蘇有權(quán)

(太平灣發(fā)電廠，遼寧 丹東 118000)

電網(wǎng)大面積停電時(shí)系統(tǒng)電源全部消失后進(jìn)行的電網(wǎng)恢復(fù)，通俗稱為黑啟動(dòng)。黑啟動(dòng)的最終目的是要在最短的時(shí)間內(nèi)使電網(wǎng)恢復(fù)帶負(fù)荷的能力，恢復(fù)電網(wǎng)運(yùn)行。與火電、核電機(jī)組相比，水輪發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)簡單，沒有復(fù)雜的輔機(jī)系統(tǒng)，啟動(dòng)速度快，往往成為電網(wǎng)黑啟動(dòng)的首選機(jī)組［1］。按照東北電網(wǎng)黑啟動(dòng)方案，太平灣電站的1號、2號機(jī)組被確定為遼寧南部電網(wǎng)的黑啟動(dòng)機(jī)組。

太平灣電站坐落于遼寧省丹東市境內(nèi)，是中朝界河鴨綠江干流上的第4座水力發(fā)電廠。太平灣電站共安裝了4臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組，其中1、2號機(jī)組額定頻率為50 Hz，向中國電網(wǎng)供電，3、4號機(jī)組額定頻率為60 Hz，向朝鮮電網(wǎng)供電。1、2號機(jī)組單機(jī)容量54 MW，經(jīng)兩回220kV和兩回66 kV線路接入遼寧南部電網(wǎng)，太平灣電站在系統(tǒng)中承擔(dān)調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用任務(wù)。

1 機(jī)組黑啟動(dòng)送電路徑

根據(jù)東北電網(wǎng)黑啟動(dòng)方案，太平灣電站1、2號機(jī)組為遼寧南部電網(wǎng)的黑啟動(dòng)機(jī)組，當(dāng)遼寧電網(wǎng)發(fā)生全網(wǎng)停電事故時(shí)，太平灣電站1、2號機(jī)組快速啟動(dòng)向系統(tǒng)送電，依次帶孔家溝變電站和長甸電廠，繼而帶動(dòng)遼寧南部電網(wǎng)恢復(fù)運(yùn)行。太平灣電站作為遼寧南部電網(wǎng)快速恢復(fù)的黑啟動(dòng)電源，制定完善的黑啟動(dòng)方法和預(yù)案，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生大面積停電事故時(shí)保證1、2號機(jī)組安全、可靠、快速啟動(dòng)，對保障東北電網(wǎng)安全運(yùn)行具有重要意義。圖1所示為遼寧南部電網(wǎng)黑啟動(dòng)恢復(fù)路徑。

2 機(jī)組黑啟動(dòng)的關(guān)鍵問題

機(jī)組能否成功黑啟動(dòng)的關(guān)鍵是當(dāng)廠用電源全部消失后，電站直流系統(tǒng)能否保證機(jī)組自動(dòng)控制、保護(hù)、勵(lì)磁、調(diào)速、同期等二次系統(tǒng)正常運(yùn)行，廠房內(nèi)漏水量能否危及設(shè)備安全運(yùn)行以及開機(jī)操作過程中導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的操作油壓能否維持機(jī)組開機(jī)并網(wǎng)操作［2］。

2.1 直流系統(tǒng)

太平灣電站直流系統(tǒng)采用“3+2”方式配置，即3組充電機(jī)帶2組蓄電池方式，單組蓄電池容量為300 AH，當(dāng)交流電源失去時(shí)，2組蓄電池完全滿足事故照明系統(tǒng)、斷路器操作、保護(hù)裝置、調(diào)速器、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、輔助控制系統(tǒng)等控制設(shè)備的運(yùn)行需要。機(jī)組開機(jī)利用監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)開機(jī)，監(jiān)控系統(tǒng)由專用UPS電源供電，配備1組200 AH蓄電池，交流失去時(shí)可保證監(jiān)控系統(tǒng)正常運(yùn)行。

2.2 廠房漏水量

太平灣電站廠房內(nèi)設(shè)有檢修集水進(jìn)中、滲漏集水井，通過對現(xiàn)場漏水量統(tǒng)計(jì)，在廠內(nèi)排水系統(tǒng)退出運(yùn)行2 h內(nèi)，各部漏水量不會(huì)對廠房安全運(yùn)行構(gòu)成威脅。

