太平灣電站黑啟動策略研究與實施

蘇有權(quán)

(太平灣發(fā)電廠，遼寧 丹東 118000)

電網(wǎng)大面積停電時系統(tǒng)電源全部消失后進行的電網(wǎng)恢復，通俗稱為黑啟動。黑啟動的最終目的是要在最短的時間內(nèi)使電網(wǎng)恢復帶負荷的能力，恢復電網(wǎng)運行。與火電、核電機組相比，水輪發(fā)電機組結(jié)構(gòu)簡單，沒有復雜的輔機系統(tǒng)，啟動速度快，往往成為電網(wǎng)黑啟動的首選機組［1］。按照東北電網(wǎng)黑啟動方案，太平灣電站的1號、2號機組被確定為遼寧南部電網(wǎng)的黑啟動機組。

太平灣電站坐落于遼寧省丹東市境內(nèi)，是中朝界河鴨綠江干流上的第4座水力發(fā)電廠。太平灣電站共安裝了4臺水輪發(fā)電機組，其中1、2號機組額定頻率為50 Hz，向中國電網(wǎng)供電，3、4號機組額定頻率為60 Hz，向朝鮮電網(wǎng)供電。1、2號機組單機容量54 MW，經(jīng)兩回220kV和兩回66 kV線路接入遼寧南部電網(wǎng)，太平灣電站在系統(tǒng)中承擔調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用任務。

1 機組黑啟動送電路徑

根據(jù)東北電網(wǎng)黑啟動方案，太平灣電站1、2號機組為遼寧南部電網(wǎng)的黑啟動機組，當遼寧電網(wǎng)發(fā)生全網(wǎng)停電事故時，太平灣電站1、2號機組快速啟動向系統(tǒng)送電，依次帶孔家溝變電站和長甸電廠，繼而帶動遼寧南部電網(wǎng)恢復運行。太平灣電站作為遼寧南部電網(wǎng)快速恢復的黑啟動電源，制定完善的黑啟動方法和預案，當電網(wǎng)發(fā)生大面積停電事故時保證1、2號機組安全、可靠、快速啟動，對保障東北電網(wǎng)安全運行具有重要意義。圖1所示為遼寧南部電網(wǎng)黑啟動恢復路徑。

2 機組黑啟動的關(guān)鍵問題

機組能否成功黑啟動的關(guān)鍵是當廠用電源全部消失后，電站直流系統(tǒng)能否保證機組自動控制、保護、勵磁、調(diào)速、同期等二次系統(tǒng)正常運行，廠房內(nèi)漏水量能否危及設(shè)備安全運行以及開機操作過程中導水機構(gòu)的操作油壓能否維持機組開機并網(wǎng)操作［2］。

2.1 直流系統(tǒng)

太平灣電站直流系統(tǒng)采用“3+2”方式配置，即3組充電機帶2組蓄電池方式，單組蓄電池容量為300 AH，當交流電源失去時，2組蓄電池完全滿足事故照明系統(tǒng)、斷路器操作、保護裝置、調(diào)速器、勵磁調(diào)節(jié)器、輔助控制系統(tǒng)等控制設(shè)備的運行需要。機組開機利用監(jiān)控系統(tǒng)自動開機，監(jiān)控系統(tǒng)由專用UPS電源供電，配備1組200 AH蓄電池，交流失去時可保證監(jiān)控系統(tǒng)正常運行。

2.2 廠房漏水量

太平灣電站廠房內(nèi)設(shè)有檢修集水進中、滲漏集水井，通過對現(xiàn)場漏水量統(tǒng)計，在廠內(nèi)排水系統(tǒng)退出運行2 h內(nèi)，各部漏水量不會對廠房安全運行構(gòu)成威脅。

2.3 導水機構(gòu)操作油壓

黑啟動成功與否關(guān)鍵在于壓油罐在事故停機后所剩油壓、油位是否滿足開機要求［5］，能否保持在正常工作范圍 (2.35～2.50 MPa)內(nèi)，是機組能否順利黑啟動的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為確定是否可以利用調(diào)速系統(tǒng)額定油壓進行機組黑啟動，在機組停機時，利用手動調(diào)節(jié)導水機構(gòu)的方法，模擬機組正常運行中“甩最大負荷緊急停機再開機至空載”的過程，實測機組導葉從全開至全關(guān)、從全關(guān)至空載開度 (13%開度)的操作過程中壓油裝置油壓下降值。

