托口電廠水輪發(fā)電機組黑啟動程序優(yōu)化與探討

宋 青

（1.五凌電力有限公司，湖南 長沙 410000；2.湖南省水電智慧化工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410000）

1 前言

托口電廠位于湖南省洪江市境內(nèi)，為沅水干流第五座梯級水電廠，整個工程由兩座大壩、兩個發(fā)電廠房和兩壩間近10 km 的河灣地塊防滲工程組成，水庫總庫容12.49 億m3，有效庫容6.15 億m3。電廠安裝有4 臺單機容量為200 MW 以及2 臺單機容量為15 MW 的混流式水輪發(fā)電機組，總裝機830 MW，其中單機容量為200 MW 屬于華中網(wǎng)調(diào)管轄，單機容量為15 MW 的機組屬于懷化地調(diào)管轄。作為一座湘西南的重要水電廠，一旦發(fā)生全廠停電事故，若不能及時恢復(fù)廠用電，就有可能導(dǎo)致設(shè)備損壞、水淹廠房、水漫弧門等重大事故，造成巨大的經(jīng)濟損失。因此，有必要針對托口電廠的黑啟動現(xiàn)狀分析，并通過相應(yīng)措施確保機組具備黑啟動能力，以滿足《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項重點要求》中關(guān)于加強大面積停電恢復(fù)能力相關(guān)要求，進一步保障電廠及電網(wǎng)安全。

2 托口電廠主接線及廠用電介紹

托口電廠主接線采用聯(lián)合單元接線方式，其中1 號機組和2 號機組經(jīng)出口斷路器分別接于經(jīng)1 號、2 號主變升壓后接入500 kV Ⅰ母線；3 號機組和4號機組分別經(jīng)出口斷路器分別接于經(jīng)3 號、4 號主變升壓后接入500 kV Ⅰ母線。500 kV 母線采用單母線接線方式，僅一回出線 （托牌線）與系統(tǒng)連接。廠用電系統(tǒng)，1 號機經(jīng)1 號高廠變21B 降壓后由310斷路器帶廠用10 kV Ⅰ段，3 號機經(jīng)2 號高廠變22B降壓后由320 斷路器帶廠用10 kV Ⅱ段,正常情況，廠用10 kV Ⅰ、Ⅱ分段運行；外來電源作為備用電源經(jīng)300 斷路器（300 斷路器一般處于“分閘”位置）帶廠用10 kV Ⅱ段，柴油發(fā)電機作為黑啟動緊急備用電源，接于公用400 V Ⅱ段，廠用電接線圖如圖1。

圖1 廠用電接線圖

3 托口電廠黑啟動現(xiàn)狀分析

3.1 主設(shè)備配置情況

（1）水輪發(fā)電機組

托口電廠發(fā)電機采用哈爾濱電機廠生產(chǎn)的型號為SF200—68/15250 混流式水輪發(fā)電機組，額定功率200 MW,定子額定電壓為15.75 kV，額定轉(zhuǎn)速88.2 r/min，絕緣耐熱等級F 級。機組停備超過10 d需要頂轉(zhuǎn)子，一般情況對電源沒有特殊要求。

（2）調(diào)速器系統(tǒng)

托口電廠采用長江三峽能事達公司生產(chǎn)的調(diào)速器控制系統(tǒng)。交直流雙電源供電，在交流電源失電后，調(diào)速器及其控制回路能正常工作，壓油泵不能正常啟動。正常運行壓力范圍為5.9～6.3 MPa，經(jīng)實驗，切斷油泵電源，機組開機至空載，油壓裝置油壓只下降約0.3 MPa，能滿足黑啟動要求。

（3）勵磁系統(tǒng)

托口電廠勵磁系統(tǒng)采用廣州擎天實業(yè)有限公司生產(chǎn)的EX9100 系列勵磁系統(tǒng),該系統(tǒng)采用交直流供電，交流電源主要用于提供風機電源、變送器電源、照明及加熱器電源；直流電源包括起勵電源和控制電源。起勵方式一般采用殘壓起勵，當有起勵命令時，勵磁系統(tǒng)先進行殘壓起勵，10 s 內(nèi)成功建壓10%時退出殘壓起勵；如果10 s 建壓10%不成功，則自動投入輔助直流起勵電源起勵，之后建壓10%時或5 s 時限到，自動切除輔助直流起勵電源回路。

