具有水電站黑啟動功能數(shù)字式調(diào)速器設(shè)計與實現(xiàn)

張治宇，李 娜

（中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

木扎提河三級水電站工程總裝機容量為160 MW，安裝2臺單機容量為70 MW的混流式水輪發(fā)電機組調(diào)速系統(tǒng)設(shè)備和2臺單機容量為10 MW的混流式水輪發(fā)電機組調(diào)速系統(tǒng)設(shè)備。年發(fā)電5.424億kW·h，承擔(dān)著新疆阿克蘇地區(qū)重要供電任務(wù)，對地方經(jīng)濟發(fā)展和社會穩(wěn)定起著重要作用。

水電站機組安全穩(wěn)定的運行是影響電網(wǎng)運行安全的重要因數(shù)，當(dāng)出現(xiàn)特殊情況時，當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)大面停電，需要電廠自救，快速恢復(fù)廠用系統(tǒng)供電，配合電網(wǎng)恢復(fù)電網(wǎng)供電。黑啟動成為電廠必備功能，西北電網(wǎng)明確要求木扎提水電廠必須具備實現(xiàn)黑啟動功能，木扎提水電站同時要求調(diào)速器必須實現(xiàn)黑啟動功能。

調(diào)速器作為水電廠廠內(nèi)一個重要的發(fā)電設(shè)備，完成機組開啟關(guān)閉控制、機組功率調(diào)節(jié)、頻率調(diào)節(jié)，對保證水電廠的黑啟動成功有著重要的意義。

1 具有黑啟動功能的調(diào)速器技術(shù)要求

1.1 調(diào)速器黑啟動的基本概念

當(dāng)水電廠廠用交流電消失時，利用水電廠廠內(nèi)直流蓄電池存儲的電能量、儲能油罐儲存的液壓能量，開啟機組，恢復(fù)廠用電。

1.2 對調(diào)速器基本技術(shù)要求

（1）對于混流式水輪機組，在正常工作油壓下限且油泵不運行時，油壓降至不低于最低操作油壓條件下，壓力油罐可用的油體積至少能保證提供不小于導(dǎo)葉接力器開-關(guān)-開3個行程。

（2）調(diào)速系統(tǒng)控制電源應(yīng)采用交直流供電配置。

（3）應(yīng)具備孤網(wǎng)運行方式和能力。

（4）補氣裝置應(yīng)能手動操作，或在直流供電情況下能自動補氣。

1.3 調(diào)速器滿足黑啟動要求的詳述

選定一臺單機容量為10 MW的混流式水輪發(fā)電機組調(diào)速系統(tǒng)設(shè)備來參與黑啟動。這臺機組的調(diào)速器選用的是數(shù)字式調(diào)速器，型號YCVT-30000-16-SKA，并對滿足黑啟動和孤網(wǎng)選型及參數(shù)進行進一步闡述。

1.3.1 數(shù)字式調(diào)速器的組成

YCVT-30000-16-SKA數(shù)字式調(diào)速器由機械液壓柜和電氣控制柜組成

（1）機械液壓柜由集油箱、油泵電機組、儲能油罐、控制閥組、壓力顯示及控制裝置、管道組成。

（2）電氣控制柜由控制器及信號通道構(gòu)成，其主要配置包括：PCC數(shù)字控制器系統(tǒng)、頻率隔離整形模塊、交直流雙電源系統(tǒng)、驅(qū)動放大模板、有功變送器、人機界面HMI，開關(guān)/按鈕/指示燈等附件。

1.3.2 調(diào)速器的儲能油罐

調(diào)速器儲能油罐選用皮囊式蓄能器提供調(diào)速器的油源，皮囊式蓄能器包括一個承壓殼體、彈性膠囊、充氣閥和進出油閥。當(dāng)皮囊式蓄能器工作時，從充氣閥充入氮氣，壓力到預(yù)沖壓力，當(dāng)充入油液后皮囊收縮氣體受到壓縮，壓力升高到工作壓力停止充壓完成儲能。當(dāng)工作時壓力降低，則壓縮氣體膨脹皮囊擴張，排出油液，供給調(diào)速器導(dǎo)葉控制閥組和接力器工作壓力和流量。使用皮囊式蓄能器膠囊慣性小，反應(yīng)靈敏，快速地提供調(diào)速器的能量并能消除壓力脈動； 皮囊將油氣隔開，油氣不會混合，維護容易、附屬設(shè)備少、安裝容易、充氣方便。皮囊式蓄能器預(yù)充氮氣后能使用一年以上，最大的好處是免除了自動補氣裝置。自然的滿足了1.2中第4條的要求。

