亭子口水電廠黑啟動(dòng)方案探討

(嘉陵江亭子口水利水電開發(fā)有限公司，四川 蒼溪，628400)

亭子口水電廠黑啟動(dòng)方案探討

代云

(嘉陵江亭子口水利水電開發(fā)有限公司，四川 蒼溪，628400)

在電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，亭子口電廠作為川北電網(wǎng)的重要電源點(diǎn)，機(jī)組黑啟動(dòng)的可能性是客觀存在的。本文結(jié)合亭子口電廠的實(shí)際，根據(jù)電廠實(shí)際接線及運(yùn)行方式，對(duì)恢復(fù)廠用交流電源，以最快的速度實(shí)現(xiàn)電廠自救并向電網(wǎng)送電進(jìn)行了分析探討，并提出了具體的黑啟動(dòng)方案及步驟。

電網(wǎng)事故 亭子口水電廠 黑啟動(dòng) 方案

黑啟動(dòng)(Black—start)，是指整個(gè)系統(tǒng)因故障停運(yùn)后，在無法依靠其它電網(wǎng)送電恢復(fù)的條件下，通過啟動(dòng)系統(tǒng)中具有自啟動(dòng)能力機(jī)組，帶動(dòng)無自啟動(dòng)能力的機(jī)組，逐步擴(kuò)大系統(tǒng)的恢復(fù)范圍，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的恢復(fù)。水電站的黑啟動(dòng)是指在無廠用交流電的情況下，僅僅利用電廠儲(chǔ)存的兩種能量—直流系統(tǒng)蓄電池儲(chǔ)存的電能量和液壓系統(tǒng)儲(chǔ)存的液壓能量，完成機(jī)組自啟動(dòng)，對(duì)內(nèi)恢復(fù)廠用電，對(duì)外配合電網(wǎng)調(diào)度恢復(fù)電網(wǎng)運(yùn)行。

現(xiàn)代電力系統(tǒng)，由于電網(wǎng)規(guī)模較大，一旦出現(xiàn)故障，影響面也很大，容易由局部故障而影響全局，乃至發(fā)生惡性連鎖反映，造成災(zāi)難性的嚴(yán)重后果。電網(wǎng)發(fā)生電網(wǎng)瓦解或大面積停電事故，將給國民經(jīng)濟(jì)及電力系統(tǒng)本身都帶來巨大的損失，這方面國內(nèi)外均有過慘痛的教訓(xùn)。盡管平時(shí)已經(jīng)采取了各種措施來預(yù)防事故發(fā)生，但是隨著電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，出現(xiàn)超校核水平故障發(fā)生的可能性日益增加。若事先采取相應(yīng)措施，制定適當(dāng)?shù)膯?dòng)程序，可盡快恢復(fù)系統(tǒng)運(yùn)行并大大減少停電時(shí)間。黑啟動(dòng)方案的主要任務(wù)是最大限度地、快速而有序地恢復(fù)系統(tǒng)，最大限度地減少損失，因此研究并制定黑啟動(dòng)方案是很有必要的。

1 亭子口水電站運(yùn)行方式

1、2號(hào)機(jī)組，3、4號(hào)機(jī)組分別作為一個(gè)擴(kuò)大單元接入500kV母線。送出電線路只有亭中線一條，通過該出線接入巴中變電站，主要承擔(dān)四川電網(wǎng)的調(diào)峰及電網(wǎng)緊急事故備用。

廠用電系統(tǒng)母線電壓分為10kV和400V兩個(gè)電壓等級(jí)系統(tǒng)。

10kV廠用電系統(tǒng)母線共分8段：10kVⅠ～Ⅳ段接于廠內(nèi)11B～14B廠高變，升船機(jī)用電10kV V、VI段分別接于廠內(nèi)10kVⅠ段、Ⅲ段，壩區(qū)用電10kVⅦ段、Ⅷ段分別接于廠內(nèi)10kVⅡ段、Ⅳ段，外來電源分別接入10kVⅠ段、Ⅳ段、Ⅶ段母線作為備用電源。正常運(yùn)行時(shí)，10kV母線為分段運(yùn)行，外來電源在熱備狀態(tài)。