2.3 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)操作油壓

黑啟動(dòng)成功與否關(guān)鍵在于壓油罐在事故停機(jī)后所剩油壓、油位是否滿足開機(jī)要求［5］，能否保持在正常工作范圍 (2.35～2.50 MPa)內(nèi)，是機(jī)組能否順利黑啟動(dòng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為確定是否可以利用調(diào)速系統(tǒng)額定油壓進(jìn)行機(jī)組黑啟動(dòng)，在機(jī)組停機(jī)時(shí)，利用手動(dòng)調(diào)節(jié)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的方法，模擬機(jī)組正常運(yùn)行中“甩最大負(fù)荷緊急停機(jī)再開機(jī)至空載”的過程，實(shí)測機(jī)組導(dǎo)葉從全開至全關(guān)、從全關(guān)至空載開度 (13%開度)的操作過程中壓油裝置油壓下降值。

1、2號機(jī)組調(diào)速器正常操作油壓為2.5 MPa，油位高度為1 550 mm，選擇1號機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)機(jī)組壓油裝置油壓為2.5 MPa，機(jī)組導(dǎo)葉在最大開度，導(dǎo)葉和輪葉協(xié)聯(lián)，切除1號機(jī)2臺(tái)壓油泵，先將1號機(jī)組導(dǎo)葉由“最大開度”關(guān)至“全關(guān)”，再從“全關(guān)”開至“空載位置 (13%開度)”，記錄操作過程中油壓下降最低值以及壓油罐油位的變化值，數(shù)據(jù)見表1。

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，在沒有補(bǔ)充油的情況下，機(jī)組油系統(tǒng)不能滿足利用額定油壓進(jìn)行一次甩負(fù)荷停機(jī)、再開機(jī)帶負(fù)荷的要求。所以，在機(jī)組黑啟動(dòng)時(shí)，必須使用交流電源帶動(dòng)壓油泵對油罐充油，自動(dòng)控制油壓在正常工作范圍內(nèi)，保證調(diào)速器對導(dǎo)水機(jī)構(gòu)進(jìn)行順利調(diào)節(jié)，才能保證機(jī)組黑啟動(dòng)成功。

表1 操作過程中油壓油位變化值

3 黑啟動(dòng)電源選擇

太平灣電站1、2號機(jī)組各有2臺(tái)壓油泵，利用廠用交流電源供電，單臺(tái)油泵電機(jī)啟動(dòng)電流為580 A。黑啟動(dòng)時(shí)，只要交流電源滿足單臺(tái)壓油泵正常啟動(dòng)需要，就可以保證機(jī)組順利啟動(dòng)。現(xiàn)場可以利用的電源有電站自備小機(jī)組、朝鮮電網(wǎng)60 Hz系統(tǒng)電源和備用柴油發(fā)電機(jī)。

3.1 電站自備小機(jī)組

太平灣電站已安裝1臺(tái)自備小機(jī)組，該機(jī)組標(biāo)稱容量為125 kW，通過6.3/0.4 kV變壓器與電站高壓廠用變連接。小機(jī)組調(diào)速裝置、勵(lì)磁裝置均采用手動(dòng)操作，但是實(shí)際發(fā)電容量只能達(dá)到70 kW，發(fā)電容量無法帶動(dòng)單臺(tái)壓油泵運(yùn)行。當(dāng)采用自備小機(jī)組作為黑啟動(dòng)電源時(shí)，必須將分布在生活區(qū)各部位的變壓器高壓側(cè)跌落式開關(guān)拉開，操作所需時(shí)間約2 h，不能滿足電網(wǎng)黑啟動(dòng)快速性的要求，所以采用小機(jī)組作為黑啟動(dòng)電源不可取。

3.2 60 Hz 220kV系統(tǒng)電源

朝鮮電網(wǎng)60 Hz 220kV系統(tǒng)頻率常年運(yùn)行在42～52 Hz，線電壓在150～190 kV，波動(dòng)范圍大，時(shí)常發(fā)生振蕩解列事故，運(yùn)行非常不可靠。在全廠停電時(shí)，若采用60 Hz 220kV系統(tǒng)電源，不僅電能質(zhì)量和運(yùn)行可靠性得不到保證，還需要新增變頻設(shè)備，造價(jià)較高，更涉及電能利用協(xié)商、電量結(jié)算等國際問題，因此電站60 Hz 220kV系統(tǒng)電源也無法滿足機(jī)組黑啟動(dòng)電源的要求。

