水輪發(fā)電機黑啟動及孤網(wǎng)運行研究

凌云峰，胡鵬

[摘? ? 要]對于水電廠機組運維管理來說，一旦出現(xiàn)全廠失壓的情況，必須將機組快速開啟，恢復廠內供電，一旦無法及時恢復廠用電，水電廠將面臨水淹廠房的危險。水輪發(fā)電機的黑啟動及孤網(wǎng)運行每個電廠都必須面對，文章主要對空洲電廠機組黑啟動后，孤網(wǎng)運行進行研究，分析了當前空州電廠實際運行過程中存在的問題，并提出相應的發(fā)展意見與建議，從而增強空洲電廠實際運行效益。

[關鍵詞]空洲電廠;黑啟動;孤網(wǎng)運行;改善效果

[中圖分類號]TV734.21 [文獻標志碼]A [文章編號]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

在電廠實際運行過程中機組網(wǎng)絡運行情況對電廠性能具有一定的影響，為了保證電廠正常供電，增強電廠供電效益，要求不斷加強對電廠設備的有效關注，更好地保證電廠機組設備的綜合性能，要求對電廠機組網(wǎng)絡的運行分析，有效關注設備的實際運行情況，切實分析機組網(wǎng)絡與電廠實際運行情況之間的關系，研究當前機組網(wǎng)絡實際運行過程中的問題，并對此提出有針對性的解決方案，從而更好地保證電廠設備的有效運行。

1 電廠情況概述

湖南發(fā)展集團股份有限公司株洲航電分公司（電力系統(tǒng)內名稱為空“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，上游水庫正常蓄水位40.5 m，相應庫容4.743億m3。電廠共設計安裝了5臺燈泡貫流式發(fā)電機，每臺發(fā)電機額定容量為30 MW，全部裝機容量為150（5×30）MW，主變壓器2臺（1#主變容量為63 000 kVA，2#主變容量為100 000 kVA），1#、2#發(fā)電機及3#、4#、5#發(fā)電機分別由1#主變、2#主變經(jīng)1條220 kV母線通過空王Ⅰ線及空王Ⅱ線并入對側王家坪變電站，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），10.5 kV近區(qū)線路5回。當前空洲電廠實際運行過程中已經(jīng)具備了相應的各項設備，設備運行的各項條件已經(jīng)成熟，在設備實際運行過程中具有顯著的應用優(yōu)勢，對系統(tǒng)的有效運行提供了必要的設備與技術支持。

2 水輪發(fā)電機黑啟動需具備的條件

為了保證水輪發(fā)電機組的有效運行，要求在設備實際運行過程中能夠具備相關的運行條件，包括設備本身的運行情況以及電力運行需求等，從而在電力設備實際運行過程中能夠達到相應的運行要求。電力設備運行中的一些實際要求與問題主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

2.1 機組發(fā)電的能量來源

電力設備運行過程中首要解決的問題之一即為電力能量問題，要求能夠為電力機組的有效運行提供必要的能源與設備支持。水電廠發(fā)電機組的目的就是將水能轉變成電能，通過水沖擊槳葉轉動，再由槳葉帶動發(fā)電機轉子轉動，轉子在定子內旋轉切割磁力線產生電流，再通過定子將電流輸出，從而實現(xiàn)水能轉變?yōu)殡娔?，因此水能是水輪發(fā)電機能夠發(fā)電所需具備的首要條件。這是當前水電廠運行中主要采取的技術處理方式之一，很多水電廠在發(fā)展過程中為了更好地利用能源，不斷加強對相關能源設備的有效研究與利用，與當?shù)仉娏Ξa能工作的實際開展需要與要求相結合，在電廠內部探索構建相應的發(fā)展模式，不斷加強對相關能源設備的有效開發(fā)與利用，增強設備利用效率?？罩揠姀S水輪發(fā)電機為哈爾濱電廠生產的燈泡貫流式機組，最低設計發(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）要求，空洲電廠生態(tài)流量不小于239 m3/s，而機組黑啟動及孤網(wǎng)運行所需流量僅為35 m3/s，所以水能完全能滿足機組運行要求。

