水電站黑啟動試驗研究

董天剛，金 櫓，鐘東恒，馬玉博

（1.廣東粵電流溪河發電有限責任公司，廣東 廣州 510900；2.山東沂蒙抽水蓄能有限公司，山東 沂蒙 276000；3.華潤電力豫北新能源公司，河南 新鄉 453004）

1 概述

廣東粵電流溪河發電有限責任公司位于珠江三角洲水系、流溪河上游、廣州市從化區境內。是一個以發電為主，兼顧防洪、灌溉等綜合利用的中型水利樞紐工程。流溪河現有4臺1.2萬kW水輪發電機組，裝機容量48 MW。

電網的黑啟動是電網大面積停電后，不依賴其他類型網絡的幫助，通過電網系統中具備自啟動能力發電機組的自動啟動，帶動電網內部無自啟動能力的發電機組啟動起來發電，逐漸擴大為電網系統恢復供電范圍，最終實現整個電網系統供電恢復。

2 試驗機組參數

試驗機組參數包括水輪機主要參數、發電機主要參數、調速系統主要參數、應急柴油發電機主要參數、主變主要參數、機組公用直流系統蓄電池參數、機組公用直流系統事故放電時間。

3 試驗內容及目的

依據相關技術標準、規定和發電公司與電網調度機構簽訂的黑啟動技術協議，對流溪河發電公司參與黑啟動的1 號水輪發電機組備用電源、黑啟動時間、調節參數、輔助設備等各個方面進行測試，驗證1 號水輪發電機組的黑啟動能力，從而保證該機組在發生電網系統瓦解全黑事故的情況下能夠快速、安全的自動啟動，在保證水電站廠房、大壩、機組和相關設備安全的前提下，有序恢復對電網的送電。水輪發電機組主要試驗目的為：測試發電公司的黑啟動相關備用電源和輔助設備的性能以及可靠性[1]；測試黑啟動所需電氣和機械設備、保護及自動化裝置能否滿足黑啟動要求；測試機組黑啟動流程是否合理，通過機組實際黑啟動相關情況進一步完善和優化黑啟動流程[2]；測試機組黑啟動時間是否滿足所簽訂的黑啟動技術協議要求，能否達到初始可控的狀態；測試機組黑啟動相關特征參數，檢驗機組的調速器、勵磁系統在小電網系統（孤島）中的運行穩定性，即頻率50±0.2 Hz、110 kV 母線電壓在母線電壓額定值0%~+7%的指標范圍內，滿足要求。

4 試驗

4.1 試驗準備

4.1.1 人員準備

（1）組織機構：試驗總指揮、試驗現場調度、項目負責人、試驗技術負責人、試驗工作人員、當值運行人員。

（2）職責

1）試驗指揮負責試驗方案組織審核，負責試驗過程指揮調度工作等。

2）項目負責人負責試驗聯系、現場環境檢查，按規定填寫工作票和報批工作票。

3）試驗技術負責人負責組織編寫試驗方案、報告[2]。

4）試驗現場調度人員負責備用電源的投入與切換，黑啟動流程中相關邏輯檢查、運行操作人員檢查、數據記錄及打印等協調調度工作。

5）運行人員負責試驗相關系統的操作。

6）其他試驗過程安全、通信等方面負責現場安全、通信等工作。

（3）人員資格

1）試驗技術負責人：工作作風嚴謹，熟悉試驗機組黑啟動流程及邏輯，對黑啟動試驗的目的、方法、過程控制及質量目標有深刻理解。

2）一般工作人員：熟悉試驗機組黑啟動邏輯，了解黑啟動試驗的目的、方法、過程控制及質量目標，能協助試驗技術負責人完成各項工作；熟悉黑啟動過程及運行規程的正確操作。

4.1.2 試驗儀器準備

測試所用設備見表1。

表1 黑啟動試驗相關測試設備

4.1.3 試驗條件準備

（1）試驗方案需通過流溪河發電公司、廣州調度審核批準，報廣州電網調度部門備案；

（2）柴油發電機及備用直流電源已進行啟動試驗，具備正常運行條件且實際技術參數滿足黑啟動的相關要求；

（3）調速器的壓油裝置油位和油壓滿足黑啟動條件；

（4）勵磁系統及監控系統直流電源供電正常；

（5）集水井水位在黑啟動期間可保持在報警值以下；

（6）主機（水輪機、發電機）保護正常投入；

（7）機組帶110 kV 流呂線（呂田站）線路保護正常投入。

4.2 機組黑啟動技術要求

根據《廣州電網黑啟動方案》（以下簡稱“技術方案”）中規定：

當發電公司的母線（與電網系統連接的母線，本廠為110 kV 單母線）失壓時，運行人員應不待調度下令，迅速斷開該母線上所有開關，然后聯系調度，證實系統已經全停并按調度的指令執行本廠的黑啟動技術方案，及時啟動廠房柴油發電機保安電源，盡快恢復廠房主要負荷，然后及時有序啟動黑啟動機組，做好向出線流呂線送電的準備工作，并向廣州調度匯報本廠已進入初始可控狀態。

