火溪河梯級電站黑啟動探索及應用

張曉洪, 徐永全, 劉 峰, 白奎明

(四川華能涪江水電有限責任公司,四川成都 610041)

1 概 述

電力系統黑啟動是在出現大面積停電甚至電網全停后、迅速啟用具有自啟能力的發電機組,恢復電廠廠用電和系統供電的一種應急方案。

火溪河電廠一庫四級,自上而下為水牛家、自一里、木座、陰坪,四個電站總裝機容量為 400 MW,通過木座開關站匯集利用兩回 220kV線路送天明變電站并入四川主網(圖 1)。

圖 1 火溪河流域電站接入系統圖

2 涪江公司進行黑啟動試驗的探索

2.1 選擇自一里水電站機組進行黑啟動試驗

火溪河電廠地處川西偏遠山區,還需經百余公里長線路輸電接入 220kV主網,穩定性問題突出,一旦系統與電廠解列,將形成孤網運行,還可能出現梯級電廠機組全停而造成廠用電源消失。在遭遇不可抗拒的自然災害后,火溪河電廠若能夠實現機組黑啟動,對內恢復廠用電、對外配合恢復電網運行將具有重大而深遠的意義。

自一里電站于 2004年 12月發電,是火溪河一庫四級中最早發電的電站,也是火溪河上下游梯級電站施工用電的重要保障,選擇自一里水電站機組進行黑啟動試驗為最佳選擇。

水電站的黑啟動是指在無廠用交流電的情況下,僅僅利用電廠儲存的兩種能量——直流系統蓄電池儲存的電能量和液壓系統儲存的液壓能量完成機組自啟動。因此,機組黑啟動應滿足以下條件:(1)機組黑啟動的時間應盡量短;(2)啟機前球閥壓油罐內油壓、油量必須保證能使球閥全開和全關一次;(3)啟機前調速器壓油罐內油壓、油量必須保證導葉打開后能全關回來;(4)黑啟動過程中,軸承瓦溫不能超過限制值,以避免燒瓦;(5)直流系統和 UPS系統能保證啟機過程中的各種控制操作以及數據監視;(6)轉子剩磁能使機組零起升壓至額定電壓,否則不能直接進行黑啟動。

2006年 8月,涪江公司在自一里水電站進行了不啟動柴油發電機直接黑啟動機組的試驗:手動分步模擬了球閥和調速器油壓裝置失電情況下的開球閥和開機試驗,基本可以滿足黑啟動操作的需要;接著又進行了冷態機組在無冷卻水情況下的開機試驗,8min內上導軸承最高溫度達到54℃,推力軸承最高溫度達到 40℃,下導軸承最高溫度達到 46℃,水導軸承最高溫度達到 38℃,瓦溫均未超過軸承溫度報警值 60℃,模擬黑啟動啟機總共耗費時間約 10min。因此,自一里水電站機組在冷態情況下完全具備黑啟動能力。但為了確保安全,公司隨后對自一里水電站配置了一臺 220kW的柴油發電機,以保證特殊情況下啟動柴油發電機供技術供水泵和油泵,黑啟動機組恢復廠用電。

2.2 自一里水電站進行四川電網首次黑啟動試驗

隨著電網規模和電網互聯規模的發展,大電網的惡性事故將會給現代經濟社會帶來巨大的損失和影響。2003年 8月 14日,美、加大停電和2005年 5月 25日莫斯科大停電等事故使我們認識到:在積極預防、防患于未然的同時,更要未雨綢繆,制定電網黑啟動方案,盡可能的減少事故對社會和經濟造成的影響,具有著重要的理論和實踐意義。

由于四川電網電源分布不合理,負荷中心在川西地區,而電源則集中在川南地區。由于川西地區裝機較少,缺少電源支撐,穩定問題突出,故選擇在川西地區安排黑啟動試驗。四川省電力公司根據四川電網的特點,選擇在自一里水電站進行電網的黑啟動試驗,試驗的目標是通過自一里電站機組黑啟動后,向 220kV里天線送電,然后向江油電廠高壓廠用變供電,從而啟動江油電廠31#機組(容量 330MW),恢復對電網供電。黑啟動路徑如圖 2所示。

為確保黑啟動試驗安全,四川省電力公司委托四川電力試驗研究院進行了仿真計算,理論上解決了以下擔心的問題:

(1)自激磁問題。自一里電站 220kV送出線路參數為:額定電壓 220kV,電阻 0.073Ω/km,電抗 0.421Ω/km,電納 2.832 μs/km,線路長度 148km。對線路進行全電壓充電時,線路充電功率約為 21Mvar。自一里電站機組參數為:額定功率 65MW,充電容量為 34.2Mvar。

對于空載短距離輸電線路,按照簡化公式計算線路末端電壓升高的百分值為:

圖 2 電網黑啟動路徑圖

按照簡易公式計算線路空載充電無功功率為:

根據理論計算結果并與機組特性相比較,發電機的充電容量遠大于線路空載無功功率,在線路末端不會產生過電壓,發電機不會產生自激磁。

(2)鐵磁諧振問題。對不同合閘角度下向江油 1#啟動變沖擊合閘的 RTDS進行了仿真計算,自一里水電站單機對江油 50MVA的 1#啟動變充電過程中不會發生鐵磁諧振現象。

(3)孤網運行穩定問題。對江油電廠各輔助設備投運給自一里電站機組的運行穩定進行了仿真計算,仿真計算結果表明:在孤網模式下投入江油電廠全部輔助負荷(18.45MW)后,機組頻率由 50.01Hz下降至 49.58Hz。由此確定自一里電站機組調速器在孤網運行時,將頻率控制在 50±0.5Hz是可行的。

經理論分析可行后,2006年 12月 12日,四川省電力公司在自一里電站進行了川內第一次電網黑啟動試驗,電站側在第一條試驗指令下達后30min內完成了手動開機帶線路建壓過程;當電源送達江油電廠后,陸續投入輔助設備時電壓基本穩定,頻率在 50.4～49.6Hz范圍內變化,當電站 220kV母線達到 237kV時,機組的無功功率進相為 19.96Mvar。江油電廠一臺 330MW機組借助自一里電站供廠用電順利啟動并與自一里電站 1號機組并列。試驗成功!

3 “5.12”地震后火溪河電站黑啟動的成功應用及經驗總結

3.1 “5.12”地震后火溪河電站黑啟動成功應用

“5.12”地震后,地處極重災區的平武縣境內火溪河流域的通訊、交通、電力全部中斷,火溪河梯級電站集控中心監控信號全部中斷,電站現場設備狀況不明。搶險人員徒步趕赴“無人值班,關門運行”的梯級電站時,廠用電已中斷很久,必須立即實施機組黑啟動以恢復廠用電源。

在通過一系列的檢查處理后,迅速啟動了“黑啟動”預案實施自救。其中,自一里電站采用了通過柴油發電機啟機的黑啟動方案,木座電站采用了無柴油發電機直接啟機的黑啟動方案,而水牛家電站則是在 220kV牛里線倒送電后實現了機組恢復啟動方案。三個生產電站通過三種方式實現了自保自救。受 220kV送出線路多處鐵塔倒塌原因制約,火溪河梯級電站當時未能向系統供電。

3.2 以自一里電站為例,列舉了“5.12”地震后黑啟動進行的主要操作

自一里電站距離火溪河管理中心約 12km,當搶險人員徒步趕到自一里電站廠房后,迅速對機組進行了全面檢查,確認機組可以啟動,然后按預案進行了以下主要操作:

(1)復歸調速器緊急停機電磁閥,復歸各類保護動作信號;

(2)斷開 1#主變高壓側開關 201DL、2#主變高壓側開關 202DL,實現兩臺機隔離;

(3)為了零起升壓過程中廠用 400V系統不受影響,斷開廠用變高壓側斷路器 41DL;

(4)做好啟動柴油發動機向 400V供電的準備,切除廠用 400V備自投開關,斷開 400VI、II、III段進線開關 401DL、402DL、403DL和聯絡開關413DL、423DL;

(5)為了減少油泵啟動對柴油機的負載沖擊,將調速器油壓裝置屏和球閥油壓裝置屏油泵由 “自動 ”切至 “切除”;

(6)為了機組啟動后的零起升壓,手動合發電機出口開關,解開 1號機勵磁系統調節柜內 ×100∶3并網接點,起勵模式設置為零起升壓,退系統電壓跟蹤功能;

(7)檢查柴油發電機油位,啟動柴油發電機空載運行 1min,合柴油機負載開關,通過柴油發電機帶 400VII段一臺技術供水泵和勵磁風機;

(8)關技術供水泵出口閥,手動啟動一臺 75 kW的技術供水泵,待電流在 65A左右穩定后,再慢慢開出口閥(目的是空載啟動技術供水泵,因自動加載沖擊電流達 200～300A,啟動電流太大會將柴油機拉熄火);

