基于抽水蓄能機組黑啟動特性的調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

蔡衛(wèi)江，許 棟，孫永賓，徐宋成

（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院/南京南瑞集團公司，江蘇省南京市 211106）

基于抽水蓄能機組黑啟動特性的調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

蔡衛(wèi)江，許 棟，孫永賓，徐宋成

（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院/南京南瑞集團公司，江蘇省南京市 211106）

本文通過研究抽水蓄能機組黑啟動對調(diào)速器液壓控制系統(tǒng)的要求，指出了目前進口調(diào)速系統(tǒng)設(shè)備存在的問題和國內(nèi)設(shè)計上的不足，討論了大型抽水蓄能機組調(diào)速系統(tǒng)液壓裝置的配置及設(shè)計原則，提出了油壓裝置壓力罐容積計算方法、直流油泵的配置、主配壓閥的液壓控制回路設(shè)計、分段關(guān)閉裝置設(shè)計等，可以為我國大型蓄能電站調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計及改造提供有益借鑒。

抽水蓄能；黑啟動；調(diào)速系統(tǒng)；壓力罐容積；主配壓閥；分段關(guān)閉

0 引言

所謂黑啟動，是指整個系統(tǒng)因故障停運后系統(tǒng)全部停電，處于全“黑”狀態(tài)，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)。

抽水蓄能機組啟動迅速，運行靈活，負荷調(diào)整速度快、調(diào)整范圍大，是電力系統(tǒng)最理想的備用電源。在電網(wǎng)發(fā)生故障和負荷快速增長時，抽水蓄能機組的快速響應(yīng)能力可以起到緊急事故備用作用。可在無外界幫助的情況下，迅速自啟動，并通過輸電線路輸送啟動功率帶動其他機組，從而使電力系統(tǒng)在最短時間內(nèi)恢復(fù)供電能力。黑啟動已成為電網(wǎng)崩潰后系統(tǒng)恢復(fù)正常運行的重要措施之一。近年來，發(fā)生在幾個國家的幾次大停電事故使得電網(wǎng)崩潰后系統(tǒng)快速恢復(fù)正常運行引起了高度重視。而抽水蓄能電站的黑啟動已成為電網(wǎng)崩潰后系統(tǒng)恢復(fù)正常運行的重要措施之一[1-2]。

然而，我國在抽水蓄能電站調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計方面缺乏經(jīng)驗，一直沿用常規(guī)混流式機組的設(shè)計，在壓力罐容積、油泵、分段關(guān)閉裝置的配置方面往往沒有針對蓄能機組黑啟動等特點進行充分考慮[3]。早期由于大型蓄能電站一直采用國外設(shè)備，并不一定適應(yīng)中國國情，如進口主配壓閥的控制往往沒有設(shè)計純機械液壓操作回路，在電調(diào)柜發(fā)生故障情況下導(dǎo)葉無法手動操作，不能保證機組黑啟動功能的可靠實現(xiàn)[4]。

近年來，我國已經(jīng)實現(xiàn)了大型抽水蓄能電站調(diào)速系統(tǒng)的自主化，本文充分考慮蓄能機組黑啟動對調(diào)速器的要求，總結(jié)在大型蓄能機組調(diào)速系統(tǒng)國產(chǎn)化方面取得的實踐經(jīng)驗，對調(diào)速器液壓系統(tǒng)的設(shè)計提出了一些有益探討。

1 調(diào)速系統(tǒng)油壓裝置

1.1 壓力油罐

抽水蓄能機組在電力系統(tǒng)中承擔著調(diào)峰填谷、調(diào)頻調(diào)相和事故備用的任務(wù)，特別是在電網(wǎng)事故情況下還承擔著黑啟動的重要任務(wù)，該情況下電廠廠用電消失，需要依靠電站自身的儲能裝置將導(dǎo)葉開啟，啟動機組，帶動廠用電，同時啟動控制設(shè)備，控制機組并網(wǎng)，恢復(fù)電網(wǎng)供電，因此需要的蓄能器容量比常規(guī)機組要更大一些。按照常規(guī)設(shè)計，依據(jù)GB/T 9652.1—2007《水輪機控制系統(tǒng)技術(shù)條件》及國際標準IEC 61362—2012《水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)規(guī)范指南》推薦：在正常工作油壓下限和油泵不打油時，壓力罐的容積至少應(yīng)能在壓力降不超過正常工作油壓下限和最低操作油壓之差的條件下提供規(guī)定的各接力器行程數(shù)，一般按照3個導(dǎo)葉接力器行程，這里推薦蓄能機組應(yīng)該按照4.5～6個導(dǎo)葉接力器行程放大考慮。

