梁慶春

（華東宜興抽水蓄能電站，江蘇宜興214205）

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淺析宜興抽蓄作為黑啟動(dòng)電源的可行性

梁慶春

（華東宜興抽水蓄能電站，江蘇宜興214205）

根據(jù)黑啟動(dòng)的要求，文中首先指出宜興抽蓄具備黑啟動(dòng)電源的兩個(gè)特征，即快速自啟動(dòng)和可靠的電能傳輸。接著通過(guò)詳細(xì)分析電站在黑啟動(dòng)過(guò)程中面臨的具體問(wèn)題及其應(yīng)對(duì)措施，表明宜興抽蓄作為黑啟動(dòng)電源是確實(shí)可行的。

抽水蓄能電站；黑啟動(dòng)；黑啟動(dòng)電源

1　電站概況

華東宜興抽水蓄能電站（以下簡(jiǎn)稱宜興抽蓄）位于宜興市西南郊的銅官山區(qū)，距宜興市中心7 km，距上海、無(wú)錫分別為200 km和75 km，是一座日調(diào)節(jié)純抽水蓄能電站。電站總裝機(jī)容量為1 000MW，裝設(shè)4臺(tái)單機(jī)容量為250MW的立軸單級(jí)混流可逆式機(jī)組。電站發(fā)電電動(dòng)機(jī)與變壓器組合方式為單元接線，其間裝設(shè)有發(fā)電機(jī)斷路器和換向隔離閘刀。每?jī)山M機(jī)組-變壓器單元在主變500 kV側(cè)組成聯(lián)合單元。500 kV側(cè)為兩進(jìn)兩出內(nèi)橋接線。兩回500 kV輸電線路與8km外的岷珠變相連，從而接入華東500kV主網(wǎng)架。宜興抽蓄電氣主接線簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1　宜興抽蓄電氣主接線簡(jiǎn)圖

2　黑啟動(dòng)對(duì)機(jī)組的要求

黑啟動(dòng)是指整個(gè)系統(tǒng)因故障停運(yùn)后，不依賴別的網(wǎng)絡(luò)的幫助，通過(guò)系統(tǒng)中具有自啟動(dòng)能力的機(jī)組的啟動(dòng)，帶動(dòng)無(wú)自啟動(dòng)能力的機(jī)組，逐步擴(kuò)大電力系統(tǒng)的恢復(fù)范圍，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)電力系統(tǒng)的恢復(fù)?？梢?jiàn)選擇自啟動(dòng)能力的機(jī)組，即黑啟動(dòng)電源是黑啟動(dòng)方案中首先需要確定的問(wèn)題。水電廠（包括抽水蓄能電廠）機(jī)組沒(méi)有復(fù)雜的輔機(jī)系統(tǒng)，廠用電少，啟動(dòng)速度快，是方便、理想的黑啟動(dòng)電源。宜興抽蓄機(jī)組在開(kāi)機(jī)條件滿足的情況下，從停機(jī)狀態(tài)到帶滿負(fù)荷僅需2min左右，對(duì)比火電機(jī)組（包括燃油發(fā)電機(jī)組），至少15min的啟動(dòng)時(shí)間無(wú)疑有著較大的優(yōu)勢(shì)。另外，對(duì)于常規(guī)水電，由于受豐枯水期影響，可能在某些時(shí)候無(wú)法啟動(dòng)。宜興抽蓄不受其約束，電站上水庫(kù)設(shè)計(jì)緊急事故備用容量50.7萬(wàn)m3。該部分容量平時(shí)發(fā)電過(guò)程中不使用，僅在緊急情況下經(jīng)批準(zhǔn)后使用，可供單機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行1.5 h以上。能夠滿足黑啟動(dòng)電能需求。