3.3 自備柴油發(fā)電機(jī)

太平灣電站有1臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)，標(biāo)稱容量為145 kW，作為全廠停電時(shí)確保大壩溢流弧門可靠啟閉時(shí)的備用電源，已固定連接在廠用0.4 kV四段母線上，如果黑啟動(dòng)時(shí)利用柴油發(fā)電機(jī)提供交流電源給機(jī)組壓油泵供電，有倒閘操作簡單、時(shí)間快等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)予以首先考慮。但柴油發(fā)電機(jī)容量較小，額定電流為384 A，不能滿足機(jī)組壓油泵可靠運(yùn)行的要求。

因此，擬增加1臺(tái)容量較小的黑啟動(dòng)油泵，由柴油發(fā)電機(jī)給黑啟動(dòng)油泵供電，在黑啟動(dòng)過程中向機(jī)組壓油罐補(bǔ)充油壓，實(shí)現(xiàn)機(jī)組黑啟動(dòng)的目的。

4 黑啟動(dòng)油泵選擇

通過開、關(guān)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)時(shí)測量的壓油罐油位變化值，可計(jì)算出耗油體積。導(dǎo)葉從“全開”到“全關(guān)”再到“開至空載”過程中，油壓從2.5 MPa降至1.85 MPa，油面高度由1 500 mm降落至230 mm，消耗油體積為

式中 D——油罐直徑，dm;

S——圓柱形油罐橫截面積，dm2;

H——消耗油高度，dm;

V——消耗油體積，L。

按油泵啟動(dòng)后10 min(黑啟動(dòng)時(shí)間允許)內(nèi)將油壓補(bǔ)充至正常范圍計(jì)算，則需要的油泵排量為

P=3 538.92/600=5.9 L/s

實(shí)際選擇1臺(tái)排量為6 L/s、配套電動(dòng)機(jī)為20.5 kW的油泵作為黑啟動(dòng)油泵，其補(bǔ)油時(shí)間為:t=3 538.92/6≈589 s

5 方案實(shí)施過程

通過以上試驗(yàn)分析，確定在1、2號機(jī)油系統(tǒng)中各增加1臺(tái)排量為6 L/s，配套電機(jī)為20.5 kW的黑啟動(dòng)油泵，同時(shí)采用太平灣電站現(xiàn)有的145 kW柴油發(fā)電機(jī)作為黑啟動(dòng)電源的黑啟動(dòng)方案。當(dāng)機(jī)組在最大負(fù)荷下甩負(fù)荷停機(jī)，同時(shí)全廠電源消失時(shí)，利用黑啟動(dòng)油泵，最長可在589 s內(nèi)將壓油罐油壓補(bǔ)充至2.50 MPa，保證機(jī)組在黑啟動(dòng)過程中的正常操作用油，加上運(yùn)行人員倒閘操作以及啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)時(shí)間，可在30 min內(nèi)快速啟動(dòng)機(jī)組向系統(tǒng)送電，恢復(fù)電網(wǎng)運(yùn)行。近年來，太平灣電站結(jié)合設(shè)備檢修和系統(tǒng)運(yùn)行，對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行了技術(shù)改造，完成了機(jī)組黑啟動(dòng)試驗(yàn)，并舉行了多次黑啟動(dòng)事故演習(xí)，確保發(fā)生電網(wǎng)全停事故時(shí)，機(jī)組可以順利黑啟動(dòng)。

5.1 黑啟動(dòng)油泵安裝

利用設(shè)備檢修機(jī)會(huì)，將黑啟動(dòng)油泵安裝在機(jī)組壓油裝置現(xiàn)有2臺(tái)壓油泵之間，立式安裝，油泵安裝在集油槽上，吸油管直接深入集油槽中，排油管通過出口閥組連接在壓油罐進(jìn)油管上。安裝了壓油泵、管路、閥組、壓力開關(guān)等輔助設(shè)備，安裝完成后，對壓油泵的排油量進(jìn)行了測量，排油量為6.10 L/s。黑啟動(dòng)油泵安裝布置見圖2。

