水輪發(fā)電機(jī)黑啟動(dòng)及孤網(wǎng)運(yùn)行研究

凌云峰，胡鵬

[摘? ? 要]對(duì)于水電廠機(jī)組運(yùn)維管理來(lái)說(shuō)，一旦出現(xiàn)全廠失壓的情況，必須將機(jī)組快速開(kāi)啟，恢復(fù)廠內(nèi)供電，一旦無(wú)法及時(shí)恢復(fù)廠用電，水電廠將面臨水淹廠房的危險(xiǎn)。水輪發(fā)電機(jī)的黑啟動(dòng)及孤網(wǎng)運(yùn)行每個(gè)電廠都必須面對(duì)，文章主要對(duì)空洲電廠機(jī)組黑啟動(dòng)后，孤網(wǎng)運(yùn)行進(jìn)行研究，分析了當(dāng)前空州電廠實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中存在的問(wèn)題，并提出相應(yīng)的發(fā)展意見(jiàn)與建議，從而增強(qiáng)空洲電廠實(shí)際運(yùn)行效益。

[關(guān)鍵詞]空洲電廠;黑啟動(dòng);孤網(wǎng)運(yùn)行;改善效果

[中圖分類(lèi)號(hào)]TV734.21 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2022）02–0–03

Study Black Start and Isolated Grid Operation of Hydro-generator

Ling Yun-feng，Hu Peng

[Abstract]For the operation and maintenance management of hydropower plant units， once the whole plant loses pressure， the unit must be quickly turned on to restore the power supply in the plant. Once the power supply cannot be restored in time， the hydropower plant will face the danger of flooding the plant. The black-start and isolated grid operation of hydro-generators must be faced by every power plant. In this paper， after the black-start of the units in Kongzhou Power Plant， the isolated grid operation will take the entire near area to make some technical discussions and analyze the current actual operation of Kongzhou Power Plant. The problems existing in the process， and corresponding development opinions and suggestions are given， so as to enhance the actual operation efficiency of Kongzhou Power Plant.

[Keywords]Kongzhou power plant; black start; isolated grid operation; improvement effect

在電廠實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中機(jī)組網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行情況對(duì)電廠性能具有一定的影響，為了保證電廠正常供電，增強(qiáng)電廠供電效益，要求不斷加強(qiáng)對(duì)電廠設(shè)備的有效關(guān)注，更好地保證電廠機(jī)組設(shè)備的綜合性能，要求對(duì)電廠機(jī)組網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行分析，有效關(guān)注設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行情況，切實(shí)分析機(jī)組網(wǎng)絡(luò)與電廠實(shí)際運(yùn)行情況之間的關(guān)系，研究當(dāng)前機(jī)組網(wǎng)絡(luò)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的問(wèn)題，并對(duì)此提出有針對(duì)性的解決方案，從而更好地保證電廠設(shè)備的有效運(yùn)行。

1 電廠情況概述

湖南發(fā)展集團(tuán)股份有限公司株洲航電分公司（電力系統(tǒng)內(nèi)名稱(chēng)為空“洲電廠”）位于湖南省株洲市天元區(qū)雷打石鎮(zhèn)湘江干流空洲島處，上游水庫(kù)正常蓄水位40.5 m，相應(yīng)庫(kù)容4.743億m3。電廠共設(shè)計(jì)安裝了5臺(tái)燈泡貫流式發(fā)電機(jī)，每臺(tái)發(fā)電機(jī)額定容量為30 MW，全部裝機(jī)容量為150（5×30）MW，主變壓器2臺(tái)（1#主變?nèi)萘繛?3 000 kVA，2#主變?nèi)萘繛?00 000 kVA），1#、2#發(fā)電機(jī)及3#、4#、5#發(fā)電機(jī)分別由1#主變、2#主變經(jīng)1條220 kV母線通過(guò)空王Ⅰ線及空王Ⅱ線并入對(duì)側(cè)王家坪變電站，廠用變壓器2臺(tái)（容量為1 600 kVA），近區(qū)變壓器1臺(tái)（容量為5 000 kVA），10.5 kV近區(qū)線路5回。當(dāng)前空洲電廠實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中已經(jīng)具備了相應(yīng)的各項(xiàng)設(shè)備，設(shè)備運(yùn)行的各項(xiàng)條件已經(jīng)成熟，在設(shè)備實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中具有顯著的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，對(duì)系統(tǒng)的有效運(yùn)行提供了必要的設(shè)備與技術(shù)支持。

