基于PLC控制的水電廠黑啟動設計

張捷 袁平路 王嘉興 李天毅

1. 中國水利水電科學院 北京 100038

2. 北京中水科水電科技開發有限公司 北京 100038

引言

蘇布雷水電站位于科特迪瓦西部，距離首都阿比讓西北約350km，本項目分為兩個電站，主電站裝設3臺立軸混流式機組，單機容量90MW；另外在大壩溢洪道右側裝設一臺5MW的貫流式機組以泄放生態流量。該項目建成后，科特迪瓦電力覆蓋率將提升到95%，使所有超過500名居民的村莊全部通電；并可向周邊7個國家供電，也被稱為科特迪瓦的“三峽”工程、“燈塔”項目。蘇布雷水電站在科特迪瓦的地位非常重要，一旦水電站全部失電，會影響到科特迪瓦國家電力的安全，所以，該水電站必須具備機組黑啟動條件。

1 機組黑啟動的定義

水電站的黑啟動是指在廠用交流電消失的情況下，依靠電站儲存能量完成機組自啟動，對內恢復廠用電，對外配合電網調度恢復電網運行。“黑啟動”不僅是電站在全廠失電情況下安全生產自救的必要措施，也是電力系統安全穩定的需要。由于蘇布雷水電站承擔科特迪瓦全國的大部分負荷，電站黑啟動技術的應用對于維護其電力穩定生產，保證廠內正常用電和全國主要城市正常生活具有重要意義[1]。

2 機組黑啟動的必要設備

2.1 儲能原件

電站一般采用柴油發電機作為機組黑啟動的啟動電源，在水電站機組全部無法工作的時候，可以給廠內部分主要設備供電，從而使得部分機組可以正常發電。

2.2 機組黑啟動必要設備

由于柴油發電機的功率有限，故在機組黑啟動期間，僅考慮非常必要設備，用于機組正常發電。一般需要考慮的必要設備如下：

2.2.1 水導外循環泵電源。水導外循環泵主要用于提供機組冷卻水，在機組運行的時候給機組降溫；

2.2.2 高壓油頂起泵電源。高壓油頂起裝置是指向在機組啟動和停機時在推力軸承表面噴射高壓油，形成油膜潤滑承載的設備，減少由于摩擦引起的損傷；

2.2.3 調速器油壓裝置電源。水輪機調速器作為水輪機的重要構成部分，也是實現對水輪機進行調節的關鍵部分。為保證水輪機的正常運轉，并據此保障水電站的正常、穩定運行；

2.2.4 水輪機動力柜電源。水輪機動力柜主要作為水輪機運轉時的監測和執行設備；

2.2.5 交流勵磁電源。交流勵磁設備主要為水輪機定子部分提供電源，為發電機提供工作磁場；

2.2.6 地刀電源。地刀主要用于保護設備，在發電期間應該斷開；

2.2.7 斷路器電源。斷路器主要用于將水輪機發出的電輸送到線路；

3 機組黑啟動的總體規劃

3.1 全廠停電后400V廠用電系統的恢復

3.1.1 柴油發電機的啟動條件。①全網崩潰，400V廠用電系統已全部斷電；②檢查確認機組廠用變低壓側400V斷路器的外來變壓器斷路器處于分閘狀態；③柴油發電機400V斷路器處于工作位置。

3.1.2 啟動柴油發電機恢復部分廠用電。①柴油發電機油位正常，啟動應急柴油發電機；②對柴油發電機400V斷路器進行合閘操作；③400V廠用電系統恢復供電。

3.2 作好機組黑啟動準備

確定黑啟動機組，并檢查確認將其已恢復至備用狀態；恢復黑啟動機組所需輔助設備的動力、操作控制、保護電源；對黑啟動機組的油壓裝置油位、油壓，冷卻水系統，軸承溫度等進行監測；確保有一條出線側線路可以用于充電或并網準備。

3.3 確認機組黑啟動條件

主變高壓側接地開關處于分閘位置；主變高壓側斷路器處于分閘位置；機組廠用變低壓側400V斷路器處于分閘位置；400V公用母線已帶電；勵磁系統無故障且處于遠控方式；發變組保護系統無故障及告警；調速器系統無故障處于遠控位置。

3.4 黑啟動步驟

監控系統下發一鍵黑啟動命令；黑啟動機組從停機狀態運行到空轉狀態；滅磁開關合閘，勵磁起勵；機端電壓達到額定電壓的85%以上；廠用電倒閘操作，廠用電帶電，機組黑啟動完成；其他機組通過恢復的廠用電正常發電；黑啟動機組停機檢查，并恢復各個系統供電。

4 西門子PLC實現機組黑啟動

蘇布雷電站采用的是西門子S7-400型PLC，這款PLC不僅支持LD、FBD、STL等基礎語言，而且還支持GRAPH高級語言。這種語言可以完成步進順控流程，與其他基礎性語言相比較更加容易實現順控流程，并且便于調試人員監測流程走向。

采用這種語言，筆者設計了水輪機組黑啟動流程，具體流程操作如下圖所示：

圖1 黑啟動流程圖

5 結束語

通過對蘇布雷機組黑啟動流程的設計，筆者成功地實現了蘇布雷機組的黑啟動，并且通過了外方監理公司的認可。機組黑啟動保證了蘇布雷電站供電的不間斷性，提高了科特迪瓦國家電力的安全。