（4）直流系統(tǒng)

托口電廠直流系統(tǒng)兩段母線分段運行，每段母線與蓄電池相連接，兩組蓄電池的總?cè)萘繛? 200 Ah，預(yù)估計可以持續(xù)供電10 h。通信系統(tǒng)另單獨配置兩組蓄電池并聯(lián)運行，兩組蓄電池供電能力為550 Ah，在通信交流電源中斷的情況下能持續(xù)供電時間40～50 h。直流系統(tǒng)能滿足黑啟動時對保護、控制、勵磁、照明、通信等系統(tǒng)的可靠供電。

3.2 存在的問題及改進措施

托口電廠在設(shè)計中考慮了機組黑啟動模式，在勵磁系統(tǒng)中設(shè)置了直流起勵、機組殘壓起勵、機組輔機設(shè)置逆變電源等黑啟動條件。但在施工設(shè)計階段遺留以下問題：

（1）托口電廠開機條件影響黑啟動存在的問題及改進措施：

1）進水口閘門系統(tǒng)交流電源消失時，閘門開度儀掉電，閘門全開復(fù)歸，開機條件不滿足。后經(jīng)改造，閘門開度儀接入交直流電源切換裝置，為閘門開度儀提供備用工作電源，提高設(shè)備運行可靠性，滿足開機條件。

2）“勵磁系統(tǒng)準備好”為機組開機基本條件之一，其中“勵磁系統(tǒng)廠用交流、直流電源消失”報警條件為勵磁系統(tǒng)任意一路外部供電電源消失。當出現(xiàn)該告警信號時，計算機監(jiān)控系統(tǒng)判斷開機基本條件不滿足，機組無法開機。經(jīng)聯(lián)系廠家確認，勵磁系統(tǒng)僅有一路電源供電時即可正常起勵，故計算機監(jiān)控系統(tǒng)判斷“勵磁系統(tǒng)準備好”的邏輯有誤。后優(yōu)化開機條件，當出現(xiàn)勵磁系統(tǒng)廠用交流電源消失告警信號時，勵磁系統(tǒng)滿足開機條件要求。

（2）托口電廠開機流程影響黑啟動存在的問題及改進措施：

1）技術(shù)供水主要采用蝸殼取水，通過水力控制閥供發(fā)電機空冷器、上導(dǎo)軸承、推力軸承、水導(dǎo)軸承、主軸密封等設(shè)備供冷卻水。交流消失后，發(fā)電機端子箱失電導(dǎo)致發(fā)電機空冷器、上導(dǎo)軸承、推力軸承示流計失電，發(fā)電機空冷器、上導(dǎo)軸承、推力軸承示流信號中斷導(dǎo)致開機條件不滿足，經(jīng)改造后，發(fā)電機端子箱電源取自逆變電源，確保交流消失后各技術(shù)供水示流信號正常，滿足黑啟動開機的安全要求。

2）交流消失后，上導(dǎo)、推力吸油霧裝置無法正常啟動，開機第四步與判定條件不滿足：上導(dǎo)、推力吸油霧裝置交流失電無法正常運行。通過優(yōu)化開機流程，將吸油霧裝置啟動不作為開機流程正常的必要條件。

3）當交流電源消失，勵磁系統(tǒng)起勵時，勵磁風機無法正常啟動導(dǎo)致起勵失敗。經(jīng)聯(lián)系廠家并現(xiàn)場試驗，當機組黑啟動后，勵磁風機自動切換至由勵磁變低壓側(cè)供電，故勵磁風機啟停不影響勵磁系統(tǒng)起勵，優(yōu)化勵磁系統(tǒng)起勵程序后，起勵初期勵磁風機啟停不影響勵磁系統(tǒng)正常運行，但黑啟動正常后應(yīng)檢查勵磁風機啟動情況。