2 水輪發(fā)電機(jī)黑啟動(dòng)需具備的條件

為了保證水輪發(fā)電機(jī)組的有效運(yùn)行，要求在設(shè)備實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中能夠具備相關(guān)的運(yùn)行條件，包括設(shè)備本身的運(yùn)行情況以及電力運(yùn)行需求等，從而在電力設(shè)備實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中能夠達(dá)到相應(yīng)的運(yùn)行要求。電力設(shè)備運(yùn)行中的一些實(shí)際要求與問(wèn)題主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

2.1 機(jī)組發(fā)電的能量來(lái)源

電力設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中首要解決的問(wèn)題之一即為電力能量問(wèn)題，要求能夠?yàn)殡娏C(jī)組的有效運(yùn)行提供必要的能源與設(shè)備支持。水電廠發(fā)電機(jī)組的目的就是將水能轉(zhuǎn)變成電能，通過(guò)水沖擊槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)，再由槳葉帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子在定子內(nèi)旋轉(zhuǎn)切割磁力線產(chǎn)生電流，再通過(guò)定子將電流輸出，從而實(shí)現(xiàn)水能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，因此水能是水輪發(fā)電機(jī)能夠發(fā)電所需具備的首要條件。這是當(dāng)前水電廠運(yùn)行中主要采取的技術(shù)處理方式之一，很多水電廠在發(fā)展過(guò)程中為了更好地利用能源，不斷加強(qiáng)對(duì)相關(guān)能源設(shè)備的有效研究與利用，與當(dāng)?shù)仉娏Ξa(chǎn)能工作的實(shí)際開(kāi)展需要與要求相結(jié)合，在電廠內(nèi)部探索構(gòu)建相應(yīng)的發(fā)展模式，不斷加強(qiáng)對(duì)相關(guān)能源設(shè)備的有效開(kāi)發(fā)與利用，增強(qiáng)設(shè)備利用效率?？罩揠姀S水輪發(fā)電機(jī)為哈爾濱電廠生產(chǎn)的燈泡貫流式機(jī)組，最低設(shè)計(jì)發(fā)電水頭為3 m，特殊情況下2.5 m也可發(fā)電，電廠位于湘江干流，屬于低水頭電站，湘江水量充裕，根據(jù)《湖南省主要河流控制斷面生態(tài)流量方案》（湘水發(fā)[2019]17號(hào)）要求，空洲電廠生態(tài)流量不小于239 m3/s，而機(jī)組黑啟動(dòng)及孤網(wǎng)運(yùn)行所需流量?jī)H為35 m3/s，所以水能完全能滿足機(jī)組運(yùn)行要求。

2.2 調(diào)速器系統(tǒng)要求

為了保證電力機(jī)組網(wǎng)絡(luò)的有效運(yùn)行，要求加強(qiáng)對(duì)設(shè)備機(jī)組運(yùn)行性能的研究與分析，其中的重要構(gòu)成之一為調(diào)速器系統(tǒng)運(yùn)行問(wèn)題。調(diào)速器系統(tǒng)正常是機(jī)組啟動(dòng)的必備條件，燈泡貫流式機(jī)組導(dǎo)葉槳葉的開(kāi)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(dòng)的正常進(jìn)行。水電機(jī)組在啟動(dòng)試運(yùn)行期間，需按照《水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范（GB/T 8564—2003）》及《燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)安裝工藝規(guī)程（DL/T 5038—2012）》的規(guī)定，需要開(kāi)展機(jī)組調(diào)速器液壓系統(tǒng)低壓力開(kāi)機(jī)試驗(yàn)，而空洲電廠機(jī)組在調(diào)試期間已做過(guò)低壓?jiǎn)C(jī)試驗(yàn)，調(diào)速器系統(tǒng)開(kāi)啟導(dǎo)葉壓力最低只需4.2 MPa。調(diào)速器系統(tǒng)電氣控制部分為北京中水科生產(chǎn)，液壓部分為哈爾濱電機(jī)廠生產(chǎn)，調(diào)試器液壓系統(tǒng)的保壓能力較強(qiáng)，機(jī)組運(yùn)行時(shí)壓力控制在5.6～6.0 MPa，該調(diào)速器的特點(diǎn)是機(jī)組緊急停機(jī)時(shí)導(dǎo)葉接力器有壓和無(wú)壓腔通過(guò)旁通閥接通直接關(guān)閉導(dǎo)葉，在全廠失壓的情況下，不需要消耗油壓，就可將機(jī)組停下來(lái)，對(duì)下一次開(kāi)機(jī)無(wú)任何影響。調(diào)速器電氣控制部分采用交、直流兩路電源供電，在全廠失壓交流電源消失的情況下，直流系統(tǒng)可直接對(duì)調(diào)速器電氣控制柜供電，確保調(diào)速器系統(tǒng)能正常工作。

