水電站黑啟動(dòng)制約因素分析

蒲 國(guó) 慶，　王 紅 俏

(四川華電瀘定水電有限公司，四川 瀘定　626100)

水電站黑啟動(dòng)制約因素分析

蒲 國(guó) 慶，王 紅 俏

(四川華電瀘定水電有限公司，四川 瀘定626100)

摘要：以瀘定水電站帶線路黑啟動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程為基礎(chǔ)，確定了黑啟動(dòng)試驗(yàn)的正確步驟，分析了水電站實(shí)現(xiàn)黑啟動(dòng)的必備條件，明確了水電站黑啟動(dòng)試驗(yàn)的制約因素。

關(guān)鍵詞：黑啟動(dòng)；調(diào)速器；勵(lì)磁系統(tǒng)；瀘定水電站

為防范各種人為及自然災(zāi)害或電網(wǎng)設(shè)備故障等意外因素造成電網(wǎng)大面積停電而波及水電站全站失壓，必須快速恢復(fù)水電站廠用交流電以實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)送電，進(jìn)而最大程度地降低電網(wǎng)停電造成的損失。

水電站黑啟動(dòng)是指在廠用交流電源消失和進(jìn)水口工作閘門(mén)開(kāi)啟的情況下，利用水電站機(jī)組壓油裝置蓄能的特點(diǎn)完成機(jī)組的自啟動(dòng)；或利用水電站事故備用電源(如柴油發(fā)電機(jī)等)開(kāi)啟進(jìn)水口工作閘門(mén)并恢復(fù)一臺(tái)或多臺(tái)機(jī)組的廠用交流電源，繼而完成機(jī)組的啟動(dòng)、建壓、恢復(fù)廠用交流電并對(duì)外配合調(diào)度恢復(fù)電網(wǎng)送電的功能。筆者以大渡河瀘定水電站黑啟動(dòng)試驗(yàn)為例開(kāi)展研究，瀘定水電站位于大渡河中游，為大渡河流域規(guī)劃22個(gè)梯級(jí)中的第12級(jí)電站，電站裝機(jī)容量為920 MW，安裝4臺(tái)混流式水輪發(fā)電機(jī)組，以500 kV電壓等級(jí)的瀘甘線接入甘谷地變電站，是四川電網(wǎng)甘孜片區(qū)指定的黑啟動(dòng)電廠。

1黑啟動(dòng)試驗(yàn)的目的

通過(guò)對(duì)水電站機(jī)組進(jìn)行黑啟動(dòng)試驗(yàn)，可以測(cè)試機(jī)組黑啟動(dòng)特征參數(shù)，檢驗(yàn)機(jī)組黑啟動(dòng)安全條件和調(diào)速器在小系統(tǒng)中的運(yùn)行性能，從而查找出機(jī)組黑啟動(dòng)能力的制約因素。

2黑啟動(dòng)試驗(yàn)的準(zhǔn)備及試驗(yàn)條件

2.1技術(shù)資料的準(zhǔn)備

《水電站電氣主接線圖》、《水電站廠區(qū)10 kV供電接線圖》、《水電站柴油發(fā)電機(jī)主接線圖》以及調(diào)速器系統(tǒng)用戶(hù)手冊(cè)及試驗(yàn)報(bào)告、勵(lì)磁系統(tǒng)用戶(hù)手冊(cè)及試驗(yàn)報(bào)告、機(jī)組保護(hù)裝置等與黑啟動(dòng)試驗(yàn)相關(guān)的技術(shù)資料等均需準(zhǔn)備。

2.2黑啟動(dòng)前機(jī)組性能檢查

(1)在水輪發(fā)電機(jī)組動(dòng)力電源正常的情況下，開(kāi)機(jī)至空載，切斷勵(lì)磁整流柜風(fēng)機(jī)電源(記錄風(fēng)機(jī)電源切除時(shí)間)，記錄勵(lì)磁可控硅溫度上升情況(每10 min測(cè)量可控硅溫度一次并記錄)，同時(shí)記錄勵(lì)磁整流柜風(fēng)機(jī)斷電后的報(bào)警時(shí)間。

(2)將水輪發(fā)電機(jī)組開(kāi)至空轉(zhuǎn)，待其正常后斷開(kāi)調(diào)速器油壓裝置控制柜工作電源，切除機(jī)組油壓裝置工作及備用油泵，小開(kāi)度開(kāi)啟壓油罐排油閥調(diào)節(jié)壓油裝置油壓至工作泵啟動(dòng)油壓后關(guān)閉，監(jiān)視壓油罐壓力表指示是否正確，記錄該壓力下的實(shí)際油位值。