1.4 合理配備蓄能器個數(shù)和體積，保證黑啟動的成功

1.4.1 調(diào)速器用油量

調(diào)速器用油量包括接力器的用油、鎖定電磁閥和過速控制器的液控閥的用油和調(diào)速器導(dǎo)葉閥組的內(nèi)泄漏。

（1）確定調(diào)速器控制的接力器的用油量 木扎提電廠接力器的活塞直徑Φ90 mm；接力器的活塞桿直徑Φ50 mm；接力器的行程185 mm；接力器的數(shù)量2只。

（2）計算蓄能器的容積必要的參數(shù)量和數(shù)值：額定工作油壓上限P0max（16 MPa）、額定工作油壓下限P0min（14.4 MPa）、事故低油壓PT（11.5 MPa）、最低操作油壓PR（10 MPa）、蓄能器的預(yù)充氣壓力Pair（8 MPa）、接力器開啟腔容積VSo（2 L）、接力器關(guān)閉腔容積VSc（2 L）、事故停機需油量Vj（2 L）。

1.4.2 蓄能器容量計算

蓄能器容積VO按下式進行計算：式中0.715為蓄能器多變指數(shù)

1.4.3 輔助油源需要的流量

鎖定電磁閥是開機前拔出接力器鎖定裝置的電磁閥，開機前需要動作一次所需的油量大約2 L；當(dāng)機組過速時，機械過速裝置的液控閥動作一次所需的油量大約1 L。

1.4.4 數(shù)字式調(diào)速器內(nèi)泄漏

由于調(diào)速器系統(tǒng)中存在內(nèi)泄漏，內(nèi)泄漏會消耗蓄能器的油量，調(diào)速導(dǎo)葉控制閥組采用了數(shù)字閥減小內(nèi)泄漏量，延長了調(diào)速器的啟泵間隔時間，降低能耗。

計算內(nèi)泄漏量：導(dǎo)葉控制閥組產(chǎn)生內(nèi)泄漏的閥分布在導(dǎo)葉控制閥組上。首先了解調(diào)速器導(dǎo)葉控制閥組的結(jié)構(gòu)。

調(diào)速器導(dǎo)葉控制閥組由3個數(shù)字閥、1個導(dǎo)葉壓緊閥、1個手動閥、1個緊急停機閥，1個事故液動閥、1個事故電磁閥1個分段閥電磁閥共9個閥組成。這些閥都可能產(chǎn)生內(nèi)泄漏。依據(jù)SL 755-2017中小型水輪機調(diào)速器技術(shù)規(guī)程中閥內(nèi)泄漏量的規(guī)定，NG6通徑的閥內(nèi)泄漏不大于100 mL/min，得出調(diào)速器導(dǎo)葉控制閥組最大內(nèi)泄漏量為5.4 L/h。

1.4.5 蓄能器的容量

在黑啟動時，由于完全依靠蓄能器儲存的油來開關(guān)接力器，考慮到內(nèi)泄漏，適當(dāng)加大蓄能器的容積，延長停機到再次開機時間，選定蓄能器容積80 L，正常工作油壓下限14.4 MPa到最低操作油壓10 MPa，提供的油體積V=VO（Pair/PR)0.715-VO(Pair/Pomin）0.715=15.67 L。