1、2號機組調(diào)速器正常操作油壓為2.5 MPa，油位高度為1 550 mm，選擇1號機進行試驗。試驗時機組壓油裝置油壓為2.5 MPa，機組導葉在最大開度，導葉和輪葉協(xié)聯(lián)，切除1號機2臺壓油泵，先將1號機組導葉由“最大開度”關(guān)至“全關(guān)”，再從“全關(guān)”開至“空載位置 (13%開度)”，記錄操作過程中油壓下降最低值以及壓油罐油位的變化值，數(shù)據(jù)見表1。

從試驗數(shù)據(jù)可以看出，在沒有補充油的情況下，機組油系統(tǒng)不能滿足利用額定油壓進行一次甩負荷停機、再開機帶負荷的要求。所以，在機組黑啟動時，必須使用交流電源帶動壓油泵對油罐充油，自動控制油壓在正常工作范圍內(nèi)，保證調(diào)速器對導水機構(gòu)進行順利調(diào)節(jié)，才能保證機組黑啟動成功。

表1 操作過程中油壓油位變化值

3 黑啟動電源選擇

太平灣電站1、2號機組各有2臺壓油泵，利用廠用交流電源供電，單臺油泵電機啟動電流為580 A。黑啟動時，只要交流電源滿足單臺壓油泵正常啟動需要，就可以保證機組順利啟動?，F(xiàn)場可以利用的電源有電站自備小機組、朝鮮電網(wǎng)60 Hz系統(tǒng)電源和備用柴油發(fā)電機。

3.1 電站自備小機組

太平灣電站已安裝1臺自備小機組，該機組標稱容量為125 kW，通過6.3/0.4 kV變壓器與電站高壓廠用變連接。小機組調(diào)速裝置、勵磁裝置均采用手動操作，但是實際發(fā)電容量只能達到70 kW，發(fā)電容量無法帶動單臺壓油泵運行。當采用自備小機組作為黑啟動電源時，必須將分布在生活區(qū)各部位的變壓器高壓側(cè)跌落式開關(guān)拉開，操作所需時間約2 h，不能滿足電網(wǎng)黑啟動快速性的要求，所以采用小機組作為黑啟動電源不可取。

3.2 60 Hz 220kV系統(tǒng)電源

朝鮮電網(wǎng)60 Hz 220kV系統(tǒng)頻率常年運行在42～52 Hz，線電壓在150～190 kV，波動范圍大，時常發(fā)生振蕩解列事故，運行非常不可靠。在全廠停電時，若采用60 Hz 220kV系統(tǒng)電源，不僅電能質(zhì)量和運行可靠性得不到保證，還需要新增變頻設(shè)備，造價較高，更涉及電能利用協(xié)商、電量結(jié)算等國際問題，因此電站60 Hz 220kV系統(tǒng)電源也無法滿足機組黑啟動電源的要求。

3.3 自備柴油發(fā)電機

太平灣電站有1臺柴油發(fā)電機，標稱容量為145 kW，作為全廠停電時確保大壩溢流弧門可靠啟閉時的備用電源，已固定連接在廠用0.4 kV四段母線上，如果黑啟動時利用柴油發(fā)電機提供交流電源給機組壓油泵供電，有倒閘操作簡單、時間快等優(yōu)點，應予以首先考慮。但柴油發(fā)電機容量較小，額定電流為384 A，不能滿足機組壓油泵可靠運行的要求。

因此，擬增加1臺容量較小的黑啟動油泵，由柴油發(fā)電機給黑啟動油泵供電，在黑啟動過程中向機組壓油罐補充油壓，實現(xiàn)機組黑啟動的目的。

4 黑啟動油泵選擇

通過開、關(guān)導水機構(gòu)時測量的壓油罐油位變化值，可計算出耗油體積。導葉從“全開”到“全關(guān)”再到“開至空載”過程中，油壓從2.5 MPa降至1.85 MPa，油面高度由1 500 mm降落至230 mm，消耗油體積為

式中 D——油罐直徑，dm;

S——圓柱形油罐橫截面積，dm2;

H——消耗油高度，dm;

