燃氣輪機作為自啟動電源的電網(wǎng)黑啟動案例

郭 馨，張生龍，惠兆森

(1.黑龍江省節(jié)能技術(shù)服務(wù)中心，哈爾濱 150001;2.哈爾濱第703研究所，哈爾濱 150078)

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，用電需求不斷增加，電力系統(tǒng)規(guī)模日益擴大，促進了超高壓大電網(wǎng)的形成和發(fā)展［1］。但是，大電網(wǎng)存在潛在的事故威脅，即局部電網(wǎng)的某些個別問題，特別是發(fā)生短路故障等，其影響將波及鄰近的區(qū)域，可能誘發(fā)惡性連鎖反應(yīng)，最終釀成大面積停電的重大系統(tǒng)事故。

2003年8月14日美加大停電［2］以后，國際上接連發(fā)生了一系列的大面積停電事故，希臘大停電、倫敦大停電［3］、悉尼大停電、莫斯科大停電、馬來西亞大停電、新加坡大停電、印尼大停電、海南大停電、巴基斯坦大停電。這些重大事故都造成了災(zāi)難性的社會影響和經(jīng)濟損失。2008年初，我國南方大部分地區(qū)和西北地區(qū)東部出現(xiàn)了建國以來罕見的持續(xù)大范圍的低溫、雨雪和冰凍的極端天氣，引起極為嚴重的冰雪災(zāi)害，造成浙江、安徽、江蘇、福建、湖北、湖南、江西、四川、重慶、貴州、云南、廣西和廣東等省、市不同程度受災(zāi)，引發(fā)電網(wǎng)大面積癱瘓，甚至救災(zāi)列車都不能正常行駛。因此，研究電網(wǎng)大面積停電后的緊急恢復(fù)措施—黑啟動［4］已經(jīng)成為時代所趨。在研究保證大電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行的同時，需要重點研究系統(tǒng)癱瘓后如何快速恢復(fù)問題，即如何有效預(yù)防和應(yīng)對大面積停電事故已成為一個非常迫切和重要事情。

所謂黑啟動，是指整個系統(tǒng)因故障停運后，不依賴別的網(wǎng)絡(luò)幫助，通過系統(tǒng)中具有自啟動能力的發(fā)電機組啟動，帶動無自啟動能力的發(fā)電機組，逐漸擴大系統(tǒng)恢復(fù)范圍，最終實現(xiàn)整個系統(tǒng)的恢復(fù)。目前，我國電力系統(tǒng)正在逐步走向市場化運作，電網(wǎng)事故的恢復(fù)方案［5－6］和有關(guān)規(guī)程也正處于修改編寫之中。

南京地區(qū)為保證電網(wǎng)系統(tǒng)安全可靠運行，兩年多來，詳細研究了黑啟動可能產(chǎn)生的問題及其應(yīng)對措施。經(jīng)過大量的前期試驗和周密細致的技術(shù)準備工作，黑啟動試驗獲得圓滿成功。

1 自啟動電源—黑啟動的關(guān)鍵因素之一

一直以來，水力發(fā)電廠的水輪發(fā)電機組都是黑啟動電源的首選［7－8］。與火電、核電等機組相比，水輪發(fā)電機組結(jié)構(gòu)簡單，沒有復(fù)雜的輔機系統(tǒng);廠用電少，消耗自身動力資源或直流電源少并且水輪機組啟動速度快，因此被認為是理想、方便快捷的啟動電源。東北電網(wǎng)利用吉林小豐滿水電機組、華北利用十三陵抽水蓄能電廠水電機組、浙江利用溪口抽水蓄能電廠水電機組和楊溪水電機組、貴州電網(wǎng)利用洪家渡水電機組、寧夏利用青銅埉和沙坡頭水電機組、華中利用葛洲壩水電機組、廣東利用廣州抽水蓄能電站B廠水電機組、湖北利用天堂抽水蓄能電廠水電機組、河南利用小浪底水電廠水電機組、湖南利用大源渡水電站水電機組等分別進行了黑啟動試驗［9－14］。但是水輪發(fā)電機組作為自啟動電源存在兩個問題:

(1)停電后控制水輪機組導(dǎo)葉開啟的壓力油槽中的油壓能否維持在正常工作范圍內(nèi)(一般約需半個小時左右)。

(2)水電機組一般遠離負荷中心，需經(jīng)長距離高壓線路接入系統(tǒng)，容性負載較大，有可能產(chǎn)生自勵磁或線路末端電壓過高的危險。

燃氣輪機發(fā)電機組［15］啟動速度快，6B機組15 min達全負荷、9E機組18 min達全負荷;并且燃氣輪機發(fā)電機組位于負荷中心，可以自然克服線路長造成過電壓和系統(tǒng)不穩(wěn)定的問題。這些優(yōu)勢使燃氣輪機發(fā)電機組用作黑啟動電源成為可能。

目前，南京高達新港熱電廠是南京地區(qū)電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)唯一具有黑啟動能力的燃機電廠(從接到啟機命令到38MW滿負荷僅需16 min)。首次作為黑啟動電源的燃氣輪機，顯示了突出的小電網(wǎng)自適應(yīng)能力:

(1)啟動速度快。高達燃機啟動系統(tǒng)是柴油機，啟動12分鐘開始線路充電。

(2)出力適當，可以滿足這次黑啟動負荷要求。PG6541B出力為38 MW、南京熱電廠#5號機組130 MW。

(3)燃料適應(yīng)能力強。燃用天然氣、柴油和重油，可以在運行中切換。

(4)控制系統(tǒng)反應(yīng)快。增減負荷時，系統(tǒng)穩(wěn)定性好。

(5)高達電廠擁有兩套PG6541B，可以獨立起動300 MW汽輪機組。

2 試驗路徑

啟動電源點:南京高達新港熱電廠(簡稱高達)#1機組。PG6541B燃氣輪機發(fā)電機組，具有較強的抗負荷、調(diào)頻性能和進相運行能力，燃用#0柴油，只要15 kW燃油泵要用廠用電。

被啟動電源點:南京熱電廠(簡稱南熱)的#5號130 MW發(fā)電機組和華能南京電廠(簡稱華京)的320 MW發(fā)電機組。試驗路徑:如圖1所示。

為了不影響地方企事業(yè)單位正常用電需求，利用曉莊變電站將高達、南熱、華京組成孤立小電網(wǎng)，充電線路距離約20 km。按照供電重要性，排列輕重緩急的系統(tǒng)恢復(fù)順序。

圖1 南京地區(qū)黑啟動試驗路徑圖

3 試驗程序

試驗由江蘇省調(diào)度中心統(tǒng)一指揮。具體程序見表1。

表

續(xù)表1

4 分析與討論

(1)為使黑啟動方便快捷，高達電廠應(yīng)增設(shè)一臺15 kW直流電機燃油泵，則不需任何輔助電源完成黑啟動。為提高啟動過程運行的穩(wěn)定性，高達應(yīng)兩臺PG6541B運行。

(2)試驗方案正確，試驗路徑合理。自啟動和被啟動機組距離近，空載充電線路短，所以發(fā)電機未出現(xiàn)自勵磁、線路未端無明顯容升現(xiàn)象。高達#1機組并入孤立空網(wǎng)小系統(tǒng)時，試驗電網(wǎng)沒有電壓，機端開關(guān)(52 G)需要解除同期允許。在開關(guān)控制回路中短接同期允許接點，手動合52 G并網(wǎng)。然后，為了減少逐段沖擊線路的時間，防止操作過電壓，采用了“零起升壓”的方式，為試驗電網(wǎng)充電。在52 G合閘前將機端電壓降至3 000 V，合52 G。合閘后試驗系統(tǒng)容性電流較多，處于進相運行，頻率為50 Hz。保持頻率為50 Hz的前提下，手動逐漸升壓并觀察記錄過程數(shù)據(jù)變化。試驗表明:燃氣輪機發(fā)電機組的MARK V控制系統(tǒng)運行靈活、反應(yīng)敏捷、功能強。

