土谷塘水電站機組黑啟動模式探索分析

劉興斌，曾 輝

（湖南省水運建設投資集團有限公司，湖南 長沙 410011）

1 電站概況

土谷塘航電樞紐工程位于湘江衡陽市上游39km的衡南縣云集鎮，是《湘江干流航道發展規劃》八個梯級中開發建設的最后一級，也是交通運輸部和湖南省“十二五”利用亞行貸款的重點內河建設項目，以航運為主，兼有交通、發電、灌溉和供水等水資源綜合利用項目，主要建筑物包括船閘、泄水閘、電站、魚道及相關設施。其中船閘工程為三級航道標準，設計年通過能力1 420萬t，電站裝機4臺，總裝機容量9萬kW，設計最大發電量3.62億kW·h，項目總投資約29.54億元，總工期50個月。作為省委、省政府建設“東方萊茵河”戰略重點的基礎設施項目，工程建成后，可消除湘江中游的“瓶頸”航道，使國家規劃的湘江高等級航道增至為585 km，對連通長江水系，實現干支直達，江海聯運，優化湖南交通運輸結構，改善湘江流域環境，充分發揮水運綠色、低碳、環保、運量大、運輸成本低等優勢具有十分重要的戰略意義。土谷塘航電樞紐船閘于2014年12月16日正式通航，首臺機組（1號機組）于2015年12月23日正式并網發電。2016年10月11日4臺機組全部并網發電。

2 水電站主要設備配置情況

2.1 水輪發電機組

發電機組采用東芝水電設備（杭州）有限公司生產的SFWG22.5—80/7980型發電機。額定容量為25MVA，額定功率22.5MW,定子額定電壓為10.5kV，額定功率因數為0.9，定子繞組接線為星形，額定轉速75 r/min，絕緣等級F級。

2.2 勵磁系統

勵磁系統選用廣州擎天實業有限公司生產的FJL-5EMISPADD2B型勵磁系統，采用自并激可控硅勵磁方式，由勵磁變壓器、可控硅整流裝置、滅磁開關、滅磁電阻柜、電氣制動開關及勵磁用保護、測量TA、TV等設備組成。

2.3 主變壓器

電站設2臺主變壓器，均為特變電工衡陽變壓器廠生產。主變型號為SFP11-50000/110升壓變壓器，額定容量為50 000 kVA，額定電壓為121/10.5 kV,空載損耗29.81 kW，冷卻方式為ODAF(強油循環風冷)，接線組別為Ynd11。

2.4 調速器系統

土谷塘水電站調速器為武漢長江控制設備研究所生產。電液隨動系統主要技術參數如下：

主配壓閥直徑 100/150 mm

工作油壓 6.3 MPa

電液比例閥通徑 Φ10 mm

濾油精度 ≤20 μm

濾油器通流能力 25 l/min

電源 DC220 V/DC24 V

圖1 土谷塘水電站主接線圖

3 系統組網及運行方式

土谷塘水電站主接線情況如圖1，采用擴大單元接線方式，1號機組和2號機組經出口斷路器接于10 kV母線I段，再經1號主變升壓后接入110 kV母線；3號機組和4號機組分別經出口斷路器接于10 kV母線II段，再經2號主變升壓后接入110 kV母線。110 kV母線采用單母線接線方式，僅一回出線（土云線）與系統連接。廠用電系統設2臺SCB10-1600/10型廠用變壓器，分別向廠用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段供電，正常供電時為單母分段運行。異常情況下，任意一臺廠用變壓器均可帶其他兩段運行，三段失壓的情況下，可由柴油發電機向廠用Ⅱ段供電。

4 黑啟動的必要性分析

土谷塘水電站為河床式廠房，電站廠房在水庫下面，額定水頭低（僅為5.8 m），河流徑流量大，水庫為日調節水庫，調節能力差。同時，樞紐肩負著巨大的通航壓力任務。船閘通航、弧門啟閉、滲漏和廠區集水井排水等對供電的可靠性要求都很高。土谷塘樞紐船閘和電站廠房各配置了1臺柴油發電機（均為400 kW）作為備用保安電源，其中船閘柴油發電機用于弧門及通航應急保安電源供電，電站柴油發電機用于廠用電系統應急保安電源供電。船閘柴油發電機配置容量可滿足2孔弧門（2×55 kW）操作用，電站柴油發電機配置容量可滿足1臺廠區排水泵（37 kW）、1臺滲漏排水泵（110 kW）和1臺中壓氣機（11 kW）電機容量要求。由于土谷塘水電站僅一回出線（土云線）與系統并網，一旦系統發生故障導致機組全部甩負荷保廠用失敗停機，在短時間無法恢復的情況下，如何利用船閘柴油發電機開啟弧門，保證水庫安全和通航安全，以及利用電站柴油發電機保廠用供電安全，因此確保土谷塘航電樞紐自身安全具有十分重要的意義。同時，利用電站柴油發電機供電，黑啟動成功后，根據衡陽地調要求，作為一個電源點，對恢復系統供電提供了強有力的保障。

5 黑啟動現狀分析

盡管土谷塘水電站在設計中考慮了機組黑啟動模式，在機組軸承油系統中設置了直流頂軸油泵，在勵磁系統中設置了直流起勵、機組殘壓起勵等黑啟動條件。但現實情況中，如果發生系統故障導致機組全部甩負荷保廠用失敗停機，機組壓油槽油壓和油位會迅速下降，因此無法利用調速器壓油槽剩余油及機組直流起勵、機組殘壓起勵，不能實現真正意義上的黑啟動，主要原因分析如下：

