火溪河梯級(jí)電站黑啟動(dòng)探索及應(yīng)用

張曉洪, 徐永全, 劉 峰, 白奎明

(四川華能涪江水電有限責(zé)任公司,四川成都 610041)

1 概 述

電力系統(tǒng)黑啟動(dòng)是在出現(xiàn)大面積停電甚至電網(wǎng)全停后、迅速啟用具有自啟能力的發(fā)電機(jī)組,恢復(fù)電廠廠用電和系統(tǒng)供電的一種應(yīng)急方案。

火溪河電廠一庫(kù)四級(jí),自上而下為水牛家、自一里、木座、陰坪,四個(gè)電站總裝機(jī)容量為 400 MW,通過(guò)木座開(kāi)關(guān)站匯集利用兩回 220kV線路送天明變電站并入四川主網(wǎng)(圖 1)。

圖 1 火溪河流域電站接入系統(tǒng)圖

2 涪江公司進(jìn)行黑啟動(dòng)試驗(yàn)的探索

2.1 選擇自一里水電站機(jī)組進(jìn)行黑啟動(dòng)試驗(yàn)

火溪河電廠地處川西偏遠(yuǎn)山區(qū),還需經(jīng)百余公里長(zhǎng)線路輸電接入 220kV主網(wǎng),穩(wěn)定性問(wèn)題突出,一旦系統(tǒng)與電廠解列,將形成孤網(wǎng)運(yùn)行,還可能出現(xiàn)梯級(jí)電廠機(jī)組全停而造成廠用電源消失。在遭遇不可抗拒的自然災(zāi)害后,火溪河電廠若能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)組黑啟動(dòng),對(duì)內(nèi)恢復(fù)廠用電、對(duì)外配合恢復(fù)電網(wǎng)運(yùn)行將具有重大而深遠(yuǎn)的意義。

自一里電站于 2004年 12月發(fā)電,是火溪河一庫(kù)四級(jí)中最早發(fā)電的電站,也是火溪河上下游梯級(jí)電站施工用電的重要保障,選擇自一里水電站機(jī)組進(jìn)行黑啟動(dòng)試驗(yàn)為最佳選擇。

水電站的黑啟動(dòng)是指在無(wú)廠用交流電的情況下,僅僅利用電廠儲(chǔ)存的兩種能量——直流系統(tǒng)蓄電池儲(chǔ)存的電能量和液壓系統(tǒng)儲(chǔ)存的液壓能量完成機(jī)組自啟動(dòng)。因此,機(jī)組黑啟動(dòng)應(yīng)滿足以下條件:(1)機(jī)組黑啟動(dòng)的時(shí)間應(yīng)盡量短;(2)啟機(jī)前球閥壓油罐內(nèi)油壓、油量必須保證能使球閥全開(kāi)和全關(guān)一次;(3)啟機(jī)前調(diào)速器壓油罐內(nèi)油壓、油量必須保證導(dǎo)葉打開(kāi)后能全關(guān)回來(lái);(4)黑啟動(dòng)過(guò)程中,軸承瓦溫不能超過(guò)限制值,以避免燒瓦;(5)直流系統(tǒng)和 UPS系統(tǒng)能保證啟機(jī)過(guò)程中的各種控制操作以及數(shù)據(jù)監(jiān)視;(6)轉(zhuǎn)子剩磁能使機(jī)組零起升壓至額定電壓,否則不能直接進(jìn)行黑啟動(dòng)。

2006年 8月,涪江公司在自一里水電站進(jìn)行了不啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)直接黑啟動(dòng)機(jī)組的試驗(yàn):手動(dòng)分步模擬了球閥和調(diào)速器油壓裝置失電情況下的開(kāi)球閥和開(kāi)機(jī)試驗(yàn),基本可以滿足黑啟動(dòng)操作的需要;接著又進(jìn)行了冷態(tài)機(jī)組在無(wú)冷卻水情況下的開(kāi)機(jī)試驗(yàn),8min內(nèi)上導(dǎo)軸承最高溫度達(dá)到54℃,推力軸承最高溫度達(dá)到 40℃,下導(dǎo)軸承最高溫度達(dá)到 46℃,水導(dǎo)軸承最高溫度達(dá)到 38℃,瓦溫均未超過(guò)軸承溫度報(bào)警值 60℃,模擬黑啟動(dòng)啟機(jī)總共耗費(fèi)時(shí)間約 10min。因此,自一里水電站機(jī)組在冷態(tài)情況下完全具備黑啟動(dòng)能力。但為了確保安全,公司隨后對(duì)自一里水電站配置了一臺(tái) 220kW的柴油發(fā)電機(jī),以保證特殊情況下啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)供技術(shù)供水泵和油泵,黑啟動(dòng)機(jī)組恢復(fù)廠用電。