V——消耗油體積，L。

按油泵啟動后10 min(黑啟動時間允許)內(nèi)將油壓補充至正常范圍計算，則需要的油泵排量為

P=3 538.92/600=5.9 L/s

實際選擇1臺排量為6 L/s、配套電動機為20.5 kW的油泵作為黑啟動油泵，其補油時間為:t=3 538.92/6≈589 s

5 方案實施過程

通過以上試驗分析，確定在1、2號機油系統(tǒng)中各增加1臺排量為6 L/s，配套電機為20.5 kW的黑啟動油泵，同時采用太平灣電站現(xiàn)有的145 kW柴油發(fā)電機作為黑啟動電源的黑啟動方案。當機組在最大負荷下甩負荷停機，同時全廠電源消失時，利用黑啟動油泵，最長可在589 s內(nèi)將壓油罐油壓補充至2.50 MPa，保證機組在黑啟動過程中的正常操作用油，加上運行人員倒閘操作以及啟動柴油發(fā)電機時間，可在30 min內(nèi)快速啟動機組向系統(tǒng)送電，恢復電網(wǎng)運行。近年來，太平灣電站結(jié)合設(shè)備檢修和系統(tǒng)運行，對相關(guān)設(shè)備進行了技術(shù)改造，完成了機組黑啟動試驗，并舉行了多次黑啟動事故演習，確保發(fā)生電網(wǎng)全停事故時，機組可以順利黑啟動。

5.1 黑啟動油泵安裝

利用設(shè)備檢修機會，將黑啟動油泵安裝在機組壓油裝置現(xiàn)有2臺壓油泵之間，立式安裝，油泵安裝在集油槽上，吸油管直接深入集油槽中，排油管通過出口閥組連接在壓油罐進油管上。安裝了壓油泵、管路、閥組、壓力開關(guān)等輔助設(shè)備，安裝完成后，對壓油泵的排油量進行了測量，排油量為6.10 L/s。黑啟動油泵安裝布置見圖2。

5.2 控制部分安裝

新增1、2號機黑啟動油泵及柴油發(fā)電機自動控制回路，將相關(guān)的啟動按鈕、電流表、電壓表、操作把手安裝在機旁控制盤上，黑啟動油泵和柴油發(fā)電機組正常為備用狀態(tài)，柴油發(fā)電機輸出通過動力電纜接至2號機旁動力盤，再轉(zhuǎn)接至1號機旁動力盤。需要黑啟動時，值班人員到機旁盤切換油泵電源，打開黑啟動油泵閥組，然后啟動柴油發(fā)電機和黑啟動油泵，待機組油壓正常后，用監(jiān)控系統(tǒng)自動開機，按照調(diào)度要求并網(wǎng)向系統(tǒng)送電，即可完成機組黑啟動工作。控制部分安裝布置見圖3。

5.3 機組進相試驗

機組無功功率的性質(zhì)涉及無功補償?shù)攸c的選擇、無功補償容量的確定、變壓器分接頭的選擇和發(fā)電機端電壓的配合等多方面［4］，特別是當機組黑啟動對線路充電時，由于分布電容的存在，勢必產(chǎn)生大量無功功率，使電網(wǎng)過電壓，可能會導致配電網(wǎng)中的同步發(fā)電機功角失穩(wěn)［5］，這就要求黑啟動的機組具有一定的進相運行能力。發(fā)電機進相運行時，可能發(fā)生失去穩(wěn)定、定子過電流、鐵心端部發(fā)熱等不良現(xiàn)象。為確定太平灣電站1、2號機組進相運行深度、勵磁系統(tǒng)的調(diào)整范圍和機組進相運行的限制條件，對太平灣電站1、2號機進行了進相能力試驗。以2號機為試驗機組，驗證2號機進相運行時對降低220kV母線電壓的作用和效果，考核勵磁調(diào)節(jié)器對提高發(fā)電機進相運行能力及靜態(tài)穩(wěn)定的作用，整定低勵限制范圍，確定進相運行能力。

5.3.1 試驗限制條件

為保證被試發(fā)電機進相運行時的安全，按以下限制條件進行試驗。

a.發(fā)電機功角:δ≤70°。

b.定子電流:Is≤1.05In，即3 464 A(發(fā)電機額定電流為3 299 A)。

c.機端電壓:Us≥0.85Un，即8.93 kV(發(fā)電機額定電壓為10.5 kV)。

d.發(fā)電機進相運行時，定子鐵心端部結(jié)構(gòu)件如邊段鐵心，壓指、壓圈等可能因漏磁增大引起溫度增高。按照邊段鐵心≤120℃，壓指≤120℃，壓板≤120℃的設(shè)計允許溫度范圍限定定子鐵心端部構(gòu)件溫度限值。

e.低勵限制單元限定值在試驗進行時根據(jù)試驗要求進行調(diào)整。

5.3.2 試驗時系統(tǒng)接線

根據(jù)系統(tǒng)和機組條件，確定試驗時機組及線路按照固定連接方式運行，即1、2號發(fā)電機雙機運行，帶220kV平孔線、長平線運行。試驗主接線如圖4所示。