小開(kāi)度開(kāi)啟壓油罐排油閥，調(diào)節(jié)壓油裝置的油壓至事故低油壓動(dòng)作值，觀察并記錄水輪發(fā)電機(jī)組事故低油壓動(dòng)作情況(特別是調(diào)速器油壓裝置控制屏失電時(shí)事故低油壓能否正確動(dòng)作；若事故低油壓不動(dòng)作，可手動(dòng)操作壓油裝置油泵，將壓油罐油壓提高至正常油壓)，記錄事故低油壓整定值和停機(jī)后的壓油罐油壓、油位值以及機(jī)組停機(jī)時(shí)間。

2.3壓油裝置油壓和油位特征值的率定

切除壓油裝置油泵，分別在水輪發(fā)電機(jī)組停機(jī)、空轉(zhuǎn)、空載、負(fù)載工況下測(cè)試并記錄壓油罐油壓和油位下降情況，確定機(jī)組黑啟動(dòng)時(shí)間限制條件，防止黑啟動(dòng)過(guò)程中機(jī)組過(guò)速和事故低油壓動(dòng)作，進(jìn)而引發(fā)和擴(kuò)大事故。

(1)將水輪發(fā)電機(jī)組開(kāi)機(jī)并網(wǎng)，并將負(fù)荷加至滿負(fù)荷。

(2)降低水輪發(fā)電機(jī)組壓油裝置之壓油罐油壓至啟動(dòng)主用油泵油壓值，檢查機(jī)組壓油裝置油位在正常范圍并記錄。

(3)切除水輪發(fā)電機(jī)組壓油裝置的工作和備用油泵。

(4)將水輪發(fā)電機(jī)組負(fù)荷減至零，停機(jī)，觀察并記錄調(diào)速器油壓、油位。當(dāng)機(jī)組停機(jī)時(shí)，記錄機(jī)組壓油裝置油壓、油位值；機(jī)組維持停機(jī)狀態(tài)下15 min后，分別記錄機(jī)組油壓裝置的油壓和油位值。

(5)將水輪發(fā)電機(jī)組開(kāi)機(jī)至空載工況，分別記錄機(jī)組壓油裝置的油壓和油位。

(6)在上述過(guò)程中，監(jiān)視水輪發(fā)電機(jī)組油壓裝置的油壓不能低于事故低油壓整定值，油位不得低于低油位報(bào)警值，否則手動(dòng)啟動(dòng)油泵以維持油壓和油位。

上述試驗(yàn)完成后，依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定在水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)速器壓油裝置無(wú)工作油泵電源情況下開(kāi)機(jī)至空載工況需要的最低油壓和最低油位，以防止黑啟動(dòng)過(guò)程中機(jī)組過(guò)速和事故低油壓動(dòng)作，同時(shí)避免調(diào)速器管路進(jìn)氣進(jìn)而引發(fā)和擴(kuò)大事故。

2.4漏油箱油位

切除水輪發(fā)電機(jī)組漏油泵，開(kāi)機(jī)至空載，測(cè)試漏油箱油位隨時(shí)間的上升速率，確定滿足機(jī)組黑啟動(dòng)的要求。

2.5滲漏集水井

廠內(nèi)滲漏集水井排水泵停止工作，計(jì)算集水井水位上升速率，確保在集水井水位達(dá)到報(bào)警值前黑啟動(dòng)成功，以免造成水淹廠房的事故發(fā)生。

2.6直流系統(tǒng)

試驗(yàn)前，確認(rèn)直流系統(tǒng)控制母線電壓正常，記錄電壓值，并確認(rèn)最大沖擊負(fù)荷。

2.7計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

(1)對(duì)全廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的主控級(jí)和現(xiàn)地級(jí)分別進(jìn)行交流電源中斷試驗(yàn)，驗(yàn)證計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在廠用交流電源消失時(shí)能否正常工作。

(2)另外，為保障計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的電源安全，應(yīng)準(zhǔn)確掌握計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)電源(UPS電源或逆變電源)的工作特性，分析計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在黑啟動(dòng)方式下、廠用電斷電時(shí)可連續(xù)工作的保證時(shí)間。

