成漢森

(廣東粵海飛來峽水力發(fā)電有限公司樂昌峽分公司，廣東 樂昌 512200)

1 概 述

當(dāng)某一電力系統(tǒng)因故障等原因全部停運(yùn)后，通過該系統(tǒng)中具有自啟動(dòng)能力機(jī)組的啟動(dòng)，或通過外來電源供給，帶動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)其他機(jī)組，逐步恢復(fù)全系統(tǒng)運(yùn)行的過程就是黑啟動(dòng)。水輪發(fā)電機(jī)組與其他類型發(fā)電機(jī)組相比，具有輔助設(shè)備簡單、廠用電少，啟動(dòng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，理所當(dāng)然成為黑啟動(dòng)電源的首選。

樂昌峽水利樞紐工程是廣東水利建設(shè)重點(diǎn)工程，是一座以防澇為主，結(jié)合發(fā)電，改善下游灌溉、航運(yùn)、供水等綜合利用的水利樞紐。樂昌峽水電站的發(fā)電廠房為地下式廠房，位于左岸壩肩山體內(nèi)，電站內(nèi)安裝有3臺(tái)混流立式水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量44 MW，總裝機(jī)容量132 MW；其中3號(hào)機(jī)組于2019年加入南網(wǎng)成為黑啟動(dòng)機(jī)組之一。經(jīng)過3 a的年度黑啟動(dòng)試驗(yàn)的摸索，總結(jié)出一套一鍵啟動(dòng)機(jī)組的流程，可減少現(xiàn)場人員的操作步驟，縮減機(jī)組并網(wǎng)送電的時(shí)間，保證電網(wǎng)快速恢復(fù)正常。

2 機(jī)組正常開機(jī)控制邏輯

2.1 電氣一次接線圖

樂昌峽水電站采用地下發(fā)電廠房，主廠房安裝3臺(tái)44 MW混流式水輪發(fā)電機(jī)組，按單機(jī)單管布置；副廠房布置全廠油水氣輔助設(shè)備、10 kV開關(guān)設(shè)備和廠用電系統(tǒng)；主變壓器洞室布置1臺(tái)100 000 kVA強(qiáng)迫油循環(huán)水冷變壓器、1臺(tái)50 000 kVA強(qiáng)迫油循環(huán)水冷變壓器、GIS開關(guān)設(shè)備、二次設(shè)備、通信設(shè)備等。

電站出線由220 kV電纜經(jīng)高壓電纜豎井、電纜平洞，接至洞外出線場，經(jīng)出線構(gòu)架接入220 kV昌廊線。主接線方式：1、2號(hào)機(jī)組與1號(hào)主變壓器組成擴(kuò)大單元接線；3號(hào)機(jī)組與2號(hào)主變壓器組成單元接線；220 kV母線按“兩進(jìn)一出”單母線接線，全廠經(jīng)一回220 kV昌廊線接入220 kV廊田變電站。為確保樞紐防洪安全，保留建設(shè)期位于滑石排35 kV施工電源，經(jīng)一回10 kV線路向樞紐供電，作為防洪備用電源。同時(shí)，樞紐還設(shè)置2臺(tái)350 kVA柴油發(fā)電機(jī)組作為樞紐應(yīng)急保安電源，其電氣一次接線圖如圖1所示。以3號(hào)發(fā)電機(jī)機(jī)作為黑啟動(dòng)機(jī)組，通過2201、4321斷路器送至昌廊線來實(shí)現(xiàn)。

圖1 電氣一次接線圖

2.2 機(jī)組開機(jī)流程

監(jiān)控系統(tǒng)可以通過現(xiàn)地或遠(yuǎn)程以一個(gè)命令使機(jī)組從靜止轉(zhuǎn)空轉(zhuǎn)、空載或發(fā)電3種運(yùn)行工況。機(jī)組的自動(dòng)控制采用GE的PLC控制器為核心組成的LCU來實(shí)現(xiàn)，采用交直流雙路電源供電，與后備水力機(jī)械控制回路電源相互獨(dú)立。

機(jī)組處于準(zhǔn)備啟動(dòng)狀態(tài)應(yīng)具備以下條件：

當(dāng)上述條件具備時(shí)，啟動(dòng)開機(jī)準(zhǔn)備信號(hào)，開機(jī)過程應(yīng)按以下步驟進(jìn)行：

實(shí)行固定資產(chǎn)信息化管理，除初建系統(tǒng)時(shí)需要進(jìn)行大清查后將原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入系統(tǒng)、對系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)設(shè)置、梳理和準(zhǔn)備好所需要的如人員庫、地點(diǎn)庫、單位庫等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)外，日常管理中，只需要輸入相關(guān)的固定資產(chǎn)增加、變動(dòng)、處置數(shù)據(jù)。資產(chǎn)清查時(shí)，通過手持連接信息系統(tǒng)的掃描儀，對固定資產(chǎn)上的條碼標(biāo)簽進(jìn)行掃描，通過系統(tǒng)分析，可以得出賬實(shí)不符資產(chǎn)數(shù)據(jù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)資產(chǎn)變動(dòng)和流失現(xiàn)象。相對以往的手工管理方法，信息化管理大大提高了工作效率。