按波義耳定律PVn=Const，n=1.3設(shè)計，壓力罐容積V0可按下式計算進行選擇：壓力罐容積計算如圖1所示。

式中Vu——壓力罐可用油的體積；

p0min——正常工作油壓下限；

pR——水泵水輪機接力器最低操作油壓；

VRES——剩余油量容積。剩余油量容積按下述方法決定：低油壓機組緊急停機后壓力罐內(nèi)剩余油的油面應(yīng)比出油管管口高2倍，防止壓力罐內(nèi)空氣進入壓力管道；如壓力罐裝在回油箱上，其油面的高低還應(yīng)能便于油面顯示。

圖1 壓力罐容積計算示意圖Fig. 1 The diagram of calculation for pressune oil tank volume

與常規(guī)機組比較，蓄能機組壓力罐容積考慮增加了1.5～3個接力器全行程的操作，成本會稍有上升，但由于蓄能機組接力器容積并不是很大，一般不超過0.5m3，壓力罐只需增加2～ 3m3，成本增加并不大，但可以對機組承擔黑啟動和恢復(fù)電網(wǎng)供電起到重要保障作用。

1.2 油泵及電機

考慮機組黑啟動過程中，交流電源消失，交流電機油泵不能正常運轉(zhuǎn)，建議在主備用兩臺大泵基礎(chǔ)上，單獨設(shè)置一臺小直流泵。直流油泵在火電廠已得到了廣泛應(yīng)用，主要在事故狀態(tài)下，保證機組潤滑需要的油壓。在水電站方面，直流油泵可以作為事故油泵，黃河上游班多水電站主機為大型軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機，采用直流油泵取代事故壓力油罐，用于事故情況下導(dǎo)葉緊急關(guān)閉提供油壓[5]。可見直流泵在交流消失情況下，為系統(tǒng)油壓的維持起到重要作用。但由于直流電機的控制系統(tǒng)較復(fù)雜，整體價格較貴，主要與容量有關(guān)，所以建議泵容量不必設(shè)置過大。機組啟動時導(dǎo)葉較大動作靠壓力油罐的儲能來保證，直流泵只需要滿足機組啟動到額定轉(zhuǎn)速附近后，調(diào)速器的空載調(diào)節(jié)直至并網(wǎng)即可。

一般蓄能機組導(dǎo)葉接力器容積在250～350L （取300L），按照機組空載導(dǎo)葉1min最快擺動10次，擺動范圍一般不超過導(dǎo)葉接力器3%計算，計算油泵流量約為90L/min（300×10×0.03），電機功率按公式Pu=PiQin/（3.6η） 計算，其中：Pi為油泵出口壓力，一般為6.3MPa。Qin為油泵的流量，單位：m3/h，η為電機效率，一般取0.85，計算可得直流電機功率約為11kW。

因此在成本允許的條件下，建議配置1臺11kW的直流電機和90L左右的油泵，補充機組在空載調(diào)節(jié)及帶廠用電或向線路充電時的油耗，確保蓄能機組黑啟動功能的可靠性。

2 液壓控制裝置

2.1 主配壓閥的先導(dǎo)控制功能設(shè)計

考慮極端情況下，若調(diào)速器電氣部分故障，黑啟動仍然需要開啟機組，這就需要調(diào)速器配置機械手動操作主配壓閥的機構(gòu)。目前抽水蓄能電站大多采用法國ALSTOM、美國GE、德國安德里茨公司的主配，均不具備純液壓手動操作功能。國內(nèi)引進后，往往需要外部增加附屬機械機構(gòu)來實現(xiàn)，但容易出現(xiàn)漂移，控制效果并不好。

根據(jù)抽蓄蓄能電站黑啟動的特殊需求，南瑞集團公司采用了相應(yīng)的改進設(shè)計，在主配控制方式上，采用了單端控制腔、另一端恒壓腔方式。針對主配壓閥復(fù)位方式，采用了液壓油缸復(fù)位設(shè)計，不僅可以較好地實現(xiàn)掉電關(guān)閉，滿足蓄能電站事故關(guān)閉的需求，而且可以實現(xiàn)純液壓手動操作，非常實用方便。同時針對主配壓閥的先導(dǎo)控制回路，設(shè)計有自動操作、電手動操作、純液壓手動操作、緊急停機關(guān)閉、失電自動關(guān)閉五大功能，且失電情況下，可以靈活選用主配自動關(guān)閉或自動復(fù)中，目前在很多水電站已得到廣泛應(yīng)用。圖2為南瑞公司生產(chǎn)的MDV系列主配壓閥液壓回路圖。