黑啟動(dòng)需要考慮的第二個(gè)要點(diǎn)就是能夠方便地通過(guò)輸電線路傳送功率，或是至其他無(wú)法自啟動(dòng)機(jī)組，帶動(dòng)它們啟動(dòng)；或直接傳送功率至用戶，恢復(fù)對(duì)附近重要負(fù)荷的供電。宜興抽蓄直接與華東主網(wǎng)架相連，不但靠近江蘇負(fù)荷中心，而且與多臺(tái)大容量火電機(jī)組相近。因此，不需要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離輸送電能，這就減少了產(chǎn)生機(jī)組自勵(lì)磁或線路末端過(guò)電壓的危險(xiǎn)。同時(shí)，在輸電過(guò)程中根據(jù)需要恢復(fù)某些負(fù)荷，既能縮短用戶停電時(shí)間，又能協(xié)助控制過(guò)電壓?jiǎn)栴}。此外，宜興抽蓄機(jī)組勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、調(diào)速器電氣裝置皆采用微機(jī)型，具有良好的調(diào)頻和調(diào)壓性能，也是黑啟動(dòng)初期電能質(zhì)量的重要保證。更為可貴的是，考慮到宜興抽蓄在系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)事故備用的作用，在電站設(shè)計(jì)初始就充分考慮了黑啟動(dòng)功能的實(shí)現(xiàn)。

3　宜興抽蓄黑啟動(dòng)

宜興抽蓄被選作電網(wǎng)黑啟動(dòng)電源后，首先需要點(diǎn)亮自己才能傳遞“火種”啟動(dòng)其他電站。電站的黑啟動(dòng)是指在電網(wǎng)（或全廠）停電后不借助外來(lái)電源而實(shí)現(xiàn)機(jī)組的自啟動(dòng)。此時(shí)機(jī)組的啟動(dòng)與正常啟動(dòng)有較大差異，主要體現(xiàn)在廠用電系統(tǒng)、直流系統(tǒng)、UPS以及機(jī)組勵(lì)磁、監(jiān)控流程等方面。

3.1廠用電系統(tǒng)

宜興抽蓄在失去廠用交流電源的情況下，機(jī)組球閥和導(dǎo)葉的液壓操作動(dòng)力，可由各自設(shè)置的壓力油罐并輔以兩個(gè)2.5m3操作儲(chǔ)氣罐提供；機(jī)組推力軸承在低轉(zhuǎn)速時(shí)油膜的建立可依靠作為后備的直流注油泵，在機(jī)組轉(zhuǎn)速升至90%額定轉(zhuǎn)速時(shí)，油膜自動(dòng)形成，不需要外來(lái)能量。唯一困難是機(jī)組冷卻水的供給。然而根據(jù)機(jī)組設(shè)計(jì)規(guī)定，當(dāng)軸承冷卻水中斷時(shí)，機(jī)組可帶最大負(fù)荷運(yùn)行15min，推力和導(dǎo)軸承不會(huì)損壞，軸承溫度也不會(huì)超過(guò)允許值。因此，考慮機(jī)組黑啟動(dòng)時(shí)間（從停機(jī)狀態(tài)到帶負(fù)荷恢復(fù)廠用電）不長(zhǎng)，能夠承受這樣的溫升。

盡管機(jī)組在無(wú)外加交流電源的情況下，可以實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)。但是為了確保啟動(dòng)的成功，宜興抽蓄設(shè)置了1臺(tái)容量為650 kW的1號(hào)柴油發(fā)電機(jī)，作為電廠的保安電源，在廠用電丟失后提供全廠消防電源，以及機(jī)組黑啟動(dòng)電源。由此可見(jiàn)，該柴油發(fā)電機(jī)才是黑啟動(dòng)時(shí)點(diǎn)亮電網(wǎng)的“第一根火柴”?？紤]到容量問(wèn)題，宜興抽蓄在同一時(shí)刻只允許選擇1臺(tái)機(jī)組進(jìn)行黑啟動(dòng)。

