復(fù)廠用電源。

在通過一系列的檢查處理后,迅速啟動了“黑啟動”預(yù)案實施自救。其中,自一里電站采用了通過柴油發(fā)電機啟機的黑啟動方案,木座電站采用了無柴油發(fā)電機直接啟機的黑啟動方案,而水牛家電站則是在 220kV牛里線倒送電后實現(xiàn)了機組恢復(fù)啟動方案。三個生產(chǎn)電站通過三種方式實現(xiàn)了自保自救。受 220kV送出線路多處鐵塔倒塌原因制約,火溪河梯級電站當時未能向系統(tǒng)供電。

3.2 以自一里電站為例,列舉了“5.12”地震后黑啟動進行的主要操作

自一里電站距離火溪河管理中心約 12km,當搶險人員徒步趕到自一里電站廠房后,迅速對機組進行了全面檢查,確認機組可以啟動,然后按預(yù)案進行了以下主要操作:

(1)復(fù)歸調(diào)速器緊急停機電磁閥,復(fù)歸各類保護動作信號;

(2)斷開 1#主變高壓側(cè)開關(guān) 201DL、2#主變高壓側(cè)開關(guān) 202DL,實現(xiàn)兩臺機隔離;

(3)為了零起升壓過程中廠用 400V系統(tǒng)不受影響,斷開廠用變高壓側(cè)斷路器 41DL;

(4)做好啟動柴油發(fā)動機向 400V供電的準備,切除廠用 400V備自投開關(guān),斷開 400VI、II、III段進線開關(guān) 401DL、402DL、403DL和聯(lián)絡(luò)開關(guān)413DL、423DL;

(5)為了減少油泵啟動對柴油機的負載沖擊,將調(diào)速器油壓裝置屏和球閥油壓裝置屏油泵由 “自動 ”切至 “切除”;

(6)為了機組啟動后的零起升壓,手動合發(fā)電機出口開關(guān),解開 1號機勵磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)柜內(nèi) ×100∶3并網(wǎng)接點,起勵模式設(shè)置為零起升壓,退系統(tǒng)電壓跟蹤功能;

(7)檢查柴油發(fā)電機油位,啟動柴油發(fā)電機空載運行 1min,合柴油機負載開關(guān),通過柴油發(fā)電機帶 400VII段一臺技術(shù)供水泵和勵磁風機;

(8)關(guān)技術(shù)供水泵出口閥,手動啟動一臺 75 kW的技術(shù)供水泵,待電流在 65A左右穩(wěn)定后,再慢慢開出口閥(目的是空載啟動技術(shù)供水泵,因自動加載沖擊電流達 200～300A,啟動電流太大會將柴油機拉熄火);

(9)1LCU控制方式由“遠方”切至“現(xiàn)地”,手動退出空氣圍帶→手動退出鎖定→手動開球閥平壓旁通閥→手動退球閥工作密封→手動開球閥→手動打開機組導(dǎo)葉至空載開度→機組轉(zhuǎn)速升至額定轉(zhuǎn)速,檢查機組振擺、瓦溫等運行情況;

(10)按起勵按鈕機組帶主變一起零起升壓,起勵正常后按增磁按鈕將電壓升至額定 10.5 kV,再按下調(diào)速器孤網(wǎng)按鈕;

(11)合 41DL,1#機組發(fā)電帶 400VI段廠用負荷,手動抽集水井滲漏水,合直流蓄電池充電開關(guān),恢復(fù)油、水、氣系統(tǒng)正常運行,恢復(fù)廠房照明等;

(12)停柴油發(fā)電機,恢復(fù) 400V備自投,合400V聯(lián)絡(luò)開關(guān) 413DL、423DL,由 1號機發(fā)電通過 400VI段聯(lián)絡(luò)Ⅰ、Ⅲ段運行。

至此,自一里電站機組在震后黑啟動成功帶廠用。

3.3 “5.12”黑啟動經(jīng)驗總結(jié)及啟示

“5.12”地震給四川電網(wǎng)、震區(qū)的電站造成了巨大的破壞,涪江公司搶險人員臨危不亂,不顧個人安危,冒著余震、道路塌方、山上飛石等危險,徒步到達電站現(xiàn)場并果斷實施黑啟動,成功恢復(fù)廠用電,排除了水漫大壩、水淹廠房的險情。根據(jù)火溪河黑啟動的探索和應(yīng)用,結(jié)合 5.12”黑啟動的主要操作方式得出了以下經(jīng)驗總結(jié)及啟示:

(1)要有應(yīng)急機制,成立應(yīng)急領(lǐng)導(dǎo)工作組,編制應(yīng)急方案,在現(xiàn)場加大培訓(xùn)力度并將黑啟動的操作主要步驟打印張?zhí)敛僮鞅P柜內(nèi)。

(2)對調(diào)速器的功能要進行完善,應(yīng)具有孤網(wǎng)模式運行功能,孤網(wǎng)模式下在 50±0.5Hz頻率進行控制;建議黑啟動時解除并網(wǎng)信號,升壓時退出電網(wǎng)電壓跟蹤功能,采取“零起升壓”方式。如果電站黑啟動還要向長線路送電,應(yīng)核算機組可能的充電容量,并據(jù)此調(diào)整低勵限值定值,防止發(fā)電機向線路充電時過壓。

(3)在非常時刻不要忘記帶設(shè)備鑰匙、手電、圖紙和常用工具,到現(xiàn)場后應(yīng)臨危不亂,保持清醒的頭腦,黑啟動前應(yīng)盡快檢查判斷設(shè)備狀況,選擇液壓系統(tǒng)壓力高的機組啟動。停機后殘余壓力若不夠,可打開手動補氣閥補氣。

(4)熟悉啟機關(guān)鍵步驟,處理好細節(jié),非常時刻應(yīng)減少因緊張導(dǎo)致失誤而耽誤時間。如啟機前先合上發(fā)電機出口開關(guān),但需解開出口開關(guān)送勵磁系統(tǒng)合閘輔助接點,這樣才能進行零起升壓;最好有柴油發(fā)電機提供功率柜風機電源,防止因風機電源消失可控硅發(fā)熱而起勵失敗,要防止所有電機同時啟動而將柴油發(fā)電機拉熄火等。

(5)直流系統(tǒng)是繼電保護、監(jiān)控、調(diào)速器、勵磁、事故照明以及控制系統(tǒng)的重要電源,平時對其應(yīng)加強保養(yǎng)和核容,以確保蓄電池供電可靠。黑啟動過程中,若蓄電池容量不足可切除部分事故照明、盤柜內(nèi)加熱器等不重要的負荷,以延長直流系統(tǒng)蓄電池的放電時間,確?？刂葡到y(tǒng)電源,否則無法進行黑啟動操作。

(6)平時應(yīng)加強對 UPS系統(tǒng)的保養(yǎng)維護,確保其可靠供電。因監(jiān)控系統(tǒng)顯示器、調(diào)速觸摸屏、勵磁觸摸屏、保護打印機、控制設(shè)備工控機等一般都用 UPS供電。

(7)新建水電廠應(yīng)將電站黑啟動納入設(shè)計,并最好配置柴油發(fā)電機作為事故保安電源,應(yīng)通過模擬試驗解決黑啟動中遇到的實際問題,最好能達到不需要依靠柴油發(fā)電機就能實現(xiàn)黑啟動的A級黑啟動。

(8)當系統(tǒng)出現(xiàn)大面積停電后,黑啟動成功的機組要及時幫助電網(wǎng)恢復(fù)或孤網(wǎng)帶地方電網(wǎng)供電運行,保一方平安。

(9)比較模擬試驗與地震后實戰(zhàn)存在的疏漏之處:①試驗時未考慮到通訊中斷,地震后手機、座機均中斷。最好在現(xiàn)場配置衛(wèi)星電話;②地震后事故照明等負荷加大,暴露出蓄電池容量偏小。若遇該情況,應(yīng)及時斷掉部分不重要負荷以延長蓄電池的供電時間;③地震后設(shè)備可能存在損毀,必要時需臨時處理;④試驗時人員應(yīng)組織有序。地震后人員的情緒狀態(tài)與平時不一樣,更要強調(diào)團隊精神和集體智慧。