3黑啟動(dòng)試驗(yàn)的內(nèi)容及步驟

3.1試驗(yàn)前的檢查工作

檢查確認(rèn)油位、油壓、勵(lì)磁、直流系統(tǒng)、UPS電源(或逆變電源)均滿足黑啟動(dòng)試驗(yàn)條件。

3.2試驗(yàn)步驟

(1)試驗(yàn)前，按照調(diào)度下達(dá)的運(yùn)行方式將試驗(yàn)機(jī)組有功負(fù)荷帶滿，并將機(jī)組壓油裝置油壓調(diào)整至主用油泵啟動(dòng)值，油位調(diào)整至接近下限。

(2)聯(lián)系調(diào)度，申請(qǐng)?jiān)囼?yàn)甩負(fù)荷。檢查全站廠用電系統(tǒng)失壓，站內(nèi)事故照明正常。

(3)停試驗(yàn)機(jī)組，監(jiān)視試驗(yàn)機(jī)組停機(jī)過(guò)程(因交流電源已中斷，此時(shí)機(jī)組將不能自動(dòng)加閘而需手動(dòng)加閘，同時(shí)技術(shù)供水閥門(mén)也不能關(guān)閉，停機(jī)流程不能正常執(zhí)行)，記錄試驗(yàn)壓油裝置油壓、油位及停機(jī)時(shí)間(停機(jī)過(guò)程中全站廠用電源消失，為確保安全停機(jī)，應(yīng)做好相應(yīng)的事故預(yù)想和防護(hù)措施)。

(4)試驗(yàn)機(jī)組停機(jī)后，為防止機(jī)組在黑啟動(dòng)過(guò)程中因主變冷卻器全停而造成事故停機(jī)，將試驗(yàn)機(jī)組壓油裝置中的1#、2#壓油泵控制方式至切除。

(5)現(xiàn)地檢查試驗(yàn)機(jī)組風(fēng)閘復(fù)歸，壓油罐油位不低于下限且油壓滿足開(kāi)機(jī)要求；拔出試驗(yàn)機(jī)組接力器鎖定，將試驗(yàn)機(jī)組電調(diào)切“現(xiàn)地”、“電手動(dòng)”，緩慢開(kāi)機(jī)至“空轉(zhuǎn)”正常后，將試驗(yàn)機(jī)組電調(diào)切“自動(dòng)”運(yùn)行。

(6)將試驗(yàn)機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)控制方式切“現(xiàn)地”，采用全電壓?jiǎn)?lì)。

(7)恢復(fù)廠用10 kV供電、廠用400 V供電。

4試驗(yàn)內(nèi)容及過(guò)程

瀘定水電站黑啟動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，錄波情況見(jiàn)圖1、2、3。

從圖1～3中可以測(cè)出2 F機(jī)組電壓從起勵(lì)值到額定值所用時(shí)間為12.107 s，滿足黑啟動(dòng)要求。

表1　黑啟動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程及測(cè)試記錄結(jié)果表

圖1　黑啟動(dòng)過(guò)程手動(dòng)開(kāi)機(jī)至油泵啟動(dòng)油壓油位錄波圖

圖2　黑啟動(dòng)2 F機(jī)組啟勵(lì)錄波圖

機(jī)組電壓升壓至額定電壓后,500 kV線路母線電壓正常：母線電壓為536 kV；線路電壓為536 kV；發(fā)電機(jī)電壓為15.62 kV；機(jī)組無(wú)功：-18.3 MVar。

圖3　黑啟動(dòng)3 F機(jī)組帶500 kV線路零起升壓錄波圖

5結(jié)語(yǔ)

筆者通過(guò)從事水電廠多年工作取得的經(jīng)驗(yàn)和此次瀘定水電站水輪發(fā)電機(jī)組黑啟動(dòng)試驗(yàn)，建議水電廠黑啟動(dòng)中勵(lì)磁系統(tǒng)、油壓裝置、漏油裝置、滲漏集水井、直流系統(tǒng)以及設(shè)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)具備以下條件：

(1)勵(lì)磁系統(tǒng)應(yīng)保證整流柜風(fēng)機(jī)全部停風(fēng)后2～3 min內(nèi)勵(lì)磁系統(tǒng)不發(fā)生故障停機(jī)，整流柜溫升不大于60 ℃。對(duì)于長(zhǎng)線路充電問(wèn)題，如果黑啟動(dòng)的機(jī)組需要向系統(tǒng)充電，則需要考慮線路末端過(guò)電壓及機(jī)組自勵(lì)磁，故黑啟動(dòng)機(jī)組帶長(zhǎng)線路起勵(lì)時(shí)應(yīng)采用手動(dòng)起勵(lì)、逐步升壓的方式。