5.2 控制部分安裝

新增1、2號機(jī)黑啟動(dòng)油泵及柴油發(fā)電機(jī)自動(dòng)控制回路，將相關(guān)的啟動(dòng)按鈕、電流表、電壓表、操作把手安裝在機(jī)旁控制盤上，黑啟動(dòng)油泵和柴油發(fā)電機(jī)組正常為備用狀態(tài)，柴油發(fā)電機(jī)輸出通過動(dòng)力電纜接至2號機(jī)旁動(dòng)力盤，再轉(zhuǎn)接至1號機(jī)旁動(dòng)力盤。需要黑啟動(dòng)時(shí)，值班人員到機(jī)旁盤切換油泵電源，打開黑啟動(dòng)油泵閥組，然后啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)和黑啟動(dòng)油泵，待機(jī)組油壓正常后，用監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)開機(jī)，按照調(diào)度要求并網(wǎng)向系統(tǒng)送電，即可完成機(jī)組黑啟動(dòng)工作。控制部分安裝布置見圖3。

5.3 機(jī)組進(jìn)相試驗(yàn)

機(jī)組無功功率的性質(zhì)涉及無功補(bǔ)償?shù)攸c(diǎn)的選擇、無功補(bǔ)償容量的確定、變壓器分接頭的選擇和發(fā)電機(jī)端電壓的配合等多方面［4］，特別是當(dāng)機(jī)組黑啟動(dòng)對線路充電時(shí)，由于分布電容的存在，勢必產(chǎn)生大量無功功率，使電網(wǎng)過電壓，可能會(huì)導(dǎo)致配電網(wǎng)中的同步發(fā)電機(jī)功角失穩(wěn)［5］，這就要求黑啟動(dòng)的機(jī)組具有一定的進(jìn)相運(yùn)行能力。發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，可能發(fā)生失去穩(wěn)定、定子過電流、鐵心端部發(fā)熱等不良現(xiàn)象。為確定太平灣電站1、2號機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行深度、勵(lì)磁系統(tǒng)的調(diào)整范圍和機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行的限制條件，對太平灣電站1、2號機(jī)進(jìn)行了進(jìn)相能力試驗(yàn)。以2號機(jī)為試驗(yàn)機(jī)組，驗(yàn)證2號機(jī)進(jìn)相運(yùn)行時(shí)對降低220kV母線電壓的作用和效果，考核勵(lì)磁調(diào)節(jié)器對提高發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行能力及靜態(tài)穩(wěn)定的作用，整定低勵(lì)限制范圍，確定進(jìn)相運(yùn)行能力。

5.3.1 試驗(yàn)限制條件

為保證被試發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行時(shí)的安全，按以下限制條件進(jìn)行試驗(yàn)。

a.發(fā)電機(jī)功角:δ≤70°。

b.定子電流:Is≤1.05In，即3 464 A(發(fā)電機(jī)額定電流為3 299 A)。

c.機(jī)端電壓:Us≥0.85Un，即8.93 kV(發(fā)電機(jī)額定電壓為10.5 kV)。

d.發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，定子鐵心端部結(jié)構(gòu)件如邊段鐵心，壓指、壓圈等可能因漏磁增大引起溫度增高。按照邊段鐵心≤120℃，壓指≤120℃，壓板≤120℃的設(shè)計(jì)允許溫度范圍限定定子鐵心端部構(gòu)件溫度限值。

e.低勵(lì)限制單元限定值在試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)根據(jù)試驗(yàn)要求進(jìn)行調(diào)整。

5.3.2 試驗(yàn)時(shí)系統(tǒng)接線

根據(jù)系統(tǒng)和機(jī)組條件，確定試驗(yàn)時(shí)機(jī)組及線路按照固定連接方式運(yùn)行，即1、2號發(fā)電機(jī)雙機(jī)運(yùn)行，帶220kV平孔線、長平線運(yùn)行。試驗(yàn)主接線如圖4所示。