2.3 直流系統(tǒng)要求

空洲電廠直流系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)，由廠用交流電通過(guò)整流柜整流后通過(guò)直流母線輸出供電，有兩組直流蓄電池，單個(gè)電池容量為500 Ah，每組電池為108個(gè)，正常情況下直流蓄電池通過(guò)交流浮充電為蓄電池充電。當(dāng)出現(xiàn)全廠失壓時(shí)，直流系統(tǒng)自動(dòng)切換至蓄電池供電，經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證兩組蓄電池至少可提供全廠機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)、勵(lì)磁系統(tǒng)、調(diào)速器系統(tǒng)及事故照明、直流高壓頂起油泵、軸承油電動(dòng)球閥等輔助設(shè)備供電3 h以上，不斷優(yōu)化直流系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況，建立系統(tǒng)性的發(fā)展與管理機(jī)制，增強(qiáng)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行效益，為機(jī)組黑啟動(dòng)所必備的直流電源提供了充分保證。

2.4 機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)要求

發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)是供給同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的電源及其附屬設(shè)備的統(tǒng)稱(chēng)。它一般由勵(lì)磁功率單元和勵(lì)磁調(diào)節(jié)器兩個(gè)主要部分組成，包括直流勵(lì)磁機(jī)、無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)、交流勵(lì)磁機(jī)等，勵(lì)磁系統(tǒng)是機(jī)組發(fā)電的必備要求，必須滿足并保證勵(lì)磁系統(tǒng)的有效運(yùn)行?？罩揠姀S機(jī)組勵(lì)磁為廣州電力科學(xué)研究院生產(chǎn)，屬于自并激勵(lì)磁系統(tǒng)，有殘壓起勵(lì)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(tái)機(jī)組零起升壓要求。勵(lì)磁變壓器為干式變壓器，所以不存在冷卻問(wèn)題。故全廠失壓情況下，勵(lì)磁系統(tǒng)可以滿足機(jī)組黑啟動(dòng)要求。

2.5 廠用交流電要求

空洲電廠廠用交流電共分為3段，分別是廠用電Ⅰ段、廠用電Ⅱ段和廠用電Ⅲ段，且3段廠用電互為備用，廠用電Ⅰ段和廠用電Ⅲ段可分別通過(guò)斷路器帶廠用電Ⅱ獨(dú)立運(yùn)行，也可3段廠用電通過(guò)斷路器連接在一起運(yùn)行。機(jī)組輔機(jī)電源由兩臺(tái)800 A的斷路器連接至廠用電Ⅰ段和廠用電Ⅲ段，2臺(tái)斷路器互為備用，兩臺(tái)斷路器自帶備自投裝置，可隨時(shí)相互切換，但不能同時(shí)投入運(yùn)行。全廠保安電源為1臺(tái)300 kW的柴油發(fā)電機(jī)，柴油發(fā)電機(jī)接入廠用電Ⅱ段中。

全廠失壓的情況下，需將與廠用電Ⅰ段或廠用電Ⅲ段與廠用Ⅱ段相連接的斷路器斷開(kāi)，確保柴油發(fā)電機(jī)只給廠用電Ⅰ段、廠用電Ⅱ段或廠用電Ⅲ段供電。根據(jù)實(shí)際檢驗(yàn)，廠用交流電的設(shè)計(jì)能滿足機(jī)組黑啟動(dòng)要求。