400V廠用電系統(tǒng)共設(shè)有1、2號(hào)機(jī)組自用電，3、4號(hào)機(jī)組自用電，1號(hào)廠內(nèi)公用電，2號(hào)廠內(nèi)公用電，照明用電，升船機(jī)用電，壩區(qū)用電，進(jìn)廠公路用電，左、右灌渠用電等11個(gè)主要用電點(diǎn)。每個(gè)400V供電點(diǎn)(除進(jìn)廠公路用電，左右灌渠用電外)均設(shè)有兩段400V母線，分別取自各對(duì)應(yīng)的廠低變，通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)實(shí)現(xiàn)相互備用。

不難看出，如果電網(wǎng)系統(tǒng)一旦出現(xiàn)較大故障，外來電源系統(tǒng)出現(xiàn)問題就將會(huì)導(dǎo)致亭子口電廠全廠廠用交流電源完全中斷。

全站安裝兩臺(tái)800kW柴油發(fā)電機(jī)，大壩柴油發(fā)電機(jī)接入大壩用電Ⅰ段400V母線作為大壩400V備用電源。廠房柴油發(fā)電機(jī)分別接入400V系統(tǒng)的1、2號(hào)機(jī)組自用電，3、4號(hào)機(jī)組自用電，1號(hào)廠內(nèi)公用電，2號(hào)廠內(nèi)公用電，照明用電作為廠房400V備用電源。廠房柴油發(fā)電機(jī)接線方式詳見圖1。

圖1 亭子口水電廠廠房柴油發(fā)電機(jī)接線示意

2 處理思路的整理

作為當(dāng)值的運(yùn)行人員，首先要根據(jù)當(dāng)時(shí)全廠設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，如全廠所帶負(fù)荷，有幾臺(tái)機(jī)組當(dāng)時(shí)在運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)故障甩負(fù)荷后機(jī)組狀態(tài)來選擇黑啟動(dòng)機(jī)組。如果機(jī)組甩負(fù)荷后，機(jī)組被甩至空轉(zhuǎn)態(tài)則選擇該機(jī)組進(jìn)行黑啟動(dòng)操作。如果機(jī)組被直接甩停，則選擇備用機(jī)組進(jìn)行黑啟動(dòng)，但是如果備用機(jī)組調(diào)速器油壓過低，也可以選擇剛剛甩停的機(jī)組來進(jìn)行黑啟動(dòng)，還有機(jī)組在小負(fù)荷狀態(tài)下的運(yùn)行工況也要進(jìn)行考慮。

因?yàn)?、2號(hào)機(jī)組自用電及3、4號(hào)機(jī)組自用電廠房柴油發(fā)電機(jī)都已接入，所以除去前面的必要條件外，可根據(jù)機(jī)組在小負(fù)荷狀態(tài)下的實(shí)際運(yùn)行工況選擇1號(hào)或3號(hào)機(jī)組進(jìn)行黑啟動(dòng)恢復(fù)廠用電。如在極端情況下，也可選擇小負(fù)荷運(yùn)行工況不佳機(jī)組黑啟動(dòng)成功恢復(fù)廠用電后，再行倒換。

因?yàn)檫€要考慮到廠內(nèi)直流系統(tǒng)蓄電池的放電時(shí)間限制，開關(guān)站及機(jī)組直流系統(tǒng)極限放電時(shí)間均為10h左右，時(shí)間越往后直流系統(tǒng)蓄電池組的電壓越低而且電壓下降速度越快。為防止出現(xiàn)因直流電壓過低造成的開關(guān)拒動(dòng)及直流起勵(lì)電源消失無法起勵(lì)，從而導(dǎo)致機(jī)組黑啟動(dòng)失敗，所以在進(jìn)行黑啟動(dòng)操作時(shí)，盡可能將操作時(shí)間壓縮在2h內(nèi)完成。

3 機(jī)組黑啟動(dòng)方案的分析

根據(jù)亭子口水電廠的實(shí)際接線情況，以及廠內(nèi)設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行方式特點(diǎn)?？梢詫?shí)現(xiàn)的黑啟動(dòng)方案有兩種：廠房柴油發(fā)電機(jī)供電及大壩柴油發(fā)電機(jī)倒送電。

3.1 方案一：廠房柴油發(fā)電機(jī)供電

如圖1所示，廠內(nèi)800kW柴油發(fā)電機(jī)通過401開關(guān)和廠內(nèi)所有400V系統(tǒng)相應(yīng)開關(guān)與相應(yīng)的400V母線均有連接，也就是說全廠的400V負(fù)荷都可以通過廠房柴油發(fā)電機(jī)供電。也包括機(jī)組的重要負(fù)荷，如：高頂油泵、水導(dǎo)外循環(huán)油泵、油壓裝置油泵等能影響機(jī)組正常運(yùn)行的負(fù)荷。