(3)運行方式和加載方案合理。保證小系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。大電網(wǎng)多臺機組并網(wǎng)運行時，機組都采用有差運行方式。因此，南熱啟動后，南熱和高達均以常規(guī)的有差方式運行，系統(tǒng)不穩(wěn)定。改為南熱有差、高達無差，避免當高達機組帶負荷時其轉(zhuǎn)速下降所需的二次調(diào)頻，系統(tǒng)很穩(wěn)定。

燃機的無差調(diào)節(jié)方式屬于閉環(huán)控制。根據(jù)系統(tǒng)反饋信息，始終保持基準轉(zhuǎn)速(TNRI)和實際轉(zhuǎn)速(TNH)一致。當基準轉(zhuǎn)速(TNRI)＞實際轉(zhuǎn)速(TNH)時，發(fā)電頻率低，電網(wǎng)有功缺少，燃料閥開度(FSRI)自動增大進行調(diào)解;當基準轉(zhuǎn)速(TNRI)＜實際轉(zhuǎn)速(TNH)時，發(fā)電頻率高，電網(wǎng)有功過多，燃料閥開度(FSRI)自動減小進行調(diào)解。調(diào)速過程中并不涉及機組實際功率，僅在機組負荷能力范圍內(nèi)，保證電網(wǎng)頻率。高達和南熱組成的多電源的小系統(tǒng)沒有發(fā)生振蕩。

高達無差、南熱有差:在50Hz穩(wěn)定狀態(tài)，南熱所帶負荷是運行人員調(diào)整設(shè)定的，高達所帶負荷是整個電網(wǎng)所需負荷減去南熱所帶負荷。這時如果電網(wǎng)負荷變化造成頻率變化，采用有差方式的機組(南熱)不承擔負荷變化，采用無差方式的機組(高達)承擔全部的變化負荷。此運行方式既能承擔負荷突然劇烈變化，又能保證供電質(zhì)量(頻率)。

PG6541B燃氣輪機發(fā)電機組具有良好的吸收能力。無功與電壓控制有關(guān)。黑啟動恢復(fù)的初期需要空充或輕載線路，由于存在分布電容，勢必產(chǎn)生大量容性無功，可能造成發(fā)電機自勵磁或電壓升高失控，引起自勵磁過電壓限制器(CXP)的動作，因此要求自啟動機組具有吸收無功的能力。

(4)系統(tǒng)加負荷情況:燃氣輪機發(fā)電機組具有在低負荷狀態(tài)下穩(wěn)定的調(diào)速、調(diào)壓能力，能夠維持小系統(tǒng)的頻率和電壓穩(wěn)定。由于黑啟動運行初期，不斷增加負荷，既對小系統(tǒng)產(chǎn)生電壓和頻率擾動，如果發(fā)生短路故障，突然切負荷、切機等情況，系統(tǒng)仍能保持穩(wěn)定，則系統(tǒng)在這種運行情況下是暫態(tài)穩(wěn)定。反之，如果系統(tǒng)受大干擾后不能保持穩(wěn)定，而是各發(fā)電機組轉(zhuǎn)子之間一直有相對角度，因而系統(tǒng)的功率、電流和電壓都不斷振蕩，以至整個系統(tǒng)不能繼續(xù)運行下去，則黑啟動將最終失敗。

華京2 000 kW循泵啟動時，電動機啟動時間3 s，高達110 kV系統(tǒng)的母線電壓從115.0 kV降到104.8 kV;有功變化從 2.75 MW 到 4.96 MW，頻率變化為51.4～48.3 Hz。南熱6 kV母線系統(tǒng)的潮流出現(xiàn)瞬時的擺動，但很快恢復(fù)正常。

南熱3 200 kW給水泵啟動時，電動機啟動時間約4.2 s，啟動電流的峰值為4185 A。高達電廠110 kV系統(tǒng)的母線電壓從114.9 kV降到102.1 kV;頻率變化范圍為 51.3 ～47.8 Hz。南熱 6 kV母線電壓從6.40 kV降到5.10 kV，降幅較大。給水泵啟動正常后，小系統(tǒng)電壓恢復(fù)正常。