3 發(fā)電機(jī)黑啟動(dòng)概述

水電廠機(jī)組黑啟動(dòng)是指因某種原因?qū)е码姀S與電力系統(tǒng)解列或與電廠相連的電力網(wǎng)絡(luò)停電處于全“黑”狀態(tài)，不依賴(lài)別的網(wǎng)絡(luò)幫助，通過(guò)電廠內(nèi)具有自啟動(dòng)能力的發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)，在電網(wǎng)短時(shí)間無(wú)法恢復(fù)的情況下，建立電壓，投入穩(wěn)定運(yùn)行，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)電站供電系統(tǒng)恢復(fù)。為了提升區(qū)域電網(wǎng)運(yùn)行效率與穩(wěn)定性，當(dāng)前很多電廠在實(shí)際運(yùn)行中均采用了黑啟動(dòng)運(yùn)行方式，能夠顯著提升系統(tǒng)運(yùn)行效益，為水電廠運(yùn)行、操作與維修管理提供了一定的技術(shù)處理方式。空洲電廠機(jī)組黑啟動(dòng)程序經(jīng)過(guò)多年優(yōu)化，簡(jiǎn)化了開(kāi)機(jī)流程，空冷器冷卻水泵、冷卻風(fēng)機(jī)均不啟動(dòng)，機(jī)組黑啟動(dòng)時(shí)各系統(tǒng)所需的直流電源來(lái)自于直流系統(tǒng)，輔機(jī)只需要啟動(dòng)一臺(tái)軸承油泵、一臺(tái)調(diào)速器油泵和軸承油冷卻水泵即可滿足開(kāi)機(jī)要求，一臺(tái)直流高壓頂起油泵可滿足開(kāi)機(jī)要求，故交流高壓頂起油泵可不投入運(yùn)行。廠內(nèi)保安電源柴油發(fā)電機(jī)功率只有300 kW，調(diào)速器油泵功率為110 kW，軸承油泵功率為37 kW，軸承油冷卻水泵功率7.5 kW，柴油發(fā)電機(jī)功率滿足開(kāi)機(jī)要求。

機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，突然出現(xiàn)全廠失壓情況時(shí)，所有機(jī)組全部進(jìn)入緊急停機(jī)流程，機(jī)組緊急停機(jī)后，立即現(xiàn)場(chǎng)檢查機(jī)組設(shè)備情況，現(xiàn)地復(fù)歸所有影響開(kāi)機(jī)的信號(hào)，至廠用配電室斷開(kāi)廠用電Ⅰ段或廠用電Ⅲ段聯(lián)絡(luò)斷路器，斷開(kāi)廠用配電屏上多余的負(fù)荷開(kāi)關(guān)，只留下一臺(tái)機(jī)組的輔機(jī)進(jìn)線電源，確認(rèn)機(jī)組已無(wú)缺陷后，上位機(jī)直接黑啟動(dòng)機(jī)組開(kāi)機(jī)，因燈泡貫流式機(jī)組啟動(dòng)實(shí)踐很短，經(jīng)試驗(yàn)10 min內(nèi)可將機(jī)組開(kāi)啟，短時(shí)間內(nèi)可不啟動(dòng)廠區(qū)及滲漏排水泵，而定子轉(zhuǎn)子溫度在短時(shí)間內(nèi)也不可能上升過(guò)高。機(jī)組通過(guò)黑啟動(dòng)程序開(kāi)機(jī)進(jìn)入空轉(zhuǎn)狀態(tài)，啟動(dòng)勵(lì)磁系統(tǒng)，機(jī)組轉(zhuǎn)入空載狀態(tài)，黑啟動(dòng)過(guò)程結(jié)束。經(jīng)實(shí)際檢驗(yàn)，空洲電廠5臺(tái)機(jī)組均具備黑啟動(dòng)能力。

空洲電廠優(yōu)化后的黑啟動(dòng)程序，經(jīng)實(shí)踐證明，完全能滿足機(jī)組開(kāi)機(jī)要求，對(duì)機(jī)組設(shè)備不會(huì)造成任何損傷，可在其他燈泡貫流式機(jī)組推廣運(yùn)用。