據(jù)上得出：15.67 L/2 L=7.8大于3個接力器行程，滿足黑啟動1.2中的第一條要求。

1.5 現(xiàn)有蓄能器容量能保證的黑啟動等待時間

在黑啟動的狀態(tài)下，由于廠內(nèi)其他設(shè)備在做準備工作，調(diào)速器在停機等待狀態(tài)下，能為其他設(shè)備提供多長的開機準備時間是一個關(guān)鍵問題。設(shè)定調(diào)速器在停機等待時工作油壓在正常工作油壓下限14.4 MPa，油泵不能啟動，由于調(diào)速器系統(tǒng)內(nèi)泄漏的存在，調(diào)速器蓄能器的油壓慢慢下降，多長時間到達能開啟接力器的最低操作油壓10 MPa?從1.4.5中知正常工作油壓下限14.4 MPa到最低操作油壓10 MPa提供的油體積15.65 L，調(diào)速器導(dǎo)葉控制閥組內(nèi)泄漏量5.4 L/h，15.65 L/5.4=2.9 h。理論上為電廠開機可以等待2.9 h。木扎提電廠調(diào)速器實測開機等待時間大于4 h。

1.6 蓄能器油壓失壓時的建壓

當(dāng)水電廠準備黑啟動工作時間過長，調(diào)速器蓄能器的壓力下降低于最低操作油壓10 MPa或者完全失去壓力時，調(diào)速器準備了純?nèi)斯し绞郊匆檬謩颖媒o蓄能器充壓。

油源由吸油過濾器、油泵、電機、精過濾器、安全閥、單向閥和手動泵組成，正常供油是電動機旋轉(zhuǎn)帶動油泵從吸油過濾器吸油，經(jīng)精過濾器、單向閥供入蓄能器中。一般是雙電機雙泵一主一備的供油方式。

在黑啟動過程中，由于廠用交流電消失，交流電機不能啟動。當(dāng)蓄能器的工作壓力從額定工作油壓到了事故低油壓，可以通過手人工操作手動泵手柄方式從吸油過濾器吸油經(jīng)單向閥打入蓄能器中達到額定工作壓力的下限。手動泵技術(shù)參數(shù)：額定工作油壓：16 MPa，手動排量：200 mL/次，以5次/min的操作頻率，大約需要30 min蓄能器的油壓從0到額定工作油壓下限14.4 MPa。

1.7 滿足黑啟動的調(diào)速系統(tǒng)控制電源

（1）廠用交流電源：220 V±10%，50 Hz，≤1 000 VA；廠用直流電源：220 V±10%，≤1 000 W

（2）調(diào)速器使用的開關(guān)電源：開關(guān)電源LRS-350-24，輸入電壓：AC 85～264 V，輸入電壓：DC 24 V

（3）調(diào)速器供電原理如圖1所示。

圖1 調(diào)速器供電的原理

由圖1看出，廠用交流電和廠用直流電同時供給調(diào)速器開關(guān)電源。當(dāng)廠用交流電消失后，調(diào)速器由廠用直流電單獨供電，調(diào)速器電器控制柜能正常使用。

滿足調(diào)速器黑啟動1.2中的第二條要求。

1.8 調(diào)速系統(tǒng)在黑啟動時的運行方式

在黑啟動時，調(diào)速器是以孤網(wǎng)方式運行。

調(diào)速器在孤網(wǎng)運行時，由于電網(wǎng)容量小、負荷變動的相對值較大，水擊作用的影響很大，這種工況下的水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性很差。在多個電廠的實際運行過程中表明，孤網(wǎng)運行工況要比空載更難以穩(wěn)定。目前一些調(diào)速器廠家一般只把空載作為最不利工況，按空載整定一組調(diào)節(jié)參數(shù)以外，再按大網(wǎng)工況整定另一組調(diào)節(jié)參數(shù)，以斷路器信號觸點來控制這兩種工況參數(shù)的切換，往往不考慮孤網(wǎng)運行工況，如果遇到特殊情況，比如電站與大電網(wǎng)突然解列，帶局部地區(qū)負荷，機組斷路器并未跳開，而起作用的仍是大網(wǎng)一次調(diào)頻運行參數(shù)，此時調(diào)節(jié)系統(tǒng)就會振蕩發(fā)散、調(diào)速器大量耗油，油泵頻繁啟動都無濟于事，直至油罐耗空，機組失控，促使地區(qū)系統(tǒng)進一步瓦解，擴大事故。