另外，為了保證地下廠房滲漏水、機(jī)組及輔助設(shè)備排水在廠用電丟失能夠順利排出，防止出現(xiàn)水淹廠房事故。宜興抽蓄還設(shè)置了1臺(tái)功率1 600 kW的2號(hào)柴油發(fā)電機(jī)，為滲漏水泵提供電源。一旦廠用電全部丟失，難以短期恢復(fù)，則無(wú)論是否進(jìn)行黑啟動(dòng)都應(yīng)啟動(dòng)該臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)。

3.2220 V直流系統(tǒng)

宜興抽蓄廠用電丟失后，事故照明以及直流工作電源和操作電源都由220V直流系統(tǒng)的蓄電池提供，因此，黑啟動(dòng)對(duì)蓄電池的容量有較高要求。以地下廠房為例，220 V直流系統(tǒng)采用單母線分段接線。每段母線設(shè)一組閥控式密封鉛酸蓄電池。每組蓄電池的只數(shù)為108只（2 V/只），容量為600 Ah，兩組容量則為1 200 Ah。黑啟動(dòng)時(shí)，事故照明負(fù)荷按35 kW計(jì)算，約160 A；勵(lì)磁系統(tǒng)所需起勵(lì)電源最大58 A，但時(shí)間極短；假設(shè)交流注油泵故障，則直流注油泵負(fù)荷為34 A；控制和操作負(fù)荷為60 A；短時(shí)沖擊負(fù)荷200 A。地下廠房直流負(fù)荷最大為512 A，蓄電池容量能夠滿足要求。

其他區(qū)域中，地面開(kāi)關(guān)站以及上庫(kù)220V直流系統(tǒng)容量分別為200 Ah和80 Ah，黑啟動(dòng)時(shí)各用戶負(fù)荷均較小，因此，蓄電池容量也能滿足要求。需要特別指出的是，電站事故照明系統(tǒng)分別采用自動(dòng)切換裝置（地下廠房）、在線式逆變電源（地面開(kāi)關(guān)站）、緊急電源系統(tǒng)EPS（中控樓）以及應(yīng)急燈等提供安全可靠的照明，保證黑啟動(dòng)的檢查、操作工作順利進(jìn)行。

3.3UPS

宜興抽蓄為監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)以及繼保樓500 kV保護(hù)裝置分別設(shè)置UPS。其中，監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置的UPS采用并聯(lián)熱備份的方式，平常兩臺(tái)UPS各擔(dān)負(fù)一半負(fù)荷，在黑啟動(dòng)期間由自帶蓄電池供電，每臺(tái)UPS能夠維持對(duì)應(yīng)用戶1 h以上的電能需求。開(kāi)關(guān)站UPS由于負(fù)荷較小，而且直流電源取自開(kāi)關(guān)站220 V直流系統(tǒng)，因此能夠滿足交流失電后電能的中短期供給。

3.4通訊系統(tǒng)

宜興抽蓄通訊系統(tǒng)以光纖為介質(zhì)，組成廠內(nèi)以及系統(tǒng)兩大通訊體系。通訊設(shè)備電源配以獨(dú)立的48V直流系統(tǒng)（自帶蓄電池），保證在各種極端事故情況下電站內(nèi)部以及與系統(tǒng)之間的通訊通暢。

3.5勵(lì)磁系統(tǒng)