2.2 自一里水電站進(jìn)行四川電網(wǎng)首次黑啟動(dòng)試驗(yàn)

隨著電網(wǎng)規(guī)模和電網(wǎng)互聯(lián)規(guī)模的發(fā)展,大電網(wǎng)的惡性事故將會(huì)給現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)社會(huì)帶來(lái)巨大的損失和影響。2003年 8月 14日,美、加大停電和2005年 5月 25日莫斯科大停電等事故使我們認(rèn)識(shí)到:在積極預(yù)防、防患于未然的同時(shí),更要未雨綢繆,制定電網(wǎng)黑啟動(dòng)方案,盡可能的減少事故對(duì)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)造成的影響,具有著重要的理論和實(shí)踐意義。

由于四川電網(wǎng)電源分布不合理,負(fù)荷中心在川西地區(qū),而電源則集中在川南地區(qū)。由于川西地區(qū)裝機(jī)較少,缺少電源支撐,穩(wěn)定問(wèn)題突出,故選擇在川西地區(qū)安排黑啟動(dòng)試驗(yàn)。四川省電力公司根據(jù)四川電網(wǎng)的特點(diǎn),選擇在自一里水電站進(jìn)行電網(wǎng)的黑啟動(dòng)試驗(yàn),試驗(yàn)的目標(biāo)是通過(guò)自一里電站機(jī)組黑啟動(dòng)后,向 220kV里天線送電,然后向江油電廠高壓廠用變供電,從而啟動(dòng)江油電廠31#機(jī)組(容量 330MW),恢復(fù)對(duì)電網(wǎng)供電。黑啟動(dòng)路徑如圖 2所示。

為確保黑啟動(dòng)試驗(yàn)安全,四川省電力公司委托四川電力試驗(yàn)研究院進(jìn)行了仿真計(jì)算,理論上解決了以下?lián)牡膯?wèn)題:

(1)自激磁問(wèn)題。自一里電站 220kV送出線路參數(shù)為:額定電壓 220kV,電阻 0.073Ω/km,電抗 0.421Ω/km,電納 2.832 μs/km,線路長(zhǎng)度 148km。對(duì)線路進(jìn)行全電壓充電時(shí),線路充電功率約為 21Mvar。自一里電站機(jī)組參數(shù)為:額定功率 65MW,充電容量為 34.2Mvar。

對(duì)于空載短距離輸電線路,按照簡(jiǎn)化公式計(jì)算線路末端電壓升高的百分值為:

圖 2 電網(wǎng)黑啟動(dòng)路徑圖

按照簡(jiǎn)易公式計(jì)算線路空載充電無(wú)功功率為:

根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果并與機(jī)組特性相比較,發(fā)電機(jī)的充電容量遠(yuǎn)大于線路空載無(wú)功功率,在線路末端不會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓,發(fā)電機(jī)不會(huì)產(chǎn)生自激磁。

(2)鐵磁諧振問(wèn)題。對(duì)不同合閘角度下向江油 1#啟動(dòng)變沖擊合閘的 RTDS進(jìn)行了仿真計(jì)算,自一里水電站單機(jī)對(duì)江油 50MVA的 1#啟動(dòng)變充電過(guò)程中不會(huì)發(fā)生鐵磁諧振現(xiàn)象。

(3)孤網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定問(wèn)題。對(duì)江油電廠各輔助設(shè)備投運(yùn)給自一里電站機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定進(jìn)行了仿真計(jì)算,仿真計(jì)算結(jié)果表明:在孤網(wǎng)模式下投入江油電廠全部輔助負(fù)荷(18.45MW)后,機(jī)組頻率由 50.01Hz下降至 49.58Hz。由此確定自一里電站機(jī)組調(diào)速器在孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí),將頻率控制在 50±0.5Hz是可行的。