5.3.3 試驗方法

2號發(fā)電機開機并網(wǎng)運行，分別在有功負荷為2 MW、27 MW(50%Pn)、54 MW(100%Pn)工況下運行，按照自動勵磁調(diào)節(jié)方式進行調(diào)節(jié)，每個負荷點下調(diào)節(jié)無功功率由遲相至進相方式運行直至達到試驗限制條件。同時1號發(fā)電機帶50%Pn(27 MW)有功功率，無功功率根據(jù)試驗需要進行適當調(diào)節(jié)。

a.機組并網(wǎng)前，額定轉(zhuǎn)速下加勵磁達到空載額定電壓時檢查記錄發(fā)電機PMU(功角測量裝置)的功角指示初值，完畢后并網(wǎng)運行。

b.將2號發(fā)電機有功負荷調(diào)至約2 MW，調(diào)節(jié)無功功率達到遲相功率因數(shù)0.9，保持各工況參數(shù)穩(wěn)定運行。

c.調(diào)節(jié)減磁按鈕，緩慢減小轉(zhuǎn)子電流If，達到cosφ=1穩(wěn)定運行，記錄發(fā)電機各電氣量及各溫度量。

d.繼續(xù)減小轉(zhuǎn)子電流，發(fā)電機即轉(zhuǎn)入進相運行狀態(tài)，以每次增調(diào)無功5 Mvar為一測量點，記錄各電氣、溫度數(shù)據(jù)，直至達到試驗限制條件，在極限位置穩(wěn)定運行，至各結(jié)構(gòu)件溫度基本穩(wěn)定為止。

調(diào)整發(fā)電機有功出力至27 MW和54 MW，重復進行以上試驗，記錄數(shù)據(jù)如下。

表2 有功功率為2 MW時記錄數(shù)據(jù)

表3 有功功率為27 MW時記錄數(shù)據(jù)

表4 有功功率為54 MW時記錄數(shù)據(jù)

5.3.4 試驗結(jié)果分析

a.試驗過程中根據(jù)試驗需要調(diào)整了低勵限制單元定值，在達到定值時，勵磁調(diào)節(jié)器均能正確動作，說明勵磁調(diào)節(jié)器整定值準確。確定勵磁調(diào)節(jié)器在有功功率為0 MW、27 MW和54 MW時低勵限制單元整定值，見表5。

表5 低勵限制單元整定值

b.試驗過程中，機端電壓已經(jīng)低于90%Un，而定子電流尚未超過1.05 In，機組均未出現(xiàn)失步和失穩(wěn)情況，說明該工況尚未達到機組臨界狀態(tài)，即尚未達到進相運行極限。

c.各種工況下，定子端部結(jié)構(gòu)件溫度均遠低于各部分溫度限值，說明定子端部結(jié)構(gòu)件溫度不是該機進相運行的限制條件。

通過機組進相試驗，說明2號機組具備黑啟動時進相運行的能力。由于1號機和2號機結(jié)構(gòu)、設(shè)備參數(shù)一致，故1號機也滿足黑啟動的要求。

6 結(jié)束語

通過對太平灣電站機組黑啟動方案的研究和實施，確認太平灣電站在全廠停電的狀態(tài)下，經(jīng)過對設(shè)備改造和采取相關(guān)技術(shù)措施后，利用自備柴油發(fā)電機電源能可靠啟動1、2號機組，滿足快速、安全實施機組黑啟動的要求，為事故電網(wǎng)快速恢復運行提供有力保障。

［1］蘇 茂.水電站的黑啟動 ［J］.電力安全技術(shù)，2006，8(12):52－53.

［2］陳國慶.大型水力發(fā)電廠黑啟動研究 ［J］.電力系統(tǒng)自動化，2003，27(10):95－97.

［3］劉志鴻.黑啟動時恢復廠用電的實施方法［J］.水電自動化與大壩監(jiān)測，2005，29(1):40－41.

［4］韓新華，趙 琰，鄧 瑋.電力系統(tǒng)無功優(yōu)化模型與算法的研究與發(fā)展 ［J］.東北電力技術(shù)，2010:31(4):19－23.

［5］殷 豪，陳春泉，彭顯剛，等.分布式電源接入對配電網(wǎng)的穩(wěn)定性影響研究［J］.東北電力技術(shù)，2012，33(10):6－11.