宜興抽蓄勵(lì)磁系統(tǒng)采用UNITROL 5000型微機(jī)調(diào)節(jié)器。晶閘管轉(zhuǎn)換器輸入端（交流側(cè)）的少量電壓（約5 V）即可啟動(dòng)勵(lì)磁系統(tǒng)。因此，黑啟動(dòng)時(shí)機(jī)組能以剩磁完成啟動(dòng)。如果勵(lì)磁系統(tǒng)檢測(cè)機(jī)組剩磁不足，則自動(dòng)切換至起勵(lì)回路，提供轉(zhuǎn)子初期電流。電站起勵(lì)電源采用220 V直流，取自地下廠房廠用220 V直流系統(tǒng)。機(jī)組選擇黑啟動(dòng)模式時(shí)，首先合上機(jī)組出口開(kāi)關(guān)。接著勵(lì)磁系統(tǒng)啟動(dòng)，工作在手動(dòng)模式。等到機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)到95%額定轉(zhuǎn)速時(shí)，勵(lì)磁電流在剩磁或起勵(lì)電源的作用下迅速升至額定值的10%（相當(dāng)于極端電壓20%左右）。此時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)發(fā)送“準(zhǔn)備好充電”信號(hào)給監(jiān)控系統(tǒng)，操作人員可在監(jiān)控界面上發(fā)送信號(hào)給勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)機(jī)端電壓。當(dāng)電壓升至50%3.6監(jiān)控流程

額定電壓時(shí)可切至自動(dòng)模式，保證機(jī)組電壓調(diào)節(jié)準(zhǔn)確、迅速。

宜興抽蓄按無(wú)人值班（少人值守）的要求設(shè)計(jì)。采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)全廠的監(jiān)控，并在成功應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的基礎(chǔ)上，盡量減少運(yùn)行人員的現(xiàn)地操作。系統(tǒng)為機(jī)組黑啟動(dòng)設(shè)置了專門的順控流程，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)操作。系統(tǒng)停電后，運(yùn)行人員根據(jù)調(diào)度命令設(shè)置好500 kV系統(tǒng)運(yùn)行方式，選擇4臺(tái)機(jī)組中任一臺(tái)進(jìn)行黑啟動(dòng)，自動(dòng)執(zhí)行圖2所示流程。

圖2　宜興抽蓄機(jī)組黑啟動(dòng)流程圖

黑啟動(dòng)流程每步執(zhí)行令間設(shè)置一定時(shí)間的延時(shí)，用于上一步命令發(fā)出后，預(yù)留充分的時(shí)間供現(xiàn)地設(shè)備實(shí)際動(dòng)作，當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)收到反饋信號(hào)時(shí)再發(fā)出下一步命令。這也表明在動(dòng)作反饋信號(hào)的期限到來(lái)前，無(wú)論采用何種措施，只要現(xiàn)地操作設(shè)備能夠正確動(dòng)作，順控流程就能順利執(zhí)行。因此，在順控自動(dòng)執(zhí)行的情況下，運(yùn)行人員現(xiàn)地參與流程操作也是允許的。另外，順控流程還按照機(jī)組的特性，劃分為若干步驟。操作人員選擇順控單步執(zhí)行時(shí)，在每個(gè)步驟之間允許更長(zhǎng)時(shí)間的等待，能夠確?，F(xiàn)地設(shè)備正確動(dòng)作、黑啟動(dòng)流程順利完成。

4　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述分析，可以得出宜興抽蓄有足夠能力擔(dān)當(dāng)黑啟動(dòng)電源。電站也據(jù)此制定了初步的黑啟動(dòng)預(yù)案。為了進(jìn)一步完善該預(yù)案，同時(shí)驗(yàn)證機(jī)組黑啟動(dòng)的實(shí)際能力，建議在機(jī)組調(diào)試初期申請(qǐng)系統(tǒng)給予配合，選取一臺(tái)機(jī)組進(jìn)行黑啟動(dòng)試驗(yàn)。隨著黑啟動(dòng)試驗(yàn)的實(shí)施，電站各崗位配合和實(shí)際操作能力必將得到提高，同時(shí)，進(jìn)一步縮短黑啟動(dòng)時(shí)間，確保故障情況下電網(wǎng)迅速恢復(fù)。

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1672-5387（2016）02-0044-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.02.013

2015-08-10

梁慶春（1981-），男，工程師，從事機(jī)電運(yùn)維工作。