(1)根據(jù)系統(tǒng)故障后機(jī)組的實(shí)際情況，先選擇好最適宜的機(jī)組。將該機(jī)組所在400V自用電備自投退出并斷開其進(jìn)線電源開關(guān)后，再由廠房柴油發(fā)電機(jī)對(duì)其供電。再將該機(jī)組的發(fā)電機(jī)及水輪機(jī)動(dòng)力柜倒換為聯(lián)絡(luò)運(yùn)行，以便滿足機(jī)組開機(jī)條件或機(jī)組運(yùn)行條件。上述工作完成后，再視情況做開機(jī)或下一步處理。通過廠房柴油發(fā)電機(jī)帶機(jī)組空載試驗(yàn)，廠房柴油發(fā)電機(jī)帶機(jī)組空載時(shí)，其電壓401V、電流124A、轉(zhuǎn)速1500r/min、功率57kW。是完全滿足需要的，雖然柴油發(fā)電機(jī)容量有800kW，但是為了不出現(xiàn)柴油發(fā)電機(jī)過載的情況，盡量將一些廠內(nèi)不重要的三類負(fù)荷進(jìn)行切除。

(2)執(zhí)行黑啟動(dòng)方案一時(shí)，廠房柴油發(fā)電機(jī)投入前，要先確認(rèn)該段機(jī)組自用電母線進(jìn)線開關(guān)一定要在斷開位置，不能對(duì)10kV母線反向送電。

(3)在通過廠房柴油發(fā)電機(jī)將機(jī)組開出至空載或維持機(jī)組在空載態(tài)后，需要盡快斷開該機(jī)組主變高壓側(cè)刀閘，解開該機(jī)組調(diào)速器、勵(lì)磁系統(tǒng)并網(wǎng)令端子后，將機(jī)組轉(zhuǎn)為發(fā)電態(tài)后倒換廠用由該機(jī)組帶，再對(duì)其余機(jī)組及全廠的設(shè)備逐一恢復(fù)至正常運(yùn)行狀態(tài)，等待調(diào)度指令配合對(duì)系統(tǒng)的恢復(fù)。因?yàn)椴裼桶l(fā)電機(jī)使用的燃料為柴油，現(xiàn)場存儲(chǔ)有限，運(yùn)輸也受時(shí)間限制，不經(jīng)濟(jì)也不環(huán)保。再加上柴油的運(yùn)輸和存儲(chǔ)都具有一定的風(fēng)險(xiǎn)性，使得柴油發(fā)電機(jī)的使用受到很大的制約。

3.2 方案二：大壩柴油發(fā)電機(jī)倒送電

在最極端的情況下，系統(tǒng)出現(xiàn)重大故障、外來電源消失、廠房柴油發(fā)電機(jī)也出現(xiàn)故障的情況下，只能由大壩柴油發(fā)電機(jī)通過廠用系統(tǒng)線路，從大壩廠用系統(tǒng)將電源倒送回廠內(nèi)。亭子口水電廠廠用系統(tǒng)及大壩廠用系統(tǒng)詳見圖2。

圖2 亭子口水電廠廠用系統(tǒng)及大壩廠用系統(tǒng)示意

如圖所示，大壩柴油發(fā)電機(jī)通過402開關(guān)與400V大壩用電I段連接。如要進(jìn)行倒送電，必須將400V大壩用電I段、壩區(qū)用電10kVⅦ段、廠內(nèi)10kVⅡ段、廠內(nèi)10kVⅢ段母線上所有負(fù)荷都要切除掉，防止大壩柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)行中出現(xiàn)過載等意外事故，影響倒送電的成功從而影響到黑啟動(dòng)。啟動(dòng)大壩柴油發(fā)電機(jī)正常后，再手動(dòng)合上必要相應(yīng)的負(fù)荷開關(guān)。

(1)該方案較為復(fù)雜，所涉及的設(shè)備較多且操作范圍較大，進(jìn)行操作時(shí)需要配合的專業(yè)人員也較多(如：需二次人員解除相應(yīng)開關(guān)的邏輯閉鎖條件等)、對(duì)廠用電的恢復(fù)所需時(shí)間也比較長，不利于短時(shí)間進(jìn)行黑啟動(dòng)工作和黑啟動(dòng)后下一步工作的開展和進(jìn)行。