(2)從試驗(yàn)結(jié)果看，油壓裝置油壓為5.1 MPa時(shí)，可通過(guò)手動(dòng)補(bǔ)氣將油壓升至5.92 MPa，此時(shí)開(kāi)始黑啟動(dòng)，油壓為5.72 MPa時(shí)廠用電恢復(fù)，該油壓遠(yuǎn)高于事故低油壓保護(hù)整定值(4.9 MPa)；試驗(yàn)前，機(jī)組經(jīng)歷了甩負(fù)荷及停機(jī)過(guò)程，油量消耗較大，在此基礎(chǔ)上，機(jī)組仍黑啟動(dòng)成功，從而驗(yàn)證了機(jī)組既使在滿負(fù)荷時(shí)發(fā)生全廠失壓停機(jī)后，通過(guò)合理的程序、操作方式和時(shí)間控制，也可以保證黑啟動(dòng)成功。壓油裝置的油壓和油位特征值對(duì)應(yīng)機(jī)組接力器全行程耗油量，壓油罐油儲(chǔ)存量滿足機(jī)組接力器兩次全行程往返的耗油量。在正常情況下，油壓裝置的油壓可以保證機(jī)組進(jìn)行一次正常的自啟動(dòng)，但需要注意壓油槽的油氣比例，壓油槽油位不能低于正常操作的最低油位。

(3)電站柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)正常可靠，具備快速向廠用電母線充電、帶負(fù)荷能力，機(jī)組能夠通過(guò)柴油發(fā)電機(jī)帶輔助設(shè)備開(kāi)機(jī)并網(wǎng)。為避免輔助設(shè)備同時(shí)啟停時(shí)對(duì)柴油發(fā)電機(jī)的沖擊，建議柴油發(fā)電機(jī)帶廠用電時(shí)主要輔助設(shè)備采用手動(dòng)控制，依次啟動(dòng)。

(4)由于機(jī)組黑啟動(dòng)為非正常運(yùn)行方式，且因現(xiàn)在修建的水電站自動(dòng)化水平較高、日常值班人員較少，為了在事故情況下有效地快速實(shí)現(xiàn)黑啟動(dòng)，有條件的水電站應(yīng)在全廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中針對(duì)機(jī)組的黑啟動(dòng)條件和方式(包括開(kāi)機(jī)條件、參數(shù)限制值及保護(hù)閉鎖等)增加機(jī)組的黑啟動(dòng)流程。

(5)在漏油泵停止運(yùn)行的情況下，水輪發(fā)電

機(jī)組開(kāi)機(jī)至空載，漏油箱油位上升應(yīng)不超過(guò)漏油箱容量的90%。

(6)廠內(nèi)滲漏集水井排水泵停止工作，集水井水位上升速率應(yīng)滿足3 h內(nèi)集水井水位達(dá)到報(bào)警值前黑啟動(dòng)成功，以免造成水淹廠房的事故。

(7)直流系統(tǒng)應(yīng)滿足直流系統(tǒng)控制母線電壓在最大沖擊負(fù)荷時(shí)電壓波動(dòng)小于10%的額定電壓、廠用交流電源消失時(shí)可連續(xù)工作的保證時(shí)間應(yīng)大于8 h。

(8)對(duì)全廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的主控級(jí)和現(xiàn)地級(jí)分別進(jìn)行了交流電源中斷試驗(yàn)，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)電源(UPS電源或逆變電源)應(yīng)滿足在廠用交流電源消失時(shí)可連續(xù)工作的保證時(shí)間大于4 h。

(9)頂蓋排水泵停止運(yùn)行期間，頂蓋水位的上升不得超過(guò)最高水位。

(10)機(jī)組進(jìn)水管事故閘門(mén)或主閥應(yīng)具備無(wú)交流電源時(shí)僅依靠自重關(guān)閉功能。

(11)廠區(qū)、控制區(qū)事故照明不低于10 LUX，持續(xù)時(shí)間大于8 h。

收稿日期:2015-12-12

中圖分類(lèi)號(hào):TV7;TV737;TV734

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

文章編號(hào):1001-2184(2016)03-0091-04

作者簡(jiǎn)介:

蒲國(guó)慶(1973-)， 男，四川廣元人，副主任，高級(jí)工程師，學(xué)士，從事水電站機(jī)電設(shè)備維護(hù)技術(shù)與管理工作；

王紅俏(1976-)， 女，四川綿陽(yáng)人，工程師，學(xué)士， 從事水電站機(jī)電設(shè)備維護(hù)技術(shù)與管理工作.

(責(zé)任編輯：李燕輝)