4 發(fā)電機(jī)機(jī)組孤網(wǎng)運(yùn)行

水輪發(fā)電機(jī)孤網(wǎng)運(yùn)行就是發(fā)電機(jī)與電力網(wǎng)絡(luò)解列，所發(fā)出的電用于廠內(nèi)設(shè)備，確保廠內(nèi)各系統(tǒng)正常運(yùn)行，所以機(jī)組孤網(wǎng)運(yùn)行首先要考慮的就是在任何情況下，必須要保住廠用電，防止水淹廠房，還要注意的就是機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中的電壓和頻率問(wèn)題，頻率變化超過(guò)0.2 Hz，機(jī)組調(diào)速器系統(tǒng)會(huì)頻繁動(dòng)作，油溫將會(huì)升高，且對(duì)用電設(shè)備也會(huì)造成損害。機(jī)組孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，由于已與電網(wǎng)解列，機(jī)組無(wú)法獲取系統(tǒng)電壓，頻率和電壓不會(huì)和并網(wǎng)時(shí)一樣穩(wěn)定，因此對(duì)機(jī)組調(diào)速器系統(tǒng)提出更高的要求，空洲電廠孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)負(fù)荷很小，導(dǎo)致機(jī)組不穩(wěn)定，為解決機(jī)組孤網(wǎng)運(yùn)行部穩(wěn)定問(wèn)題，對(duì)調(diào)速器系統(tǒng)進(jìn)行改造，將調(diào)速器電氣控制系統(tǒng)更換為北京中水科水電科技開(kāi)發(fā)有限公司生產(chǎn)的控制系統(tǒng)，程序內(nèi)設(shè)計(jì)了機(jī)組孤網(wǎng)運(yùn)行模式，該模式下調(diào)速器不采集機(jī)組出口斷路器合閘節(jié)點(diǎn)，調(diào)速器程序默認(rèn)為機(jī)組仍處于空載狀態(tài)，因此輸出功率基本保持不變，調(diào)速器基本不會(huì)調(diào)節(jié)，而多次實(shí)踐證明，該狀態(tài)下孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)全廠設(shè)備功率也基本可以保持無(wú)大的變化。

空洲電廠機(jī)組黑啟動(dòng)前，需要將主變高壓側(cè)斷路器斷開(kāi)，如用1#或2#發(fā)電機(jī)孤網(wǎng)運(yùn)行，因1#、2#機(jī)組與10.5 kVⅠ段母線相連，而10.5 kVⅠ段母線通過(guò)1#廠用變與廠用電Ⅰ段連接，所以此時(shí)需要將廠用電Ⅰ段與Ⅱ段之間的聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，待機(jī)組黑啟動(dòng)完成，轉(zhuǎn)入孤網(wǎng)運(yùn)行將廠用Ⅰ段電恢復(fù)后，再將柴油發(fā)電機(jī)停止，機(jī)組輔機(jī)動(dòng)力進(jìn)線電源會(huì)自動(dòng)切換到由廠用Ⅰ段供電，如用3#、4#或5#發(fā)電機(jī)孤網(wǎng)運(yùn)行，同理則需斷開(kāi)廠用Ⅲ段與Ⅱ段之間的聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)。

空洲電廠機(jī)組孤網(wǎng)運(yùn)行方案已進(jìn)行過(guò)多次試驗(yàn)和實(shí)際檢查，方案成熟，可以在類(lèi)似電廠進(jìn)行推廣應(yīng)用。

5 結(jié)語(yǔ)

水電廠傳統(tǒng)黑啟動(dòng)過(guò)程中容易出現(xiàn)一些問(wèn)題，例如采用不同期的作業(yè)方式，缺乏外電源供給，機(jī)組電網(wǎng)運(yùn)行往往在孤立的狀態(tài)下進(jìn)行，在換向倒閘合閘過(guò)程中時(shí)間容易被拖延，影響了系統(tǒng)的有效運(yùn)行。空洲電廠作為系統(tǒng)指定的株洲地區(qū)黑啟動(dòng)電源點(diǎn)，目前已編寫(xiě)了較為完善的機(jī)組黑啟動(dòng)和孤網(wǎng)運(yùn)行的預(yù)案，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)大面積停電情況，將立即啟動(dòng)預(yù)案，首先將機(jī)組開(kāi)啟確保廠內(nèi)設(shè)備正常，然后逐臺(tái)開(kāi)啟其他機(jī)組往王家坪變電站送電。不過(guò)目前尚未在株洲地區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)，今后將與電力系統(tǒng)合作，開(kāi)展實(shí)踐演練，確保系統(tǒng)能正常供電。

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