流溪河發電公司啟動后，增加負荷之前必須調整獨立網的頻率在50±0.2 Hz 范圍內，220 kV變電站的220 kV、110 kV、35 kV 母線電壓在額定值-3%~+7% 范圍內，110 kV 變電站的110 kV、35 kV 以及發發電公司低壓側母線電壓在額定值的0%~+7%范圍內。方可進行后續操作。

4.3 試驗及準備工作

4.3.1 發電機組

黑啟動開機至軸承油冷卻器系統恢復運行過程中，設專人監視并記錄軸承溫度變化，溫度不應超過報警值。

4.3.2 水輪機調速系統

調速系統是發電機組正常開機及安全停機的重要保障，黑啟動過程中如備用電源或線路發生故障，在無廠用電的極端情況下，調速壓力油控制系統應能保證在無工作油泵電源時開機至空載，在低油壓情況下可觸發緊急停機。因此需對壓油系統的事故低油壓值、甩負荷過程及開機至空載過程油壓及油位變化值進行事先率定，保證黑啟動試驗可安全可靠進行。

（1）調速系統控制電源確定是采用交直流供電。

（2）測試調速系統在機組黑啟動工況或頻率波動超過一定范圍時，是否能自動切換到轉速/頻率控制模式。

（3）機組事故低油壓值率定。

1）試驗條件

①1 號機退出備用，2 號機退出備用；

②1 號機501 開關在“試驗”位置；

③2 號機502 開關在“試驗”位置；

④1 號機主閥關閉，主閥鎖定落下；

⑤2 號機主閥關閉，主閥鎖定落下；

⑥2 號機水車鎖定落下；

⑦1號機調速器柜接線：斷開調速器柜PT信號，由試驗儀器送出模擬機頻信號至調速器柜。

2）試驗步驟

①1 號機調速器柜PT 信號斷開（絕緣膠布封裹），由試驗儀器送出模擬機頻信號至調速器柜；

②由試驗儀器發出50 Hz 模擬機頻，模擬1 號機組開機至空載狀態；

③1 號機501 開關試驗位置合，調速器進入發電態；

④手動控制導葉，開至機組帶負荷正常運行開；

⑤斷開甲壓油裝置1 號油泵、2 號油泵電源；

⑥打開排氣閥排放甲壓油裝置壓力，直至達到機組事故低油壓保護動作值；

⑦記錄甲壓油裝置事故低油壓保護動作時油壓及油位；

⑧記錄1 號機組導葉全關后油壓及油位；

⑨恢復甲壓油裝置1 號油泵、2 號油泵電源，壓力油罐打油至正常值；

⑩恢復1 號機組調速器接線。

3）試驗注意事項

①試驗前確認1 號機組、2 號機組主閥已關閉；

②試驗前確認1 號機組、2 號機組壓力鋼管無水壓；

③試驗前確認水車室無人作業；

④設專人記錄油壓及油位；

⑤設專人監護油泵，壓油罐低于最低操作油壓時，及時啟動油泵補油。

（4）壓油裝置在正常工作壓力下限開關導葉能力測試

1）1 號機組退出備用狀態；

2）1 號機501 開關在“試驗”位置；

3）1 號機組蝸殼進水閥門（或閘門）關閉，鎖定投入；

4）斷開主、備用壓油泵的電源；

5）手動調整甲壓油裝置壓油罐壓力至正常工作壓力下限（2.25 MPa）；

6）手動控制1 號機導葉全開、全關，測試3 次導葉接力器行程的甲壓油裝置耗油耗壓情況；

7）記錄開關1 號機導葉甲壓油裝置油壓和油位的下降情況；

8）填寫開關1 號機過程甲壓油裝置油壓和油位記錄表。

4.3.3 機組技術供水試驗

發電公司機組冷卻水取自蝸殼，經減壓閥減壓后直接供給機組，各項操作均可手動進行，因此在機組黑啟動試驗中可以不考慮技術供水電源問題，只需根據黑啟動步驟進行，在黑啟動開始時手動操作開啟技術供水閥。

4.3.4 廠房集水井水位上升試驗

切除集水井排水泵，測試1 號機組啟動運行過程中集水井水位上升速率，確保黑啟動期間，如出現備用電源故障導致集水井排水泵無法啟動的極端情況，機組可在集水井水位到達報警值前恢復廠用電，以避免造成水淹廠房的事故。

