空洲電廠機(jī)組黑啟動及孤網(wǎng)運(yùn)行問題淺談

徐志剛 凌云峰

（湖南發(fā)展集團(tuán)股份有限責(zé)任公司 長沙市 410005）

1 概 述

空洲電廠位于湖南省湘江干流株洲縣空洲處，上游距衡陽市約158 km，下游距株洲市約24 km。電站裝設(shè)5 臺燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)，總裝機(jī)容量140（5×28）MW，主變壓器2 臺（1#主變?nèi)萘繛?3 000 kVA，2#主變?nèi)萘繛?00 000 kVA），5 臺發(fā)電機(jī)分別為兩機(jī)一變和三機(jī)一變的接線方式，一條220 kV 母線，電站以2 回220 kV 線路接入王家坪220 kV 變電站，廠用變壓器2 臺（容量為1 600 kVA），近區(qū)變壓器1 臺（容量為5 000 kVA），11 kV 近區(qū)線路5 回。

2 水輪發(fā)電機(jī)黑啟動需具備的條件

（1）機(jī)組轉(zhuǎn)動所需能量來源。

水輪發(fā)電機(jī)是就將水能轉(zhuǎn)換為電能，水的沖擊帶動水輪機(jī)轉(zhuǎn)動，利用安培定律將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，所以水能是水電廠黑啟動第一須具備的條件。而空洲電廠發(fā)電機(jī)為燈泡貫流式機(jī)組，最低發(fā)電水頭3 m，為低水頭電站，且電站位于湘江干流，湘江多年平均流量為1 720 m3/s，故水能能夠滿足發(fā)電要求。

（2）調(diào)速器系統(tǒng)問題。

調(diào)速器系統(tǒng)正常是機(jī)組啟動的必備條件，燈泡貫流式機(jī)組導(dǎo)葉槳葉的開關(guān)完全由調(diào)速器系統(tǒng)控制，保證調(diào)速器系統(tǒng)正常，才能保證黑啟動的正常進(jìn)行。水電機(jī)組在啟動試運(yùn)行期間，需按照水輪發(fā)電機(jī)安裝技術(shù)規(guī)程GB/T 8564-2003 的規(guī)定，需要進(jìn)行低壓開啟導(dǎo)葉試驗(yàn)，空洲電廠機(jī)組在試運(yùn)行期間已做過低壓啟動試驗(yàn)，最低開啟導(dǎo)葉壓力只需4.0 MPa?？罩揠姀S調(diào)速器為奧地利安德里茨廠家所生產(chǎn)，該調(diào)速器具有較好的保壓效果，機(jī)組運(yùn)行時油壓裝置啟停壓力范圍為（5.4～6.0）MPa 之間，其特點(diǎn)是機(jī)組停機(jī)時不需要油壓就可直接關(guān)閉導(dǎo)葉，在全廠失壓時，消耗的油壓很少，完全不影響下一次開機(jī)。調(diào)速器電氣部分采用交直流兩用逆變電源供電，當(dāng)交流消失時，直流系統(tǒng)可直接對調(diào)速器電氣系統(tǒng)供電。

（3）直流系統(tǒng)問題。

空洲電廠采用兩組直流蓄電池及兩段直流饋線為直流系統(tǒng)供電，單個電池容量為500 Ah，每組電池為108 個，正常運(yùn)行時，蓄電池處于浮充電狀態(tài)，一旦全廠失壓，自動切換為蓄電池供電，蓄電池設(shè)計可供全廠監(jiān)控系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)、勵磁系統(tǒng)、調(diào)速器系統(tǒng)、事故照明直流高壓頂起油泵及其他電動球閥等輔助設(shè)備使用5 h 以上，為黑啟動所需直流電源提供了充分保證。

（4）勵磁系統(tǒng)問題。

勵磁系統(tǒng)是保證發(fā)電機(jī)發(fā)電主要條件之一，需要考慮的是起勵和勵磁變冷卻問題?？罩揠姀S勵磁系統(tǒng)為自并激，由廣州電力科學(xué)研究院所生產(chǎn)，可采用殘壓起勵和零起升壓兩種方式，因直流蓄電池容量夠大，完全能滿足單臺機(jī)組零起升壓要求。勵磁變壓器為干式變壓器，所以不存在冷卻問題。故全廠失壓情況下，勵磁系統(tǒng)能滿足運(yùn)行要求。

（5）廠用電問題。

空洲電廠共有三段400 V 廠用電，廠用I 段和III 段分別通過廠用變連接至10.5 kVI 段和10.5 kVII段母線，廠用II 通過斷路器與廠用I、III 段相連，每臺機(jī)組輔機(jī)設(shè)備均從廠用I 段和廠用III 段取電源，兩段電源互為備用，在機(jī)組輔機(jī)屏處用兩臺800 A的斷路器連接廠用I 段和廠用III 段的電源，通過電氣和機(jī)械閉鎖，使斷路器自動切換。電廠無其他外接保安電源，由一臺300 kW 的柴油發(fā)電機(jī)充當(dāng)保安電源，故在全廠失壓情況下，需切除與機(jī)組輔機(jī)無關(guān)的其他一切電源，并斷開廠用I、II、III 段之間的聯(lián)絡(luò)。

