黑啟動在水電廠的可行性探討與分析

陳松文

摘 要： 介紹了棉花灘電廠在福建省電網中作用，說明在電網黑啟動中所處的意義，并從棉花灘電廠現(xiàn)場設備直流系統(tǒng)、調速器系統(tǒng)、勵磁系統(tǒng)、輔機系統(tǒng)以及監(jiān)控系統(tǒng)等方面闡述了棉花灘電廠具備黑啟動的條件，以及黑啟動在棉花灘電廠的應用。

關鍵詞： 棉花灘電廠；黑啟動；試驗

1、前言

福建棉花灘水電廠是福建汀江流域上游一座大型水電站，集水面積7907平方公里，站址位于龍巖市永定區(qū)境內，裝機容量600MW，2001年投產發(fā)電，年平均發(fā)電量達15.2億千瓦時，是福建省第二大水電廠，作為福建電網的主力電廠，在福建電網中承擔著調峰調頻作用，兼有防汛抗洪功能。電廠裝有4臺單機容量為150MW混流式水輪發(fā)電機組，兩臺容量為360MVA的主變及四條220kV饋線，電站的接線方式為兩機一變擴大單元方式，220KV雙母線聯(lián)絡運行，電源分別輸送到龍巖地區(qū)及漳州地區(qū)，是福建閩西南地區(qū)電網中的主要電源之一。

2、電廠黑啟動的意義

當某個局部電網系統(tǒng)因發(fā)生系統(tǒng)故障或自然災害使得整個電網系統(tǒng)瓦解和崩潰，造成大面積停電，而在電廠方面，由于廠用電的消失，將造成機組無法正常開機，輔助設備無法正常工作，將造成設備的損壞，如水電廠因集水井水位上升無法抽出，將可能水淹廠房，在上游洪水來臨之時因無法提閘而造成垮壩等重大事故。因此在事故停電后，為減小經濟損失，及時啟動黒啟動措施，在不依賴別的網絡幫助，通過系統(tǒng)中具有自啟動能力機組的啟動，帶動無自啟動能力的機組，逐漸擴大系統(tǒng)恢復范圍，最終實現(xiàn)整個系統(tǒng)的恢復過程，減少系統(tǒng)停電時間，降低經濟損失。因此，黒啟動對于電網事故停電的快速恢復是十分必要和有效的。

在整個電力系統(tǒng)中，水電廠相對于其它電廠，其特點是機組及輔機系統(tǒng)簡單，啟動速度快，以水電機組的成功啟動帶動不具備黑啟動能力的機組（主要指火電機組），應是理想的首選黑啟動電源。因此水電機組的成功啟動是各子系統(tǒng)啟動、乃是整個電網恢復的基礎和關鍵。

3、棉花灘電廠黑啟動分析

當整個電力系統(tǒng)瓦解時，而棉花灘電廠四臺機組又處停機狀態(tài)時，將造成整個廠用電系統(tǒng)消失，廠用電的消失又使得機組不能正常開機。因此，在電廠失去外來電源的情況下，盡快恢復本廠廠用電是整個黑啟動的關鍵。棉花灘電廠在無外來電源的情況下，主要是利用機組自動啟動能力迅速開啟機組恢復廠用電，即利用機組調速器壓油罐殘壓進行啟動，在恢復廠用系統(tǒng)正常供電后，然后逐步向電網系統(tǒng)供電，直到整個電網系統(tǒng)恢復正常。

3.1利用機組殘壓自啟動能力開啟機組恢復廠用電

機組的自動啟動涉及到較多系統(tǒng)，如直流系統(tǒng)、調速器系統(tǒng)、勵磁系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、輔機系統(tǒng)，每個系統(tǒng)都是環(huán)環(huán)相扣，若有一個系統(tǒng)出現(xiàn)問題，則很可能造成開機不成功。因此，分析每個系統(tǒng)在失去廠用電情況下是否能夠正確動作，才能確保機組自啟動的成功。

直流系統(tǒng)是一個獨立的電源，不受發(fā)電機、交流廠用電系統(tǒng)運行方式的影響，供電可靠性高，運行穩(wěn)定，在電廠中給控制、信號、繼電保護自動裝置、監(jiān)控、通信提供電源，給斷路器提供可靠合閘電源，在廠用電消失時提供事故照明，給滅磁開關提供分合閘電源，在機組開機建壓時提供起勵電源。因此，直流系統(tǒng)的正常供電是整個黑啟動的前提。棉花灘電廠直流系統(tǒng)運行方式為浮充電運行方式，正常情況下直流電源由充電柜將交流電源轉為直流電源供給所需直流負荷，以微小電流向直流蓄電池充電，保持蓄電池正常充滿電，當交流消失時，由蓄電池向直流負荷供電，保證控制、信號、繼電保護自動裝置等設備的正常運行。棉花灘電廠共有四套獨立的直流系統(tǒng)，分別為廠房直流系統(tǒng)、升壓站直流系統(tǒng)、監(jiān)控直流系統(tǒng)以及通信直流系統(tǒng)，每套直流又有二組獨立的蓄電池組，分別向二段直流母線供電，每段直流母線可獨立運行也可聯(lián)絡運行，保證直流負荷不間斷供電。經計算廠內蓄電池容量完全能夠滿足所有廠內直流負荷的較長時間供電，能夠保證機組黑啟動過程中直流負荷的供電時間。