(9)1LCU控制方式由“遠方”切至“現地”,手動退出空氣圍帶→手動退出鎖定→手動開球閥平壓旁通閥→手動退球閥工作密封→手動開球閥→手動打開機組導葉至空載開度→機組轉速升至額定轉速,檢查機組振擺、瓦溫等運行情況;

(10)按起勵按鈕機組帶主變一起零起升壓,起勵正常后按增磁按鈕將電壓升至額定 10.5 kV,再按下調速器孤網按鈕;

(11)合 41DL,1#機組發電帶 400VI段廠用負荷,手動抽集水井滲漏水,合直流蓄電池充電開關,恢復油、水、氣系統正常運行,恢復廠房照明等;

(12)停柴油發電機,恢復 400V備自投,合400V聯絡開關 413DL、423DL,由 1號機發電通過 400VI段聯絡Ⅰ、Ⅲ段運行。

至此,自一里電站機組在震后黑啟動成功帶廠用。

3.3 “5.12”黑啟動經驗總結及啟示

“5.12”地震給四川電網、震區的電站造成了巨大的破壞,涪江公司搶險人員臨危不亂,不顧個人安危,冒著余震、道路塌方、山上飛石等危險,徒步到達電站現場并果斷實施黑啟動,成功恢復廠用電,排除了水漫大壩、水淹廠房的險情。根據火溪河黑啟動的探索和應用,結合 5.12”黑啟動的主要操作方式得出了以下經驗總結及啟示:

(1)要有應急機制,成立應急領導工作組,編制應急方案,在現場加大培訓力度并將黑啟動的操作主要步驟打印張帖至操作盤柜內。

(2)對調速器的功能要進行完善,應具有孤網模式運行功能,孤網模式下在 50±0.5Hz頻率進行控制;建議黑啟動時解除并網信號,升壓時退出電網電壓跟蹤功能,采取“零起升壓”方式。如果電站黑啟動還要向長線路送電,應核算機組可能的充電容量,并據此調整低勵限值定值,防止發電機向線路充電時過壓。

(3)在非常時刻不要忘記帶設備鑰匙、手電、圖紙和常用工具,到現場后應臨危不亂,保持清醒的頭腦,黑啟動前應盡快檢查判斷設備狀況,選擇液壓系統壓力高的機組啟動。停機后殘余壓力若不夠,可打開手動補氣閥補氣。

(4)熟悉啟機關鍵步驟,處理好細節,非常時刻應減少因緊張導致失誤而耽誤時間。如啟機前先合上發電機出口開關,但需解開出口開關送勵磁系統合閘輔助接點,這樣才能進行零起升壓;最好有柴油發電機提供功率柜風機電源,防止因風機電源消失可控硅發熱而起勵失敗,要防止所有電機同時啟動而將柴油發電機拉熄火等。

(5)直流系統是繼電保護、監控、調速器、勵磁、事故照明以及控制系統的重要電源,平時對其應加強保養和核容,以確保蓄電池供電可靠。黑啟動過程中,若蓄電池容量不足可切除部分事故照明、盤柜內加熱器等不重要的負荷,以延長直流系統蓄電池的放電時間,確保控制系統電源,否則無法進行黑啟動操作。

(6)平時應加強對 UPS系統的保養維護,確保其可靠供電。因監控系統顯示器、調速觸摸屏、勵磁觸摸屏、保護打印機、控制設備工控機等一般都用 UPS供電。

(7)新建水電廠應將電站黑啟動納入設計,并最好配置柴油發電機作為事故保安電源,應通過模擬試驗解決黑啟動中遇到的實際問題,最好能達到不需要依靠柴油發電機就能實現黑啟動的A級黑啟動。

(8)當系統出現大面積停電后,黑啟動成功的機組要及時幫助電網恢復或孤網帶地方電網供電運行,保一方平安。

(9)比較模擬試驗與地震后實戰存在的疏漏之處:①試驗時未考慮到通訊中斷,地震后手機、座機均中斷。最好在現場配置衛星電話;②地震后事故照明等負荷加大,暴露出蓄電池容量偏小。若遇該情況,應及時斷掉部分不重要負荷以延長蓄電池的供電時間;③地震后設備可能存在損毀,必要時需臨時處理;④試驗時人員應組織有序。地震后人員的情緒狀態與平時不一樣,更要強調團隊精神和集體智慧。