經(jīng)理論分析可行后,2006年 12月 12日,四川省電力公司在自一里電站進(jìn)行了川內(nèi)第一次電網(wǎng)黑啟動(dòng)試驗(yàn),電站側(cè)在第一條試驗(yàn)指令下達(dá)后30min內(nèi)完成了手動(dòng)開(kāi)機(jī)帶線路建壓過(guò)程;當(dāng)電源送達(dá)江油電廠后,陸續(xù)投入輔助設(shè)備時(shí)電壓基本穩(wěn)定,頻率在 50.4～49.6Hz范圍內(nèi)變化,當(dāng)電站 220kV母線達(dá)到 237kV時(shí),機(jī)組的無(wú)功功率進(jìn)相為 19.96Mvar。江油電廠一臺(tái) 330MW機(jī)組借助自一里電站供廠用電順利啟動(dòng)并與自一里電站 1號(hào)機(jī)組并列。試驗(yàn)成功!

3 “5.12”地震后火溪河電站黑啟動(dòng)的成功應(yīng)用及經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

3.1 “5.12”地震后火溪河電站黑啟動(dòng)成功應(yīng)用

“5.12”地震后,地處極重災(zāi)區(qū)的平武縣境內(nèi)火溪河流域的通訊、交通、電力全部中斷,火溪河梯級(jí)電站集控中心監(jiān)控信號(hào)全部中斷,電站現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀況不明。搶險(xiǎn)人員徒步趕赴“無(wú)人值班,關(guān)門運(yùn)行”的梯級(jí)電站時(shí),廠用電已中斷很久,必須立即實(shí)施機(jī)組黑啟動(dòng)以恢復(fù)廠用電源。

在通過(guò)一系列的檢查處理后,迅速啟動(dòng)了“黑啟動(dòng)”預(yù)案實(shí)施自救。其中,自一里電站采用了通過(guò)柴油發(fā)電機(jī)啟機(jī)的黑啟動(dòng)方案,木座電站采用了無(wú)柴油發(fā)電機(jī)直接啟機(jī)的黑啟動(dòng)方案,而水牛家電站則是在 220kV牛里線倒送電后實(shí)現(xiàn)了機(jī)組恢復(fù)啟動(dòng)方案。三個(gè)生產(chǎn)電站通過(guò)三種方式實(shí)現(xiàn)了自保自救。受 220kV送出線路多處鐵塔倒塌原因制約,火溪河梯級(jí)電站當(dāng)時(shí)未能向系統(tǒng)供電。

3.2 以自一里電站為例,列舉了“5.12”地震后黑啟動(dòng)進(jìn)行的主要操作

自一里電站距離火溪河管理中心約 12km,當(dāng)搶險(xiǎn)人員徒步趕到自一里電站廠房后,迅速對(duì)機(jī)組進(jìn)行了全面檢查,確認(rèn)機(jī)組可以啟動(dòng),然后按預(yù)案進(jìn)行了以下主要操作:

(1)復(fù)歸調(diào)速器緊急停機(jī)電磁閥,復(fù)歸各類保護(hù)動(dòng)作信號(hào);

(2)斷開(kāi) 1#主變高壓側(cè)開(kāi)關(guān) 201DL、2#主變高壓側(cè)開(kāi)關(guān) 202DL,實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)機(jī)隔離;

(3)為了零起升壓過(guò)程中廠用 400V系統(tǒng)不受影響,斷開(kāi)廠用變高壓側(cè)斷路器 41DL;

(4)做好啟動(dòng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)向 400V供電的準(zhǔn)備,切除廠用 400V備自投開(kāi)關(guān),斷開(kāi) 400VI、II、III段進(jìn)線開(kāi)關(guān) 401DL、402DL、403DL和聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)413DL、423DL;

(5)為了減少油泵啟動(dòng)對(duì)柴油機(jī)的負(fù)載沖擊,將調(diào)速器油壓裝置屏和球閥油壓裝置屏油泵由 “自動(dòng) ”切至 “切除”;

