空洲電廠機組黑啟動及孤網運行問題淺談

徐志剛 凌云峰

（湖南發展集團股份有限責任公司 長沙市 410005）

1 概 述

空洲電廠位于湖南省湘江干流株洲縣空洲處，上游距衡陽市約158 km，下游距株洲市約24 km。電站裝設5 臺燈泡貫流式水輪發電機，總裝機容量140（5×28）MW，主變壓器2 臺（1#主變容量為63 000 kVA，2#主變容量為100 000 kVA），5 臺發電機分別為兩機一變和三機一變的接線方式，一條220 kV 母線，電站以2 回220 kV 線路接入王家坪220 kV 變電站，廠用變壓器2 臺（容量為1 600 kVA），近區變壓器1 臺（容量為5 000 kVA），11 kV 近區線路5 回。

2 水輪發電機黑啟動需具備的條件

（1）機組轉動所需能量來源。

水輪發電機是就將水能轉換為電能，水的沖擊帶動水輪機轉動，利用安培定律將機械能轉換為電能，所以水能是水電廠黑啟動第一須具備的條件。而空洲電廠發電機為燈泡貫流式機組，最低發電水頭3 m，為低水頭電站，且電站位于湘江干流，湘江多年平均流量為1 720 m3/s，故水能能夠滿足發電要求。

（2）調速器系統問題。

調速器系統正常是機組啟動的必備條件，燈泡貫流式機組導葉槳葉的開關完全由調速器系統控制，保證調速器系統正常，才能保證黑啟動的正常進行。水電機組在啟動試運行期間，需按照水輪發電機安裝技術規程GB/T 8564-2003 的規定，需要進行低壓開啟導葉試驗，空洲電廠機組在試運行期間已做過低壓啟動試驗，最低開啟導葉壓力只需4.0 MPa。空洲電廠調速器為奧地利安德里茨廠家所生產，該調速器具有較好的保壓效果，機組運行時油壓裝置啟停壓力范圍為（5.4～6.0）MPa 之間，其特點是機組停機時不需要油壓就可直接關閉導葉，在全廠失壓時，消耗的油壓很少，完全不影響下一次開機。調速器電氣部分采用交直流兩用逆變電源供電，當交流消失時，直流系統可直接對調速器電氣系統供電。

（3）直流系統問題。

空洲電廠采用兩組直流蓄電池及兩段直流饋線為直流系統供電，單個電池容量為500 Ah，每組電池為108 個，正常運行時，蓄電池處于浮充電狀態，一旦全廠失壓，自動切換為蓄電池供電，蓄電池設計可供全廠監控系統、保護系統、勵磁系統、調速器系統、事故照明直流高壓頂起油泵及其他電動球閥等輔助設備使用5 h 以上，為黑啟動所需直流電源提供了充分保證。

（4）勵磁系統問題。

勵磁系統是保證發電機發電主要條件之一，需要考慮的是起勵和勵磁變冷卻問題。空洲電廠勵磁系統為自并激，由廣州電力科學研究院所生產，可采用殘壓起勵和零起升壓兩種方式，因直流蓄電池容量夠大，完全能滿足單臺機組零起升壓要求。勵磁變壓器為干式變壓器，所以不存在冷卻問題。故全廠失壓情況下，勵磁系統能滿足運行要求。

（5）廠用電問題。

空洲電廠共有三段400 V 廠用電，廠用I 段和III 段分別通過廠用變連接至10.5 kVI 段和10.5 kVII段母線，廠用II 通過斷路器與廠用I、III 段相連，每臺機組輔機設備均從廠用I 段和廠用III 段取電源，兩段電源互為備用，在機組輔機屏處用兩臺800 A的斷路器連接廠用I 段和廠用III 段的電源，通過電氣和機械閉鎖，使斷路器自動切換。電廠無其他外接保安電源，由一臺300 kW 的柴油發電機充當保安電源，故在全廠失壓情況下，需切除與機組輔機無關的其他一切電源，并斷開廠用I、II、III 段之間的聯絡。