圖中FC為主配壓閥，采用單端控制，DZ為復(fù)中控制油缸。SV1、SV2為比例伺服閥，S1、S2為梭閥，EV2為選擇切換閥，上述閥組成自動控制時的雙冗余先導(dǎo)回路，EV3、EV6為電磁閥組成雙冗余緊急停機回路，任一電磁閥動作將直接關(guān)閉主配，EV1電磁閥和HV1液控閥組成復(fù)中油缸控制回路，可以在掉電和手動切換方式下控制復(fù)中油缸的投入，實現(xiàn)掉電關(guān)閉主配或自動復(fù)中。EV4、EV5閥可以在復(fù)中油缸投入時實現(xiàn)主配壓閥的開啟、關(guān)閉操作，用于純液壓手動操作回路。

上述液壓回路不僅具備上述五大控制功能，還具有如下特點：①可根據(jù)需要靈活設(shè)置成掉電關(guān)機或保持自復(fù)中；②選用梭閥和液控閥作為控制選擇回路，克服了常規(guī)采用電磁閥做掉電監(jiān)視存在的長期帶電問題，提高了設(shè)備可靠性。③可設(shè)計成純液壓機械手動，便于檢修維護和緊急控制（如黑啟動）時操作。與進口設(shè)備相比，該液壓控制回路及主配壓閥設(shè)計具有更靈活、更可靠的特點。

2.2 分段關(guān)閉裝置配置

機組黑啟動及向線路送電過程中，若出現(xiàn)機組事故需要快速關(guān)閉導(dǎo)葉，快速關(guān)閉將引起蝸殼流量的極大變化，而使管道產(chǎn)生較大的水力震蕩，所以要采取合適的關(guān)閉規(guī)律，一般采用兩段關(guān)閉規(guī)律。另外考慮到此時的供電系統(tǒng)不一定可靠，采用電磁閥作為先導(dǎo)驅(qū)動可能動作不了分段關(guān)閉裝置，所以先導(dǎo)控制部分需要考慮純機械液壓設(shè)計。此外由于蓄能機組具有水輪機工況和水泵工況，采用的分段關(guān)閉規(guī)律不同，所以設(shè)計時還需要考慮兩個問題，一是水輪機工況的分段關(guān)閉點設(shè)置和分段關(guān)閉速度調(diào)節(jié)，二是水泵工況的分段關(guān)閉點設(shè)置和分段關(guān)閉速度調(diào)節(jié)。

根據(jù)上述要求，南瑞集團公司針對抽水蓄能電站研制了專門的純機械式分段關(guān)閉裝置，該裝置可在不同機組工況下，根據(jù)調(diào)節(jié)保證計算要求，以不同速率、不同拐點來調(diào)節(jié)導(dǎo)水機構(gòu)的關(guān)閉速率。由于在水泵和水輪機兩個方向的關(guān)閉調(diào)節(jié)規(guī)律均獨立可調(diào)，它有效地實現(xiàn)了蓄能機組兩個旋轉(zhuǎn)方向的關(guān)機控制，解決了機組任意工況下緊急停機導(dǎo)葉關(guān)閉時的轉(zhuǎn)速上升和水壓上升兩者之間的平衡問題，保護了機組的安全。

圖2 MDV系列主配壓閥液壓控制原理圖Fig. 2 The hydraulic control diagram of the MDV type of main distributing valve

圖3 響水澗分段關(guān)閉裝置液壓原理Fig. 3 The hydraulic control diagram of the two-step closing device for the Xiangshuijian power station

圖3為安徽響水澗蓄能電站分段關(guān)閉裝置液壓原理圖。該裝置先導(dǎo)驅(qū)動部分由兩個行程換向閥和兩個電磁切換閥及一個液控閥組成，其中行程閥分別用于純機械模式下水泵及水輪機工況下分段點的選擇，切換閥主要用于電氣模式下上述兩種工況的選擇，液控閥則主要驅(qū)動主閥（插裝閥C5、C6、C7），分別用于兩種工況下的回路選擇和速度調(diào)節(jié)。該裝置可以靈活實現(xiàn)兩種工況下的導(dǎo)葉關(guān)閉分段點和關(guān)閉速度調(diào)節(jié)，且導(dǎo)葉開啟不受影響，滿足機組黑啟過程中萬一機組發(fā)生故障需要緊急關(guān)閉導(dǎo)葉的要求。