5.1 軸承潤滑系統

機組軸承潤滑系統中配置了2臺型號為HSNH440-40的交流軸承油泵，油泵功率為11 kW，一旦全廠失壓，交流軸承油泵將無法工作。因此，如果在全廠失壓的情況下不利用柴油發電機，實現真正意義上的黑啟動是無法完成的。

5.2 調速器系統

調速器設計操作的油壓為6.3 MPa,壓力油罐容積為9 000 L，其中壓力油占1/3，約3 000 L，設置了2臺功率為90 kW的交流調速器油泵，正常情況下能提供機組導葉從全開位置到全關位置，以及漿葉從全關位置到全開位置的全部用油量。在機組停機過程中，為了控制機組轉速上升值，遏制機組浪涌高度，調速器將機組導葉開度分段關閉至0%，槳葉開度開至100%，整個過程導葉接力器需消耗壓力油約450L，槳葉接力器需要消耗壓力油約180L，在機組開機啟動前，調速器將機組槳葉開度由100%關至0%已協聯導葉開機，再將機組開啟至空載，導葉接力器需要消耗壓力油約260 L，槳葉接力器需要消耗壓力油約220 L，再加上各管路的油耗，總耗油量不會超過3 000 L。因此，正常情況下，利用壓油槽剩余壓力油基本可以滿足機組黑啟動開機至空載的要求。

5.3 直流系統

直流系統采用2套微機高頻開關電源裝置，額定電壓為220 V，直流母線分兩段。蓄電池采用2組閥控式免維護鉛酸膠體電池組，容量400 Ah，每組104個，單體電壓2 V。在系統事故導致全廠失壓，電站柴油發電機未啟動的情況下，電站事故照明、計算機監控系統、通訊系統、保護系統等重要負荷均由蓄電池提供電源保障。在機組黑啟動時，作為機組頂軸油泵、直流起勵等供電，因蓄電池容量有限，機組在直流起勵過程中，直流母線電壓將迅速下降，意義上的黑啟動難以滿足。

6 機組黑啟動的有效程序及措施

通過對土谷塘水電站主要設備配置情況、系統組網及運行方式、機組黑啟動的必要性以及黑啟動現狀的分析，土谷塘水電站實現真正意義上的黑啟動，即在全廠失壓的情況下，通過電站現有的直流系統供電，利用壓油槽剩余壓力油將機組開啟至空載帶廠用及近區等孤立負荷，是無法達到要求的。因此，充分利用電站柴油發電機恢復廠用電系統供電，帶機組輔機電源等廠用重要負荷，從而開機至孤網運行是行之有效的方法。下面以2號機組黑啟動帶廠用和近區負荷程序步驟為例：

1）啟動廠用柴油發電機，合上柴油發電機本體開關。

2）檢查112開關、104開關、132開關確在“斷開”位置，退出廠用電備用電自投裝置，合上122開關，102開關，柴油發電機供廠用Ⅰ、Ⅱ段。

3）拉開廠用Ⅰ、Ⅱ段母線上非必要大功率設備電源抽屜開關。檢查2號機組輔機電源確在廠用Ⅰ段（如未在Ⅰ段則手動倒換至廠用Ⅰ段）。

4）退出近區電備自投裝置。檢查2號機組壓油槽油壓、油位是否正常，如果低，手動啟動2號機組1號調速器油泵至停泵油位后切停油泵。

5）檢查滲漏、檢修、廠區集水井水位是否正常，如果高，手動啟動相應排水泵，至停泵水位后切停水泵。檢查中壓氣機系統氣壓是否正常，當中壓氣系統氣壓低于正常值，手動啟動1號或者2號中壓氣機，至正常氣壓值時切停中壓氣機。

6）拉開1號廠用變壓器1CB高壓側314開關、330開關、310開關。

7）檢查2號機組高位油箱油位正常，壓油槽油位油壓正常、勵磁系統正常，具備開機條件。上位機發2號機組“黑啟動”令，監視2號機組黑啟動帶10.5 kVⅠ母正常。手動啟動2號機組6臺發電機風機和碳粉吸塵器，并退出停機加熱器和除濕機。

8）合上104開關，柴油機帶廠用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段。

9）合上314開關，檢查1CB充電正常。拉開102開關，合上112開關，則10.5 kVⅠ母通過1CB供電廠用Ⅰ段（注意在倒換廠用時2號機組輔機電源中斷導致停機）。

10）拉開122開關，并將其搖至“試驗”位置。合上102開關，用1CB帶廠用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段運行，恢復廠用Ⅰ、Ⅱ段所有負荷抽屜開關，并將所有水泵、氣機、2號機組2臺調速器油泵置“自動”方式。

11）停廠用柴油發電機。倒換近區供電方式。

備注：假設事故前為正常運行方式：1CB帶廠用Ⅰ段，2CB帶廠用Ⅱ、Ⅲ段；近區供電由10.5 kVⅠ母通過330開關供電。機組全停后，全廠失壓（112開關,132開關會失壓跳開），近區失電（330開關，340開關因為備投關系會互跳一次：330開關分，340開關合，然后330開關合，340開關分）。

7 結束語

土谷塘航電樞紐水庫容量小，正常蓄水位58.0m，死水位為57.0 m，可調節庫容僅為2 770萬m3。河床式廠房對廠用排水系統、弧門操作系統電源等供電可靠性要求更高，加上土谷塘水電站僅一條出線線路與系統并網，出現系統故障機組甩負荷停機的可能性非常大，一旦全廠失壓，如何利用船閘柴油發電機開啟弧門，保證水庫安全和通航安全，利用電站柴油發電機保廠用供電安全，對土谷塘水電站至關重要，作為土谷塘水電站每一位生產人員尤其是電站運行維護人員，都必須熟練掌握。