2.2 調速器系統(tǒng)要求

為了保證電力機組網(wǎng)絡的有效運行，要求加強對設備機組運行性能的研究與分析，其中的重要構成之一為調速器系統(tǒng)運行問題。調速器系統(tǒng)正常是機組啟動的必備條件，燈泡貫流式機組導葉槳葉的開關完全由調速器系統(tǒng)控制，保證調速器系統(tǒng)正常，才能保證黑啟動的正常進行。水電機組在啟動試運行期間，需按照《水輪發(fā)電機組安裝技術規(guī)范（GB/T 8564—2003）》及《燈泡貫流式水輪發(fā)電機安裝工藝規(guī)程（DL/T 5038—2012）》的規(guī)定，需要開展機組調速器液壓系統(tǒng)低壓力開機試驗，而空洲電廠機組在調試期間已做過低壓啟機試驗，調速器系統(tǒng)開啟導葉壓力最低只需4.2 MPa。調速器系統(tǒng)電氣控制部分為北京中水科生產，液壓部分為哈爾濱電機廠生產，調試器液壓系統(tǒng)的保壓能力較強，機組運行時壓力控制在5.6～6.0 MPa，該調速器的特點是機組緊急停機時導葉接力器有壓和無壓腔通過旁通閥接通直接關閉導葉，在全廠失壓的情況下，不需要消耗油壓，就可將機組停下來，對下一次開機無任何影響。調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)可直接對調速器電氣控制柜供電，確保調速器系統(tǒng)能正常工作。

2.3 直流系統(tǒng)要求

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

2.4 機組勵磁系統(tǒng)要求

發(fā)電機勵磁系統(tǒng)是供給同步發(fā)電機勵磁電流的電源及其附屬設備的統(tǒng)稱。它一般由勵磁功率單元和勵磁調節(jié)器兩個主要部分組成，包括直流勵磁機、無刷勵磁機、交流勵磁機等，勵磁系統(tǒng)是機組發(fā)電的必備要求，必須滿足并保證勵磁系統(tǒng)的有效運行?？罩揠姀S機組勵磁為廣州電力科學研究院生產，屬于自并激勵磁系統(tǒng)，有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)可以滿足機組黑啟動要求。

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段可分別通過斷路器帶廠用電Ⅱ獨立運行，也可3段廠用電通過斷路器連接在一起運行。機組輔機電源由兩臺800 A的斷路器連接至廠用電Ⅰ段和廠用電Ⅲ段，2臺斷路器互為備用，兩臺斷路器自帶備自投裝置，可隨時相互切換，但不能同時投入運行。全廠保安電源為1臺300 kW的柴油發(fā)電機，柴油發(fā)電機接入廠用電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，確保柴油發(fā)電機只給廠用電Ⅰ段、廠用電Ⅱ段或廠用電Ⅲ段供電。根據(jù)實際檢驗，廠用交流電的設計能滿足機組黑啟動要求。

3 發(fā)電機黑啟動概述

水電廠機組黑啟動是指因某種原因導致電廠與電力系統(tǒng)解列或與電廠相連的電力網(wǎng)絡停電處于全“黑”狀態(tài)，不依賴別的網(wǎng)絡幫助，通過電廠內具有自啟動能力的發(fā)電機組啟動，在電網(wǎng)短時間無法恢復的情況下，建立電壓，投入穩(wěn)定運行，最終實現(xiàn)整個電站供電系統(tǒng)恢復。為了提升區(qū)域電網(wǎng)運行效率與穩(wěn)定性，當前很多電廠在實際運行中均采用了黑啟動運行方式，能夠顯著提升系統(tǒng)運行效益，為水電廠運行、操作與維修管理提供了一定的技術處理方式?？罩揠姀S機組黑啟動程序經(jīng)過多年優(yōu)化，簡化了開機流程，空冷器冷卻水泵、冷卻風機均不啟動，機組黑啟動時各系統(tǒng)所需的直流電源來自于直流系統(tǒng)，輔機只需要啟動一臺軸承油泵、一臺調速器油泵和軸承油冷卻水泵即可滿足開機要求，一臺直流高壓頂起油泵可滿足開機要求，故交流高壓頂起油泵可不投入運行。廠內保安電源柴油發(fā)電機功率只有300 kW，調速器油泵功率為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)電機功率滿足開機要求。