高達和南熱組成的電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，華京啟動8 000 kW的給水泵。電動機啟動時間4.3 s，啟動電流的最大有效值約為5 260 A(最大瞬時峰值約為13 960 A)，華京6 kV母線電壓從啟動前的6.31 kV降到4.41 kV。高達110 kV系統(tǒng)的母線電壓從115.6 kV降到104.1 kV，頻率變化范圍為 47.9 ～51.3 Hz，有功變化從 7.05 MW到8.12 MW。南熱220 kV母線電壓從234.9 kV降到212.5 kV;南熱發(fā)電機定子電壓從13.5 kV降到12.8 kV;無功出力從1.2 Mvar瞬間達50 Mvar左右后穩(wěn)定在3.2 Mvar，有功變化很小，從1.5 MW到1.6 MW。小系統(tǒng)經(jīng)過9 s時間恢復(fù)正常，穩(wěn)定運行。啟動過程中高達電廠的機組承擔了全部變化負荷，南熱機組負荷幾乎沒有變化;另外南熱機組的勵磁調(diào)節(jié)器對試驗系統(tǒng)的電壓變化做出迅速反應(yīng)，保證了試驗系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定。

(5)系統(tǒng)甩負荷情況:華京分三次切換廠用電。第二次切換廠用電時，小系統(tǒng)甩掉4 000 kW的有功負荷，切換之前高達有功輸出為7.0 MW，南熱#5發(fā)電機有功輸出為1.8 MW，切換之后高達有功輸出為3.3 MW，南熱#5發(fā)電機有功輸出為1.5 MW，總共甩掉4.0 MW的有功負荷，小系統(tǒng)的頻率變化范圍是48.7～52 Hz，此過程持續(xù)4.5 s，試驗系統(tǒng)恢復(fù)正常運行。

因此，在黑啟動的具體操作過程中，保持系統(tǒng)電壓和頻率穩(wěn)定至關(guān)重要，頻率與系統(tǒng)出力和負荷有關(guān)，控制頻率涉及負荷恢復(fù)速度以及機組調(diào)速器響應(yīng)和二次調(diào)頻。負荷的恢復(fù)必須考慮啟動功率和系統(tǒng)負荷之間的分配。為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定和恢復(fù)速度，需要使非自啟動機組獲得盡可能多的啟動功率，同時又必須恢復(fù)系統(tǒng)負荷以保證功率平衡。試驗中采取先恢復(fù)小負荷，逐步帶較大的負荷和電網(wǎng)重要負荷。負荷恢復(fù)慢將延長恢復(fù)時間，過快增長則有使頻率下降。所以，增加負荷的速度必須在加快恢復(fù)時間和保證機組頻率穩(wěn)定之間兼顧。本次試驗中一次啟動最大負荷8 000 kW，占發(fā)電出力的4.6%。

5 結(jié)論

(1)燃機發(fā)電機組是最佳的黑啟動電源。PG6541B發(fā)電機組的控制系統(tǒng)特性適宜于黑啟動要求。兩臺PG6541B運行或一臺PG9071E可直接啟動300MW汽輪機組。作為黑啟動電源，高達電廠應(yīng)兩臺機組同時運行。并應(yīng)增加一臺15 kW之流燃油泵，啟動后切換。

(2)試驗方案正確，試驗路徑合理，可以避免發(fā)電機自勵磁和線路電容大而過電壓。PG6541B燃機發(fā)電機組具有很強的系統(tǒng)抗擾動能力。國內(nèi)首次實現(xiàn)連續(xù)啟動兩個火電廠、一次啟動最大容量8 000 kW電動機的成功經(jīng)驗。

(3)黑啟動試驗采用零起升壓的方式，減少了逐段沖擊線路、主變操作的時間，有利于電網(wǎng)的盡快恢復(fù);避免了沖擊空線和主變而產(chǎn)生的操作過電壓和諧振過電壓，保證黑啟動系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

(4)試驗小系統(tǒng)甩負荷沖擊的試驗表明，PG6541B發(fā)電機組作為自啟動電源，不僅可以起動電網(wǎng)中的機組，而且能夠承受負荷的不規(guī)則波動。

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