(2)大壩柴油發(fā)電機(jī)倒送電對(duì)大壩400V廠低變61B的沖擊較大，而且所帶400V、10kV母線較多，送電線路較長，對(duì)進(jìn)行黑啟動(dòng)工作的安全性會(huì)有一定的影響。經(jīng)倒送電帶負(fù)荷試驗(yàn)：大壩柴油發(fā)電機(jī)倒送電分別帶一臺(tái)檢修泵和一臺(tái)滲漏泵運(yùn)行正常(檢修排水泵啟動(dòng)電流671A，運(yùn)行電流：372A，運(yùn)行電壓384V；滲漏泵啟動(dòng)電流368A，運(yùn)行電流158A，運(yùn)行電壓382V；柴油發(fā)電機(jī)帶一臺(tái)檢修排水泵運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速1508r/min，頻率50.2Hz，電壓387V；柴油發(fā)電機(jī)帶一臺(tái)檢修排水泵及一臺(tái)滲漏排水泵運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速1508r/min，頻率50.2Hz，電壓385V)，證明大壩柴油發(fā)電機(jī)倒送電至廠房廠用電系統(tǒng)方案確實(shí)可行。

(3)大壩柴油發(fā)電機(jī)倒送電至廠內(nèi)400V機(jī)組自用電母線后，其余操作步驟與方案一一致。

(4)基于安全性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性的考慮。在通過大壩柴油發(fā)電機(jī)倒送電至廠用電并完成機(jī)組黑啟動(dòng)，待機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定后，要馬上斷開該機(jī)組主變高壓側(cè)刀閘，解開該機(jī)組調(diào)速器、勵(lì)磁系統(tǒng)并網(wǎng)令端子后，將機(jī)組轉(zhuǎn)為發(fā)電態(tài)后倒換廠用由該機(jī)組帶，再對(duì)其余機(jī)組及全廠的設(shè)備逐一恢復(fù)至正常運(yùn)行狀態(tài)，等待調(diào)度命令隨時(shí)準(zhǔn)備配合對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的恢復(fù)。

3.3 方案分析總結(jié)

通過上述對(duì)方案一、方案二的分析和比較，有了一個(gè)基本的對(duì)比。對(duì)比內(nèi)容及結(jié)果詳見表1。

表1 兩種黑啟動(dòng)方案優(yōu)劣對(duì)比

通過對(duì)比不難看出，在可持續(xù)性、經(jīng)濟(jì)性及環(huán)保性都一樣的情況下，在其它幾項(xiàng)對(duì)比內(nèi)容中，方案一都要比方案二更適合作為常備黑啟動(dòng)的方案。而方案二基于對(duì)比內(nèi)容差距，可作為對(duì)方案一的緊急備用或補(bǔ)充，使得亭子口水電廠的黑啟動(dòng)方案手段更加豐富和穩(wěn)妥。

4 結(jié)語

水電廠的黑啟動(dòng)，作為反事故的最后一道防線，是不得已情況下所采取的特殊運(yùn)行方式。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生重大故障而導(dǎo)致大面積停電事故后的巨大損失，是與電網(wǎng)系統(tǒng)不能及時(shí)有效地恢復(fù)有直接聯(lián)系的。亭子口電廠作為電網(wǎng)重要電源支撐點(diǎn)，有合理并可靠的黑啟動(dòng)方案，對(duì)消除電網(wǎng)事故影響，恢復(fù)廠內(nèi)供電以及對(duì)配合電網(wǎng)恢復(fù)是多么的重要。

黑啟動(dòng)方案的具體步驟是比較復(fù)雜的一個(gè)過程，本文中只涉及到了通過以柴油發(fā)電機(jī)恢復(fù)機(jī)組自用電，來實(shí)現(xiàn)機(jī)組的黑啟動(dòng)恢復(fù)，未涉及對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的恢復(fù)。另外文中的例子是預(yù)想在經(jīng)歷電網(wǎng)故障甩負(fù)荷后，機(jī)組及重要輔設(shè)沒有出現(xiàn)重大缺陷的情況時(shí)的最理想狀態(tài)下的假設(shè)，在實(shí)際中肯定還有許多的問題有待解決。

所以在日常工作中，運(yùn)行人員應(yīng)該加強(qiáng)演練以及事故反演，做到能熟悉掌握黑啟動(dòng)的方案及操作，以保證在各類復(fù)雜情況下，都能順利地完成安全生產(chǎn)工作，來確保電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

〔1〕陳積民，樊祥榮.電力安全生產(chǎn)[M].北京：中國電力出版社，1998.

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