3 結(jié)束語

近年來抽水蓄能電站的建設(shè)發(fā)展迅速，國外產(chǎn)品在大型抽水蓄能電站還有不少應(yīng)用，然而其技術(shù)發(fā)展遲緩，不愿適應(yīng)中國的國情而更改，迫切需要我們研究相應(yīng)的設(shè)計方案和針對性產(chǎn)品。目前我國已經(jīng)實現(xiàn)了大型抽水蓄能電站調(diào)速系統(tǒng)的自主化，本文充分考慮蓄能機組黑啟動對調(diào)速器的要求，總結(jié)在大型蓄能機組調(diào)速系統(tǒng)國產(chǎn)化方面取得的實踐經(jīng)驗，對調(diào)速器壓力油罐容量計算、主配壓閥的液壓控制回路設(shè)計、分段關(guān)閉設(shè)計等方面提出了建設(shè)性思路，可供大型抽水蓄能電站調(diào)速器液壓系統(tǒng)設(shè)計參考。

[1] 何靈子，徐佩剛.淺談抽水蓄能電站的黑啟動試驗方案[J]. 水電站機電技術(shù)，2012，35（4）：26-28.HE Linzi，XU Peigang. Talk about the Black Start-up Test for Pumped Storage Power Station [J]. Mechanical and Electronic Technology of Hydropower Station，2012，35（4）：26-28.

[2] 張家坤. 抽水蓄能電站黑啟動應(yīng)用研究[D]. 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文，2010，1-3.ZHANG Jiakun. The Research on Black Start-up Application of Pumped Storage Power Station [D]. Master’s Thesis of North China Electric Power University，2010，1-3.

[3] 曾繼倫等. 抽水蓄能機組調(diào)速器液壓系統(tǒng)設(shè)計[J]. 第一屆水力發(fā)電技術(shù)國際會議論文集，2006，1239-1243.ZENG Jilun. The Hydraulic Design of Hydro-turbine governor for Pumped Storage Unit [J]. The 2th on International Conference Hydropower Technology and Equipment Proceedings，2006，1239-1243.

[4] 劉淑娟等. 抽水蓄能機組單導(dǎo)葉控制調(diào)速器常見故障模式及維護策略 [J]. 水力發(fā)電，2014，40（11），71-74.LIU Shujuan. The Common Failure Mode and Maintenance Strategy of Hydro-turbine Governor for Individual Guide-vane Pumped Storage Unit[J]. Hydroelectric Power，2014，40（11），71-74.

[5] 魏強，魏勇，班多水電站事故油泵替代事故壓力油罐淺析 [J].青海電力，2011，30（1），28-30.WEI Qiang，WEI Yong. A Brief Analysis of the Replace of Using Accident Pump for Accident Tank on Banduo Hydro-Power Station [J]. Electric Power in Qinghai Province，2011，30（1），28-30.

2017-01-09

2017-04-18

蔡衛(wèi)江（1970—），男，高級工程師，主要研究方向：水電站水輪機調(diào)速系統(tǒng)、綜合自動化控制裝置的研究和設(shè)計等。E-mail：13913826369@139.com

許 棟（1984—），男，工程師，主要研究方向：水電站水輪機調(diào)速系統(tǒng)、綜合自動化控制裝置的研究和設(shè)計等。E-mail：xudong@sgepri.sgcc.com.cn

孫永賓 （1985—） 男，助理工程師，主要研究方向：水電廠綜合自動化系統(tǒng)、水輪機控制系統(tǒng)的技術(shù)支持和營銷。E-mail：sunyongbin@sgepri.sgcc.com.cn

徐宋成（1983—），男，助理工程師，主要研究方向：水電廠綜合自動化系統(tǒng)、水輪機控制系統(tǒng)的技術(shù)支持和營銷。E-mail：xusongcheng@sgepri.sgcc.com.cn

Design of Turbine Governor for Pumped-Storage Units Based on Black Start

CAI Weijiang，XU Dong，SUN Yongbin，XU Songcheng
（State Grid Electric Power Research Institute，Nanjing 211106，China）

On the base of the black start of pumped-storage units，the requirements of turbine governor are developed.Currently domestic imported governors still remain some problems and shortages in design. The principle of configure and design for hydraulic system of governor are discussed in this paper. The calculating method of Pressure tank volume，the configure of DC motor，hydraulic circuit design of main distributing valve and the design of two-step closing device are proposed. It can provide the useful references for the design of governor of large pumpedstorage stations in our country.

pumped-storage；black start；turbine governor；Pressure tank volume； main distributing valve；two-step closing device

TM312

A學(xué)科代碼：470.40

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.03.017