機組運行過程中，突然出現(xiàn)全廠失壓情況時，所有機組全部進入緊急停機流程，機組緊急停機后，立即現(xiàn)場檢查機組設備情況，現(xiàn)地復歸所有影響開機的信號，至廠用配電室斷開廠用電Ⅰ段或廠用電Ⅲ段聯(lián)絡斷路器，斷開廠用配電屏上多余的負荷開關，只留下一臺機組的輔機進線電源，確認機組已無缺陷后，上位機直接黑啟動機組開機，因燈泡貫流式機組啟動實踐很短，經(jīng)試驗10 min內可將機組開啟，短時間內可不啟動廠區(qū)及滲漏排水泵，而定子轉子溫度在短時間內也不可能上升過高。機組通過黑啟動程序開機進入空轉狀態(tài)，啟動勵磁系統(tǒng)，機組轉入空載狀態(tài)，黑啟動過程結束。經(jīng)實際檢驗，空洲電廠5臺機組均具備黑啟動能力。

空洲電廠優(yōu)化后的黑啟動程序，經(jīng)實踐證明，完全能滿足機組開機要求，對機組設備不會造成任何損傷，可在其他燈泡貫流式機組推廣運用。

4 發(fā)電機機組孤網(wǎng)運行

水輪發(fā)電機孤網(wǎng)運行就是發(fā)電機與電力網(wǎng)絡解列，所發(fā)出的電用于廠內設備，確保廠內各系統(tǒng)正常運行，所以機組孤網(wǎng)運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，還要注意的就是機組在運行過程中的電壓和頻率問題，頻率變化超過0.2 Hz，機組調速器系統(tǒng)會頻繁動作，油溫將會升高，且對用電設備也會造成損害。機組孤網(wǎng)運行時，由于已與電網(wǎng)解列，機組無法獲取系統(tǒng)電壓，頻率和電壓不會和并網(wǎng)時一樣穩(wěn)定，因此對機組調速器系統(tǒng)提出更高的要求，空洲電廠孤網(wǎng)運行時負荷很小，導致機組不穩(wěn)定，為解決機組孤網(wǎng)運行部穩(wěn)定問題，對調速器系統(tǒng)進行改造，將調速器電氣控制系統(tǒng)更換為北京中水科水電科技開發(fā)有限公司生產的控制系統(tǒng)，程序內設計了機組孤網(wǎng)運行模式，該模式下調速器不采集機組出口斷路器合閘節(jié)點，調速器程序默認為機組仍處于空載狀態(tài)，因此輸出功率基本保持不變，調速器基本不會調節(jié)，而多次實踐證明，該狀態(tài)下孤網(wǎng)運行時全廠設備功率也基本可以保持無大的變化。

空洲電廠機組黑啟動前，需要將主變高壓側斷路器斷開，如用1#或2#發(fā)電機孤網(wǎng)運行，因1#、2#機組與10.5 kVⅠ段母線相連，而10.5 kVⅠ段母線通過1#廠用變與廠用電Ⅰ段連接，所以此時需要將廠用電Ⅰ段與Ⅱ段之間的聯(lián)絡開關斷開，待機組黑啟動完成，轉入孤網(wǎng)運行將廠用Ⅰ段電恢復后，再將柴油發(fā)電機停止，機組輔機動力進線電源會自動切換到由廠用Ⅰ段供電，如用3#、4#或5#發(fā)電機孤網(wǎng)運行，同理則需斷開廠用Ⅲ段與Ⅱ段之間的聯(lián)絡開關。

空洲電廠機組孤網(wǎng)運行方案已進行過多次試驗和實際檢查，方案成熟，可以在類似電廠進行推廣應用。

5 結語

水電廠傳統(tǒng)黑啟動過程中容易出現(xiàn)一些問題，例如采用不同期的作業(yè)方式，缺乏外電源供給，機組電網(wǎng)運行往往在孤立的狀態(tài)下進行，在換向倒閘合閘過程中時間容易被拖延，影響了系統(tǒng)的有效運行?？罩揠姀S作為系統(tǒng)指定的株洲地區(qū)黑啟動電源點，目前已編寫了較為完善的機組黑啟動和孤網(wǎng)運行的預案，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)大面積停電情況，將立即啟動預案，首先將機組開啟確保廠內設備正常，然后逐臺開啟其他機組往王家坪變電站送電。不過目前尚未在株洲地區(qū)進行試驗，今后將與電力系統(tǒng)合作，開展實踐演練，確保系統(tǒng)能正常供電。

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