數(shù)字調(diào)速器能自行判斷孤網(wǎng)運行狀態(tài)。

由于通過機組斷路器觸點只能判斷機組是處于空載還是發(fā)電，外部不可能有其它觸點告訴調(diào)速器是大網(wǎng)發(fā)電工況還是孤網(wǎng)發(fā)電工況，數(shù)字式調(diào)速器設(shè)計合理的判據(jù)自行可靠判斷機組處于大網(wǎng)運行還是孤網(wǎng)運行。

通過數(shù)字式調(diào)速器多年技術(shù)研發(fā)，對孤網(wǎng)運行的穩(wěn)定性進行了深入的研究。為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，對孤網(wǎng)工況的調(diào)節(jié)算法、調(diào)節(jié)參數(shù)作特別的設(shè)計，設(shè)計合理的孤網(wǎng)運行參數(shù)，數(shù)字式調(diào)速器采用變結(jié)構(gòu)、變參數(shù)PID控制策略，PCC微機調(diào)節(jié)器能自動選擇適合空載運行、大電網(wǎng)運行以及區(qū)域局部電網(wǎng)運行的優(yōu)化調(diào)節(jié)和控制參數(shù)，可以保證調(diào)速器在每一工況下都具有良好的調(diào)節(jié)特性。

數(shù)字式調(diào)速器單機帶負荷（孤網(wǎng)）有著優(yōu)良的表現(xiàn)，在發(fā)電機出口斷路器不斷開，帶廠用電運行時，機組能很快進入穩(wěn)定運行。電廠孤網(wǎng)穩(wěn)定運行時突加30%額定負荷和突減30%額定負荷試驗。

試驗結(jié)果表明，數(shù)字式調(diào)速器的穩(wěn)態(tài)頻率均不超過50±0.5 Hz，從負荷開始突變到穩(wěn)態(tài)頻率的最大調(diào)節(jié)時間不超過35 s。滿足了黑啟動時電網(wǎng)快速穩(wěn)定的要求。

2 數(shù)字調(diào)速器黑啟動的流程

確認廠用400 V供電正常，保證機組調(diào)速器控制的發(fā)電機組能正常運行，廠內(nèi)其他設(shè)備如：勵磁系統(tǒng)、直流系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、保護系統(tǒng)、公用系統(tǒng)、一次電氣設(shè)備等在正常工作狀態(tài)。

電器控制柜直流電源220 V正常，確認調(diào)速器油壓在正常工作范圍內(nèi)，接力器鎖定拔出，調(diào)速器導(dǎo)葉壓緊閥解除，轉(zhuǎn)入開機等待狀態(tài)。

開機有兩種方式,方式1遠方操作：接受監(jiān)控系統(tǒng)開機指令轉(zhuǎn)入空載狀態(tài)到額定轉(zhuǎn)速。方式2調(diào)速器現(xiàn)地操作:用調(diào)速器的電手動或調(diào)速器導(dǎo)葉閥組的手動閥將接力器開啟，同時觀察調(diào)速器轉(zhuǎn)速表到空載轉(zhuǎn)速。

廠用電倒閘操作，油開關(guān)合，調(diào)速器帶廠用電負荷，進入孤網(wǎng)調(diào)節(jié)，直到配合電網(wǎng)恢復(fù)電網(wǎng)供電。

3 結(jié)語

調(diào)速器的正常運行保證了機組和電網(wǎng)的安全可靠運行，保障了水電廠黑啟動的成功。通過對YCVT-30000-16-SKA型數(shù)字式調(diào)速器的機械液壓和電器控制柜元器件的選型及孤網(wǎng)參數(shù)選擇的詳細闡述，并對其中最重要的儲能元件-蓄能器容量的驗算，保證了數(shù)字調(diào)速器實現(xiàn)黑啟動和快速穩(wěn)定的調(diào)節(jié)，成功實現(xiàn)了木扎提河三級水電站A類黑啟動。