（1）試驗條件：機組按發電計劃正常開機發電，無需額外措施。

（2）試驗步驟

1）斷開廠房集水井1 號排水泵，2 號排水泵電源，切除廠房集水井射流泵；

2）斷開閥室集水井1 號排水泵，2 號排水泵電源，切除閥室集水井射流泵；

3）記錄全廠負荷；

4）記錄30 min 后廠房及閥室集水井水位上升情況；

5）投入廠房及閥室集水井射流泵；

6）記錄30 min 后廠房及閥室集水井水位上升情況；

7）恢復廠房集水井1 號排水泵，2 號排水泵電源；

8）恢復閥室集水井1 號排水泵，2 號排水泵電源；

9）查監控歷史數據，記錄廠房及閥室排水泵啟泵水位，停泵水位，平均啟泵時間。集水井水位上升速率和非電源射流泵排水能力。

4.3.5 勵磁系統

（1）確認勵磁系統是否具備殘壓或直流起勵的能力。

（2）確定勵磁系統控制電源是否采用交直流供電配置。

（3）黑啟動過程中，設專人監視并記錄勵磁系統各部分溫度變化，各部分極限溫度不應超過相關標準要求。

4.3.6 繼電保護及二次回路

（1）確定廠用電工作電源及備用電源失電時，繼電保護裝置及二次控制回路。

（2）確定發電機出口斷路器控制回路是否具備斷路器兩端無電壓合閘功能。

4.3.7 計算機監控系統

（1）確認廠用電工作電源和備用電源同時消失時,與黑啟動流程相關的采集和控制設備能否能正常的工作，和黑啟動控制相關的通信暢通。

（2）確定不間斷電源設備帶正常運行負載時，斷開交流主用輸入電源，是否自動切換至直流電源供電，負載設備是否運行正常，供電時間是否滿足黑啟動用時要求；恢復交流主用輸入電源時，是否可自動切換至交流主路電源供電，負載設備是否運行正常。

4.3.8 直流系統

（1）蓄電池組充放電試驗

按照DL/T 724 標準的要求進行蓄電池容量核對性充放電試驗，蓄電池容量應不低于額定容量的80%。若發電公司有定期充放電試驗的報告，可予以采用，不再重復此試驗。

（2）蓄電池組供電時長測試

在黑啟動試驗前，需核對在失去廠用電時，發電公司計算機監控系統、調速系統、事故照明系統的工作情況，計算發電公司直流系統負載下蓄電池的供電時長，確保蓄電池可正常投入應用，持續時間應能滿足發電公司黑啟動時間要求，為機組黑啟動試驗提供安全可靠保證。

廠房直流Ⅰ、Ⅱ段的放電操作按發電公司《廠房直流系統運行規程》，計算機監控和通信直流的放電操作按發電公司相關規程執行。

4.3.9 事故備用電源測試

在進行黑啟動試驗前，需測試在失去廠用電情況下，事故備用電源是否可正常投入，機電設備是否正常，如采用自動方式投入，測試從廠用電失電至備用電源自動投入間隔時長。正常情況下，備用柴油發電機組處于“自動熱備”運行方式。

4.3.10 空載擾動試驗

機組帶廠用電運行時調速器為頻率調節模式，在頻率波動較大時調速器動態響應性能關系到機組的安全與穩定，需在空載工況下進行空載擾動試驗，以測試機組調速系統空載及小網運行PID 參數（bt、Td、Tn）設置是否合理，必要時進行參數優化。

4.4 質量控制點

（1）TG 2000H-3 測試系統的接線；

（2）壓力油系統各項參數率定；

（3）集水井水位上升率的率定；

（4）計算機監控系統斷電測試；

（5）緊急備用電源啟動測試；

（6）黑啟動試驗期間，110 kV 母線電壓不高于126 kV。

4.5 其它注意事項

（1）本次試驗由試驗工作小組組長統一指揮，由組長統一發令操作。各部門工作人員在試驗中遇到問題情況也應向試驗組長直接進行報告。

（2）試驗過程中，電站各種相關設備的操作由運行值班人員進行操作，不允許其他人員操作。

（3）試驗前應對試驗方案進行充分論證，對試驗中的危險點進行分析研究，準備必要的應急措施。

（4）操作票中操作順序應重新編寫，因本次試驗操作不是常規流程操作，應按實際需要對操作步驟編寫。

4.6 報告與記錄

機組黑啟動性能測試記錄表、機組黑啟動演習評價表、流溪河發電公司1 號機組黑啟動過程動態參數記錄曲線、流溪河發電公司1 號機組黑啟動試驗報告。

5 結語

近年來，國內外多次發生了電力系統大停電事故，造成了巨大的社會影響和經濟損失。廣州電網黑啟動電源少、容量小，抵御電網嚴重故障能力不足。黑啟動恢復供電的范圍和速度受到嚴重限制，黑啟動能力亟待加強。在電網發生大面積或者全網停電的極端情況下，如果采取了適當的黑啟動措施，將能很大程上度縮短停電時間，從而避免因為長時間的停電對國民經濟造成重大損失。黑啟動的關鍵是電源點的啟動，水輪發電機組與核電、火電等機組相比，具有廠用電少和輔助設備簡單并且啟動速度快等優點，成為了黑啟動電源點的理想選擇。