5.3.3 試驗(yàn)方法

2號發(fā)電機(jī)開機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行，分別在有功負(fù)荷為2 MW、27 MW(50%Pn)、54 MW(100%Pn)工況下運(yùn)行，按照自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，每個(gè)負(fù)荷點(diǎn)下調(diào)節(jié)無功功率由遲相至進(jìn)相方式運(yùn)行直至達(dá)到試驗(yàn)限制條件。同時(shí)1號發(fā)電機(jī)帶50%Pn(27 MW)有功功率，無功功率根據(jù)試驗(yàn)需要進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)。

a.機(jī)組并網(wǎng)前，額定轉(zhuǎn)速下加勵(lì)磁達(dá)到空載額定電壓時(shí)檢查記錄發(fā)電機(jī)PMU(功角測量裝置)的功角指示初值，完畢后并網(wǎng)運(yùn)行。

b.將2號發(fā)電機(jī)有功負(fù)荷調(diào)至約2 MW，調(diào)節(jié)無功功率達(dá)到遲相功率因數(shù)0.9，保持各工況參數(shù)穩(wěn)定運(yùn)行。

c.調(diào)節(jié)減磁按鈕，緩慢減小轉(zhuǎn)子電流If，達(dá)到cosφ=1穩(wěn)定運(yùn)行，記錄發(fā)電機(jī)各電氣量及各溫度量。

d.繼續(xù)減小轉(zhuǎn)子電流，發(fā)電機(jī)即轉(zhuǎn)入進(jìn)相運(yùn)行狀態(tài)，以每次增調(diào)無功5 Mvar為一測量點(diǎn)，記錄各電氣、溫度數(shù)據(jù)，直至達(dá)到試驗(yàn)限制條件，在極限位置穩(wěn)定運(yùn)行，至各結(jié)構(gòu)件溫度基本穩(wěn)定為止。

調(diào)整發(fā)電機(jī)有功出力至27 MW和54 MW，重復(fù)進(jìn)行以上試驗(yàn)，記錄數(shù)據(jù)如下。

表2 有功功率為2 MW時(shí)記錄數(shù)據(jù)

表3 有功功率為27 MW時(shí)記錄數(shù)據(jù)

表4 有功功率為54 MW時(shí)記錄數(shù)據(jù)

5.3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

a.試驗(yàn)過程中根據(jù)試驗(yàn)需要調(diào)整了低勵(lì)限制單元定值，在達(dá)到定值時(shí)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器均能正確動(dòng)作，說明勵(lì)磁調(diào)節(jié)器整定值準(zhǔn)確。確定勵(lì)磁調(diào)節(jié)器在有功功率為0 MW、27 MW和54 MW時(shí)低勵(lì)限制單元整定值，見表5。

表5 低勵(lì)限制單元整定值

b.試驗(yàn)過程中，機(jī)端電壓已經(jīng)低于90%Un，而定子電流尚未超過1.05 In，機(jī)組均未出現(xiàn)失步和失穩(wěn)情況，說明該工況尚未達(dá)到機(jī)組臨界狀態(tài)，即尚未達(dá)到進(jìn)相運(yùn)行極限。

c.各種工況下，定子端部結(jié)構(gòu)件溫度均遠(yuǎn)低于各部分溫度限值，說明定子端部結(jié)構(gòu)件溫度不是該機(jī)進(jìn)相運(yùn)行的限制條件。

通過機(jī)組進(jìn)相試驗(yàn)，說明2號機(jī)組具備黑啟動(dòng)時(shí)進(jìn)相運(yùn)行的能力。由于1號機(jī)和2號機(jī)結(jié)構(gòu)、設(shè)備參數(shù)一致，故1號機(jī)也滿足黑啟動(dòng)的要求。

6 結(jié)束語

通過對太平灣電站機(jī)組黑啟動(dòng)方案的研究和實(shí)施，確認(rèn)太平灣電站在全廠停電的狀態(tài)下，經(jīng)過對設(shè)備改造和采取相關(guān)技術(shù)措施后，利用自備柴油發(fā)電機(jī)電源能可靠啟動(dòng)1、2號機(jī)組，滿足快速、安全實(shí)施機(jī)組黑啟動(dòng)的要求，為事故電網(wǎng)快速恢復(fù)運(yùn)行提供有力保障。

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