圖2 機(jī)組正常開機(jī)流程

3 黑啟動(dòng)機(jī)組開機(jī)控制邏輯

3.1 黑啟動(dòng)與正常情況下機(jī)組開機(jī)控制邏輯的區(qū)別

黑啟動(dòng)的時(shí)候全廠交流供電全部消失，僅依靠直流電源系統(tǒng)或柴油發(fā)電機(jī)等事故備用電源，將機(jī)組開至帶廠用電運(yùn)行方式提供交流輸出，進(jìn)而合上開關(guān)往系統(tǒng)送電，達(dá)到黑啟動(dòng)效果。因此，要從油、氣、水、電源、輔機(jī)等方面分別分析對機(jī)組開機(jī)流程的影響。

(1)油系統(tǒng)。開機(jī)過程需要油來驅(qū)動(dòng)的有調(diào)速器、接力器及筒閥，電廠均配備有調(diào)速器油壓裝置及筒閥油壓裝置；經(jīng)過試驗(yàn)，油罐內(nèi)的壓力可供調(diào)速器或筒閥全開至全關(guān)來回2次。因此，在沒有廠用電的情況下依然可以滿足要求，不需要額外動(dòng)力。

(2)氣系統(tǒng)。氣系統(tǒng)主要分為低壓氣及中壓氣，低壓氣主要提供空氣圍帶、剎車的投退，經(jīng)過試驗(yàn)，壓力罐的壓力也完全可以滿足在無交流電的情況下進(jìn)行空氣圍帶及剎車的投退；中壓氣主要提供給調(diào)速器及筒閥油壓裝置，也完全可以滿足要求；因此氣系統(tǒng)在沒廠用電的情況下均可滿足機(jī)組啟動(dòng)的要求。

(3)水系統(tǒng)。機(jī)組冷卻水取自蝸殼，經(jīng)技術(shù)供水過濾器、機(jī)組主冷卻水電磁閥后直接供給機(jī)組，不需要額外給水加壓設(shè)備；因此水系統(tǒng)也滿足黑啟動(dòng)機(jī)組開機(jī)的要求。

(4)電源。機(jī)組啟動(dòng)控制設(shè)備均由交直流兩路供電，因此在交流電消失后，必須保證直流電源系統(tǒng)存儲(chǔ)的電量能滿足整個(gè)開機(jī)流程。廠房直流電源系統(tǒng)包含機(jī)組用直流系統(tǒng)、升壓站直流系統(tǒng)、通信系統(tǒng)直流電源、監(jiān)控系統(tǒng)直流電源。在無交流電的情況下，蓄電池可正常投入應(yīng)用，失去交流廠用電1～2 h內(nèi)，直流系統(tǒng)能至少滿足一個(gè)過程的機(jī)組自啟動(dòng)；但是在機(jī)組輔助、公用設(shè)備交流失電情況下開機(jī)，需要清楚設(shè)備冷卻、潤滑等系統(tǒng)能短時(shí)停電應(yīng)急工作，如勵(lì)磁功率柜在交流冷卻風(fēng)機(jī)停運(yùn)情況下啟動(dòng)運(yùn)行[3]。

(5)調(diào)速器系統(tǒng)。機(jī)組帶廠用電運(yùn)行時(shí)調(diào)速器為頻率調(diào)節(jié)模式，在頻率波動(dòng)較大時(shí)調(diào)速器動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能關(guān)系到機(jī)組的安全與穩(wěn)定，因此黑啟動(dòng)時(shí)需要將調(diào)速器切換至頻率調(diào)節(jié)(在空載態(tài)的基礎(chǔ)上帶低負(fù)載的廠用電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)[2])模式下進(jìn)行。