(6)為了機(jī)組啟動(dòng)后的零起升壓,手動(dòng)合發(fā)電機(jī)出口開(kāi)關(guān),解開(kāi) 1號(hào)機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)柜內(nèi) ×100∶3并網(wǎng)接點(diǎn),起勵(lì)模式設(shè)置為零起升壓,退系統(tǒng)電壓跟蹤功能;

(7)檢查柴油發(fā)電機(jī)油位,啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行 1min,合柴油機(jī)負(fù)載開(kāi)關(guān),通過(guò)柴油發(fā)電機(jī)帶 400VII段一臺(tái)技術(shù)供水泵和勵(lì)磁風(fēng)機(jī);

(8)關(guān)技術(shù)供水泵出口閥,手動(dòng)啟動(dòng)一臺(tái) 75 kW的技術(shù)供水泵,待電流在 65A左右穩(wěn)定后,再慢慢開(kāi)出口閥(目的是空載啟動(dòng)技術(shù)供水泵,因自動(dòng)加載沖擊電流達(dá) 200～300A,啟動(dòng)電流太大會(huì)將柴油機(jī)拉熄火);

(9)1LCU控制方式由“遠(yuǎn)方”切至“現(xiàn)地”,手動(dòng)退出空氣圍帶→手動(dòng)退出鎖定→手動(dòng)開(kāi)球閥平壓旁通閥→手動(dòng)退球閥工作密封→手動(dòng)開(kāi)球閥→手動(dòng)打開(kāi)機(jī)組導(dǎo)葉至空載開(kāi)度→機(jī)組轉(zhuǎn)速升至額定轉(zhuǎn)速,檢查機(jī)組振擺、瓦溫等運(yùn)行情況;

(10)按起勵(lì)按鈕機(jī)組帶主變一起零起升壓,起勵(lì)正常后按增磁按鈕將電壓升至額定 10.5 kV,再按下調(diào)速器孤網(wǎng)按鈕;

(11)合 41DL,1#機(jī)組發(fā)電帶 400VI段廠用負(fù)荷,手動(dòng)抽集水井滲漏水,合直流蓄電池充電開(kāi)關(guān),恢復(fù)油、水、氣系統(tǒng)正常運(yùn)行,恢復(fù)廠房照明等;

(12)停柴油發(fā)電機(jī),恢復(fù) 400V備自投,合400V聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān) 413DL、423DL,由 1號(hào)機(jī)發(fā)電通過(guò) 400VI段聯(lián)絡(luò)Ⅰ、Ⅲ段運(yùn)行。

至此,自一里電站機(jī)組在震后黑啟動(dòng)成功帶廠用。

3.3 “5.12”黑啟動(dòng)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)及啟示

“5.12”地震給四川電網(wǎng)、震區(qū)的電站造成了巨大的破壞,涪江公司搶險(xiǎn)人員臨危不亂,不顧個(gè)人安危,冒著余震、道路塌方、山上飛石等危險(xiǎn),徒步到達(dá)電站現(xiàn)場(chǎng)并果斷實(shí)施黑啟動(dòng),成功恢復(fù)廠用電,排除了水漫大壩、水淹廠房的險(xiǎn)情。根據(jù)火溪河黑啟動(dòng)的探索和應(yīng)用,結(jié)合 5.12”黑啟動(dòng)的主要操作方式得出了以下經(jīng)驗(yàn)總結(jié)及啟示:

(1)要有應(yīng)急機(jī)制,成立應(yīng)急領(lǐng)導(dǎo)工作組,編制應(yīng)急方案,在現(xiàn)場(chǎng)加大培訓(xùn)力度并將黑啟動(dòng)的操作主要步驟打印張?zhí)敛僮鞅P柜內(nèi)。

(2)對(duì)調(diào)速器的功能要進(jìn)行完善,應(yīng)具有孤網(wǎng)模式運(yùn)行功能,孤網(wǎng)模式下在 50±0.5Hz頻率進(jìn)行控制;建議黑啟動(dòng)時(shí)解除并網(wǎng)信號(hào),升壓時(shí)退出電網(wǎng)電壓跟蹤功能,采取“零起升壓”方式。如果電站黑啟動(dòng)還要向長(zhǎng)線路送電,應(yīng)核算機(jī)組可能的充電容量,并據(jù)此調(diào)整低勵(lì)限值定值,防止發(fā)電機(jī)向線路充電時(shí)過(guò)壓。