3 發(fā)電機(jī)黑啟動

所謂黑啟動就單個電站而言是指當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生大面積停電時，電站與系統(tǒng)解列處于全黑狀態(tài)，此時通過開啟具備啟動能力的機(jī)組，迅速啟動，并建立電壓，投入穩(wěn)定運(yùn)行，最終實(shí)現(xiàn)整個電站供電系統(tǒng)恢復(fù)?？罩揠姀S黑啟動設(shè)計之初和正常啟動機(jī)組程序基本一致，經(jīng)過多年運(yùn)行實(shí)踐，目前已優(yōu)化程序，當(dāng)全廠失壓時，因柴油發(fā)電機(jī)負(fù)荷有限，只有300 kW，而調(diào)速器電機(jī)功率為110 kV，空冷器冷卻水泵電機(jī)功率為37 kW，6 臺冷卻風(fēng)機(jī)功率共計66 kW，軸承油泵功率55 kW，軸承油冷卻水泵電機(jī)功率7.5 kW，廠區(qū)、滲漏排水泵電機(jī)功率共計110 KW，已超過柴油發(fā)電機(jī)總功率，因燈泡貫流式機(jī)組啟動實(shí)踐很短，經(jīng)試驗(yàn)10 min 內(nèi)可將機(jī)組開啟，短時間內(nèi)可不啟動廠區(qū)及滲漏排水泵，而定子轉(zhuǎn)子溫度在短時間內(nèi)也不可能上升過高，一臺直流高壓頂起油泵也能滿足機(jī)組啟動要求，對瓦無影響。經(jīng)優(yōu)化，黑啟動程序中只保留了廠用III段中機(jī)組調(diào)速器油泵電機(jī)及軸承油泵電機(jī)電源，其他電源全部斷開，黑啟動時電廠5 臺機(jī)組均能滿足啟動要求，并且可在監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)直接操作。遇到系統(tǒng)停電，電廠與系統(tǒng)解列的情況時，可在上位機(jī)任意啟動一臺機(jī)組，機(jī)組開啟后，直接勵磁，進(jìn)入空載狀態(tài)。

空洲電廠經(jīng)優(yōu)化后設(shè)計的以上黑啟動程序，可在燈泡貫流式機(jī)組電廠中廣泛推廣使用，此啟動程序已經(jīng)過多次驗(yàn)證，對機(jī)組本身無影響，并且可在最短時間內(nèi)完成。

4 機(jī)組孤網(wǎng)運(yùn)行問題

系統(tǒng)出現(xiàn)大面積停電，電廠與系統(tǒng)解列，即便是黑啟動成功，也面臨發(fā)電無法送出問題，廠內(nèi)排水系統(tǒng)無法正常運(yùn)行，最終將導(dǎo)致水淹廠房，給電廠帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，各電廠必須考慮發(fā)電機(jī)孤網(wǎng)運(yùn)行問題，孤網(wǎng)運(yùn)行最突出的特點(diǎn)，是由負(fù)荷控制轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率控制，要求調(diào)速系統(tǒng)具有符合要求的靜態(tài)特性、良好的穩(wěn)定性和動態(tài)響應(yīng)特性，以保證在用戶負(fù)荷變化的情況下自動保持電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定。這就是通常所說的一次調(diào)頻功能。運(yùn)行人員關(guān)注的問題不再是負(fù)荷調(diào)整，而是調(diào)整孤網(wǎng)頻率，使之維持在額定頻率的附近。這種調(diào)整通過操作調(diào)速系統(tǒng)的給定機(jī)構(gòu)來完成，成為二次調(diào)頻。由于孤網(wǎng)容量較小，其中旋轉(zhuǎn)慣量儲存的動能和鍋爐群所具備的熱力勢能均較小，要求機(jī)組的調(diào)速系統(tǒng)具有更高的靈敏度，更小的遲緩率和更快的動態(tài)響應(yīng)。空洲電廠因孤網(wǎng)運(yùn)行時負(fù)荷很小，在調(diào)速器死區(qū)范圍內(nèi)，故每次機(jī)組孤網(wǎng)運(yùn)行時，調(diào)速器穩(wěn)定性很差，負(fù)荷調(diào)整頻繁，導(dǎo)致調(diào)速器系統(tǒng)油溫經(jīng)常過高，經(jīng)多次探討，最終找到如下解決方案，使機(jī)組運(yùn)行達(dá)到穩(wěn)定。

當(dāng)電廠與系統(tǒng)解列后，立即啟動黑啟動程序，機(jī)組開啟之后，將調(diào)速器控制屏柜內(nèi)斷路器合閘節(jié)點(diǎn)解開，再在監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)手動合上機(jī)組出口斷路器，此時因調(diào)速器控制屏內(nèi)斷路器合閘節(jié)點(diǎn)已解開，調(diào)速器系統(tǒng)無法檢測斷路器狀態(tài)，故一直處于空載運(yùn)行狀態(tài)，不會產(chǎn)生大的擾動，運(yùn)行平穩(wěn)，所帶負(fù)荷能滿足近區(qū)及廠用電要求，經(jīng)多次試驗(yàn)后，此方案已很成熟，可以在類似電廠推廣。

5 結(jié) 語

由于水電機(jī)組結(jié)構(gòu)科學(xué)、合理，沒有復(fù)雜的輔機(jī)系統(tǒng)，廠用電也相對較少，機(jī)組啟動速度也較快，故機(jī)組黑啟動和孤網(wǎng)運(yùn)行相對較為簡單，空洲電廠還作為株洲地區(qū)黑啟動電源的電站，目前電廠已編制出較為完善的黑啟動和孤網(wǎng)運(yùn)行方案，不過尚未在株洲地區(qū)作為黑啟動電源試驗(yàn)過，還需進(jìn)行試驗(yàn)和演習(xí)，這也是目前仍需完善的地方，今后如有機(jī)會需與株洲電業(yè)局共同合作，進(jìn)行實(shí)戰(zhàn)演習(xí)，以備不時之需。