調速器系統(tǒng)是整個機組正常運行控制的心臟，機組的正常運行是由調速器液壓系統(tǒng)控制導葉開度來控制進入水輪機轉輪的流量，而調速器接力器的操作能源是壓油罐里的壓力油，由高壓氣系統(tǒng)和壓油泵共同形成。經實際測得棉花灘電廠在機組停機狀態(tài)下，壓油罐油泵間隔30分鐘需打壓一次，在機組運行中油泵間隔3分鐘即要打壓一次，油壓下降較快。并且壓油罐油位不能低于最低操作油位，否則當油位太低時，無法對導葉進行操作，將造成機組事故停機。因此，當廠用電消失油泵無法啟動，利用調速器壓油罐殘壓進行啟動機組時，要求操作人員需第一時間進行操作，且操作時速度必須要非常快，快速將機組開啟，并快速對主變零起升壓，及時帶上廠用電，恢復油泵打油，否則油壓將無法維持，油位也將下降較快，可能造成機組事故停機，造成機組黑啟動無法成功。

勵磁系統(tǒng)是機組啟動正常后能否正常建壓的關鍵。棉花灘電廠機組對主變充電是采用機組對主變帶220KV母線零起升壓的方式進行，待電壓正常后對線路進行充電。由于長線路存在對地電容的原因，有可能造成機組和線路電壓過高，防止機組自激勵磁。勵磁調節(jié)系統(tǒng)采用直流電源和EUPS電源進行供電，機組起勵電源由直流系統(tǒng)供給，因此，在廠用電消失時，勵磁調節(jié)系統(tǒng)可正常進行工作，正常對機組進行建壓。由于黑啟動時因無廠用電，勵磁風機將無法運行，故需注意勵磁三相全控橋整流可控硅柜溫度過高，可考慮在勵磁柜加裝勵磁自用變，作為勵磁風機電源。

輔機系統(tǒng)能否正常運行在整個黑啟動過程中是否成功也是很重要。機組在啟動前必須先投入技術供水，棉花灘電廠機組技術供水采用蝸殼取水方式，經電動閥供給，在廠用電消失時將無法開啟，須人工操作，因此，在機組黑啟動時應迅速將電動閥手動開啟，給機組各冷卻系統(tǒng)供水，保證機組運轉后各冷卻系統(tǒng)溫度不超紅線。主變的冷卻系統(tǒng)為強迫油循環(huán)水冷卻系統(tǒng)，在廠用電消失時，機組黑啟動對主變零啟升壓時油冷泵將無法工作，導致主變油溫上升較快，必須要以最快的速度將廠用電恢復啟動油冷泵工作，控制主變油溫在正常范圍。

監(jiān)控系統(tǒng)是全廠所有設備的控制中心。整個上位機和現(xiàn)場LCU均采用獨立的UPS供電，在廠用交流電消失情況下，應保證整個監(jiān)押系統(tǒng)能夠正常工作。為保證能夠長時間進行供電，在黑啟動時可將部分只作監(jiān)視顯示器電源關閉，從而保證對全廠設備的監(jiān)視與控制以及機組黑啟動能夠成功。

4、棉花灘電廠黑啟動演練

棉花灘電廠運維部根據(jù)本廠情況制定了《棉花灘水電廠黑啟動應急預案》，并根據(jù)此應急預案制定了黑啟動演練方案，為保證棉花灘電廠黑啟動能夠成功，組織各生產人員進行培訓學習，并每年安排一次黑啟動演習。黑啟動演習力求真實有效，將電廠其中一單元全停，機組機旁盤配電柜進線開關斷電，模擬整個電網系統(tǒng)停電，全廠廠用電消失，進行電廠黑啟動演習。利用#1機組殘壓手動開機對#1主變零起升壓，成功后對220KV母線模擬送電，并達到向電網送電的目的。在每次實際演習中的主要問題是機組調速器壓油罐的油壓及油位下降較快，這就要求黑啟動操作人員必須操作迅速，在全廠失電情況下，要第一時間內把機組啟動成功，并快速對主變零起升壓正常，使廠用電迅速恢復，否則黑啟動很難成功。

5、結束語

電廠機組黑啟動能否成功，對整個電網的黑啟動，迅速恢復電網的運行，將起到至關重要的作用，因此電廠的黑啟動的價值也就不言而喻了。