4 托口電廠黑啟動方案

通過對機組設(shè)備進行充分試驗、電源改造以及開機流程優(yōu)化，托口電廠完全具備機組黑啟動條件，并制定了具有可操作性和實用性的機組黑啟動方案。

4.1 黑啟動注意事項

機組黑啟動必須在確保全廠設(shè)備安全穩(wěn)定運行的前提下進行，機組黑啟動過程中必須重點關(guān)注以下事項。

（1）機組黑啟動過程中若發(fā)生事故，機組黑啟動立即中止，機組黑啟動人員退出現(xiàn)場，并自動轉(zhuǎn)入事故處理。

（2）選用黑啟動的機組主變高壓側(cè)隔離刀閘應(yīng)在“分閘”位置，確保其與系統(tǒng)有效隔離。且未經(jīng)調(diào)度許可禁止黑啟動機組向系統(tǒng)供電。

（3）在恢復(fù)廠用電過程中，優(yōu)先恢復(fù)黑啟動機組自用電400 V 供電；其次密切監(jiān)視滲漏、廠區(qū)、副壩廊道等集水井水位上漲情況，根據(jù)實際情況優(yōu)先恢復(fù)其電源。

（4）機組黑啟動時應(yīng)將調(diào)速器切至“頻率”模式，且優(yōu)先選用壓油槽油壓高的機組黑啟動。

（5）單機帶廠用電機組黑啟動時，應(yīng)將母線保護、T 區(qū)保護及系統(tǒng)穩(wěn)控裝置切該機連片退出。

（6）機組黑啟動過程中，加強對調(diào)速器、勵磁、監(jiān)控等重要系統(tǒng)的現(xiàn)場監(jiān)視和巡查，檢查設(shè)備狀態(tài)轉(zhuǎn)換前后運行狀況，并做好事故應(yīng)急處理準備和事故預(yù)想。

4.2 托口電廠黑啟動具體操作流程

當出現(xiàn)全廠停電事故時，外來電源消失情況下，選擇開機組自啟動迅速恢復(fù)廠用電系統(tǒng)。現(xiàn)以1 號機為例，主要操作流程如下。

（1）檢查1 號主變高壓側(cè)隔離開關(guān)50016 在“分閘”位置，拉開廠用10 kV Ⅰ段進線開關(guān)310。

（2）檢查1 號機組控制電源投入正常。解除調(diào)速器機頻故障信號。

（3）檢查1 號開機條件準備好，上位機開1 號機組至空轉(zhuǎn)。檢查1 號機組空轉(zhuǎn)運行正常。

（4）檢查1 號主變低壓側(cè)限流熔斷器841 開關(guān)已合閘，無壓合上1 號發(fā)電機出口開關(guān)801，上位機開1 號機組至空載態(tài)正常，檢查1 號機帶1 號主變1B、1 號高廠變21B 升壓正常。

（5）1 號機組轉(zhuǎn)入空載態(tài)后，對1 號機組進行全面檢查，記錄1 號機組運行參數(shù)。

（6）合上廠用10 kV Ⅰ段進線開關(guān)310，檢查廠用10 kV Ⅰ段母線充電正常。

（7）倒換廠用電，廠用10 kV Ⅰ～Ⅱ段聯(lián)絡(luò)運行正常，恢復(fù)機組自用400 V，廠用及照明400 V Ⅰ、Ⅱ段負荷；恢復(fù)施工營地變電廠10 kV Ⅲ段供電；恢復(fù)大廠315 供主壩壩頂400 V Ⅰ、Ⅱ段聯(lián)絡(luò)運行正常。

（8）檢查1 號機組帶廠用電機組黑啟動情況，并向調(diào)度匯報。

5 結(jié)語

托口電廠通過模擬全廠交流失電場景，查找影響機組黑啟動的不利因素，并通過技改、優(yōu)化開機條件等一系列措施，確保機組具備真正意義上的黑啟動能力。在此基礎(chǔ)上制定機組黑啟動方案，同時每年組織對方案的學習演練，確保電廠運行人員熟練掌握黑啟動操作的流程及要點，一般5 min 左右就能恢復(fù)廠用電，不僅對電網(wǎng)以及電廠的安全、可靠和穩(wěn)定運行發(fā)揮了積極作用，也為其他混流式機組在黑啟動程序探討提供了借鑒意義。

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