(6)勵(lì)磁系統(tǒng)。由于黑啟動(dòng)的時(shí)候外部線路是沒電的，如果按照正常開機(jī)流程加了勵(lì)磁后再進(jìn)行合機(jī)端斷路器會(huì)出現(xiàn)機(jī)組對主變充電的情況。由于主變充電時(shí)會(huì)產(chǎn)生勵(lì)磁涌流，該電流值能達(dá)到額定電流的6～8倍，按正常并網(wǎng)流程產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流會(huì)對機(jī)組產(chǎn)生較大的破壞；因此需要先合上斷路器后對主變進(jìn)行零起升壓，如果線路較長，則需要帶上線路后零起升壓，以保護(hù)可控硅[1]。因此，勵(lì)磁系統(tǒng)必須具備直流起勵(lì)功能，具備帶主變零起升壓能力；同時(shí)起勵(lì)過程中由于沒有散熱風(fēng)扇對可控硅進(jìn)行散熱，需要?jiǎng)?lì)磁系統(tǒng)能達(dá)到一定的耐熱性能。

3.2 黑啟動(dòng)開機(jī)流程實(shí)現(xiàn)過程

根據(jù)上面分析，黑啟動(dòng)流程與正常流程在機(jī)組啟動(dòng)前的條件都是一樣的，直流電源均能滿足前置條件，主要區(qū)別在機(jī)組啟動(dòng)時(shí)調(diào)速器要進(jìn)入孤網(wǎng)模式，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后合上機(jī)端斷路器，帶主變進(jìn)行零起升壓，勵(lì)磁系統(tǒng)必須進(jìn)入線路充電模式(屏蔽機(jī)端斷路器并網(wǎng)信號(hào)，采用直流電源起勵(lì))。帶上廠用電，再依次合上主變高壓側(cè)開關(guān)及線路開關(guān)，網(wǎng)線路送電，達(dá)到黑啟動(dòng)的目的。啟動(dòng)流程如圖3所示(由于啟動(dòng)前流程完全一致，故省略機(jī)組啟動(dòng)前流程)。

圖3 黑啟動(dòng)開機(jī)流程

4 一鍵黑啟動(dòng)注意事項(xiàng)

4.1 調(diào)速器性能

調(diào)速器必須能滿足孤網(wǎng)或者跟蹤頻率穩(wěn)定的運(yùn)行方式，如果調(diào)速器性能達(dá)不到要求，可能會(huì)導(dǎo)致調(diào)速器帶廠用電或者往線路送電過程中頻率波動(dòng)?？赏ㄟ^監(jiān)控系統(tǒng)在黑啟動(dòng)時(shí)向調(diào)速器開出1個(gè)黑啟動(dòng)信號(hào)，調(diào)速器接收到信號(hào)后直接切換至孤網(wǎng)運(yùn)行模式，無需人員現(xiàn)場干預(yù)。

4.2 勵(lì)磁系統(tǒng)

正常開機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)需要在機(jī)端斷路器斷開的情況下進(jìn)行升壓，而黑啟動(dòng)則需要在合上斷路器的情況下進(jìn)行零起升壓；因此需要監(jiān)控系統(tǒng)開出1個(gè)黑啟動(dòng)信號(hào)，接至勵(lì)磁系統(tǒng)的線路送電模式，勵(lì)磁系統(tǒng)采集到信號(hào)后直接切換至線路送電模式，實(shí)現(xiàn)無人操作的升壓過程。但是，由于此時(shí)廠用電是消失的，勵(lì)磁系統(tǒng)功率柜風(fēng)扇無法工作，因此需要注意功率柜內(nèi)硅整流設(shè)備的溫度，防止溫度過高導(dǎo)致勵(lì)磁升壓失敗。

4.3 帶廠用電負(fù)荷注意事項(xiàng)

由于經(jīng)過一段時(shí)間的廠用電消失，頂蓋水位、滲漏井水位、油壓泵等都可能達(dá)到啟動(dòng)條件，當(dāng)直接將廠用電送上去的時(shí)候可能會(huì)因?yàn)楸猛瑫r(shí)啟動(dòng)造成線路過流，因此需要將部分功率較大的泵調(diào)至手動(dòng)狀態(tài)，待廠用電穩(wěn)定后再將其設(shè)置為自動(dòng)狀態(tài)。

5 結(jié) 語

(1)水電廠機(jī)組實(shí)現(xiàn)一鍵黑啟動(dòng)最主要是考慮調(diào)速器及勵(lì)磁系統(tǒng)是否具備相應(yīng)的功能。

(2)監(jiān)控系統(tǒng)可以通過開出黑啟動(dòng)信號(hào)讓其他輔機(jī)調(diào)至對應(yīng)的狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)無人操作的快速切換，同時(shí)實(shí)現(xiàn)一鍵黑啟動(dòng)的功能。

(3)當(dāng)前水電監(jiān)控系統(tǒng)及輔機(jī)設(shè)備自動(dòng)化水平較高，基本可以通過改造實(shí)現(xiàn)一鍵黑啟動(dòng)功能，且已通過實(shí)踐取得很好的效果，應(yīng)在水電站設(shè)計(jì)和技術(shù)改造中大力推廣應(yīng)用。