(3)在非常時(shí)刻不要忘記帶設(shè)備鑰匙、手電、圖紙和常用工具,到現(xiàn)場(chǎng)后應(yīng)臨危不亂,保持清醒的頭腦,黑啟動(dòng)前應(yīng)盡快檢查判斷設(shè)備狀況,選擇液壓系統(tǒng)壓力高的機(jī)組啟動(dòng)。停機(jī)后殘余壓力若不夠,可打開(kāi)手動(dòng)補(bǔ)氣閥補(bǔ)氣。

(4)熟悉啟機(jī)關(guān)鍵步驟,處理好細(xì)節(jié),非常時(shí)刻應(yīng)減少因緊張導(dǎo)致失誤而耽誤時(shí)間。如啟機(jī)前先合上發(fā)電機(jī)出口開(kāi)關(guān),但需解開(kāi)出口開(kāi)關(guān)送勵(lì)磁系統(tǒng)合閘輔助接點(diǎn),這樣才能進(jìn)行零起升壓;最好有柴油發(fā)電機(jī)提供功率柜風(fēng)機(jī)電源,防止因風(fēng)機(jī)電源消失可控硅發(fā)熱而起勵(lì)失敗,要防止所有電機(jī)同時(shí)啟動(dòng)而將柴油發(fā)電機(jī)拉熄火等。

(5)直流系統(tǒng)是繼電保護(hù)、監(jiān)控、調(diào)速器、勵(lì)磁、事故照明以及控制系統(tǒng)的重要電源,平時(shí)對(duì)其應(yīng)加強(qiáng)保養(yǎng)和核容,以確保蓄電池供電可靠。黑啟動(dòng)過(guò)程中,若蓄電池容量不足可切除部分事故照明、盤柜內(nèi)加熱器等不重要的負(fù)荷,以延長(zhǎng)直流系統(tǒng)蓄電池的放電時(shí)間,確保控制系統(tǒng)電源,否則無(wú)法進(jìn)行黑啟動(dòng)操作。

(6)平時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對(duì) UPS系統(tǒng)的保養(yǎng)維護(hù),確保其可靠供電。因監(jiān)控系統(tǒng)顯示器、調(diào)速觸摸屏、勵(lì)磁觸摸屏、保護(hù)打印機(jī)、控制設(shè)備工控機(jī)等一般都用 UPS供電。

(7)新建水電廠應(yīng)將電站黑啟動(dòng)納入設(shè)計(jì),并最好配置柴油發(fā)電機(jī)作為事故保安電源,應(yīng)通過(guò)模擬試驗(yàn)解決黑啟動(dòng)中遇到的實(shí)際問(wèn)題,最好能達(dá)到不需要依靠柴油發(fā)電機(jī)就能實(shí)現(xiàn)黑啟動(dòng)的A級(jí)黑啟動(dòng)。

(8)當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)大面積停電后,黑啟動(dòng)成功的機(jī)組要及時(shí)幫助電網(wǎng)恢復(fù)或孤網(wǎng)帶地方電網(wǎng)供電運(yùn)行,保一方平安。

(9)比較模擬試驗(yàn)與地震后實(shí)戰(zhàn)存在的疏漏之處:①試驗(yàn)時(shí)未考慮到通訊中斷,地震后手機(jī)、座機(jī)均中斷。最好在現(xiàn)場(chǎng)配置衛(wèi)星電話;②地震后事故照明等負(fù)荷加大,暴露出蓄電池容量偏小。若遇該情況,應(yīng)及時(shí)斷掉部分不重要負(fù)荷以延長(zhǎng)蓄電池的供電時(shí)間;③地震后設(shè)備可能存在損毀,必要時(shí)需臨時(shí)處理;④試驗(yàn)時(shí)人員應(yīng)組織有序。地震后人員的情緒狀態(tài)與平時(shí)不一樣,更要強(qiáng)調(diào)團(tuán)隊(duì)精神和集體智慧。