3 發電機黑啟動

所謂黑啟動就單個電站而言是指當電網發生大面積停電時，電站與系統解列處于全黑狀態，此時通過開啟具備啟動能力的機組，迅速啟動，并建立電壓，投入穩定運行，最終實現整個電站供電系統恢復。空洲電廠黑啟動設計之初和正常啟動機組程序基本一致，經過多年運行實踐，目前已優化程序，當全廠失壓時，因柴油發電機負荷有限，只有300 kW，而調速器電機功率為110 kV，空冷器冷卻水泵電機功率為37 kW，6 臺冷卻風機功率共計66 kW，軸承油泵功率55 kW，軸承油冷卻水泵電機功率7.5 kW，廠區、滲漏排水泵電機功率共計110 KW，已超過柴油發電機總功率，因燈泡貫流式機組啟動實踐很短，經試驗10 min 內可將機組開啟，短時間內可不啟動廠區及滲漏排水泵，而定子轉子溫度在短時間內也不可能上升過高，一臺直流高壓頂起油泵也能滿足機組啟動要求，對瓦無影響。經優化，黑啟動程序中只保留了廠用III段中機組調速器油泵電機及軸承油泵電機電源，其他電源全部斷開，黑啟動時電廠5 臺機組均能滿足啟動要求，并且可在監控系統上位機直接操作。遇到系統停電，電廠與系統解列的情況時，可在上位機任意啟動一臺機組，機組開啟后，直接勵磁，進入空載狀態。

空洲電廠經優化后設計的以上黑啟動程序，可在燈泡貫流式機組電廠中廣泛推廣使用，此啟動程序已經過多次驗證，對機組本身無影響，并且可在最短時間內完成。

4 機組孤網運行問題

系統出現大面積停電，電廠與系統解列，即便是黑啟動成功，也面臨發電無法送出問題，廠內排水系統無法正常運行，最終將導致水淹廠房，給電廠帶來巨大的經濟損失，各電廠必須考慮發電機孤網運行問題，孤網運行最突出的特點，是由負荷控制轉變為頻率控制，要求調速系統具有符合要求的靜態特性、良好的穩定性和動態響應特性，以保證在用戶負荷變化的情況下自動保持電網頻率的穩定。這就是通常所說的一次調頻功能。運行人員關注的問題不再是負荷調整，而是調整孤網頻率，使之維持在額定頻率的附近。這種調整通過操作調速系統的給定機構來完成，成為二次調頻。由于孤網容量較小，其中旋轉慣量儲存的動能和鍋爐群所具備的熱力勢能均較小，要求機組的調速系統具有更高的靈敏度，更小的遲緩率和更快的動態響應。空洲電廠因孤網運行時負荷很小，在調速器死區范圍內，故每次機組孤網運行時，調速器穩定性很差，負荷調整頻繁，導致調速器系統油溫經常過高，經多次探討，最終找到如下解決方案，使機組運行達到穩定。

當電廠與系統解列后，立即啟動黑啟動程序，機組開啟之后，將調速器控制屏柜內斷路器合閘節點解開，再在監控系統上位機手動合上機組出口斷路器，此時因調速器控制屏內斷路器合閘節點已解開，調速器系統無法檢測斷路器狀態，故一直處于空載運行狀態，不會產生大的擾動，運行平穩，所帶負荷能滿足近區及廠用電要求，經多次試驗后，此方案已很成熟，可以在類似電廠推廣。

5 結 語

由于水電機組結構科學、合理，沒有復雜的輔機系統，廠用電也相對較少，機組啟動速度也較快，故機組黑啟動和孤網運行相對較為簡單，空洲電廠還作為株洲地區黑啟動電源的電站，目前電廠已編制出較為完善的黑啟動和孤網運行方案，不過尚未在株洲地區作為黑啟動電源試驗過，還需進行試驗和演習，這也是目前仍需完善的地方，今后如有機會需與株洲電業局共同合作，進行實戰演習，以備不時之需。