硅谷杂志：水电厂的黑启动探讨 |
| 2012-08-02 10:29 作者：刘玉生 来源：硅谷网 HV： 编辑： 【搜索试试】
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硅谷网8月2日消息 《硅谷》杂志2012年第12期刊文称,阐述黑启动的意义，结合南水水电厂黑启动方案，分析、探讨南水水电厂黑启动的技术条件、操作步骤及注意事项等，为今后的水电厂黑启动提供借鉴。
现代经济生活离不开电。停电事故不仅直接影响到居民的生活，还影响各行业的生产，给国民经济带来难以估计的损失。由于自然灾害、设备老化、电网容量配备不足及人为因素等各种原因，电力系统大面积停电事故不可完全避免。如何在大面积停电时正确、迅速、有效地恢复电网的正常运行，减少电网停电时间，成为电力系统突变应急措施的重要研究课题。
1黑启动的概念
电力系统的黑启动是指：当整个电网因故障发生垮网事故时，系统全部停电处于全“黑”状态，在无法依靠其它电网送电恢复的条件下，通过电网内具有自启动能力的发电机组迅速启动，建立电压，稳定运行后并电网给无自启动能力的发电机组提供厂用电，带动无自启动能力的发电机组启动并网，进而逐步扩大电力系统的恢复范围，最终实现整个电力系统的恢复。
进行黑启动，首先应保证有可靠的黑启动电源。水电厂具有辅助设备少、厂用电少、调节灵活、启动快速等优点，是电力系统首选的黑启动电源。在电网发生大面积故障后，采取电网内水电厂进行黑启动，将大大减少电网停电时间，快速恢复电网的正常运行。水电厂黑启动的任务是：在无厂用交流电的情况下，利用蓄电池储存的电能量和压力油罐储存的液压能量完成机组启动，对内恢复厂用电，对外配合调度恢复电网正常运行。可见，水电厂机组具有黑启动能力不仅是电厂在全厂失压情况下安全生产自救的必要条件，也是现代电力系统发展的需要。
2南水水电厂简介
南水水电厂位于北江支流-南水河上，广东省韶关市乳源县境内，是一座以发电为主，兼调峰、防洪、灌溉为一体的中型国有独资企业。内装有3台立轴混流式水轮发电机组，总装机容量为100MW，3台机组单机容量分别为32MW、34MW、34MW，是韶关电网黑启动的主启动电源。
南水水电厂电气主接线如图1所示：1号机与1号主变采用单元接线方式，2号机、3号机与2号主变采用扩大单元接线方式；110KV母线采用单母线接线方式，有通南线、南鹰线、武南线三回出线；厂用电分段运行，设置了备用电源自动投入装置，互相暗备用；坝区、近区由10KVI段或II段供电。
图1电气主接线图
南水水电厂为地下厂房，厂房的集水井排水、通风及照明灯厂用电负荷较大，长时间失去厂用电电源将有可能导致水淹厂房事故。
3南水水电厂黑启动的技术条件
1）水能资源。水轮发电机组利用水能转换为电能进行发电，水能是水电厂黑启动的能量源泉。南水水库为多年调节水库，拥有足够的水能资源。当电网大面积停电时，进水口闸门能锁定在开启状态，保证水能供应机组发电。即使进水口闸门误关闭，大坝区还备有柴油发电机，能及时提供动力电源，提起进水口闸门。
2）机组事故时主阀关闭能力。主阀是黑启动过程中机组发生事故时的最后一道保障。当机组压油装置油压降到事故低油压或机组过速动作时，应能保证主阀可靠关闭截断水源，防止机组飞逸事故。3台机组主阀共用1套压油装置，正常工作压力为2.25~2.5MPa，正常油位为30%~35%。经低油压关闭主阀试验证明：在压油泵不启动、正常工作油压下限2.25MPa的条件下，机组主阀接力器由“全开”状态至“全关”状态操作一次耗油约4%，油压下降至约2.10MPa，高于最低操作压力1.8MPa。
3）调速系统。在厂用电消失，压油泵不能启动的情况下，保证调速系统的油压在最低操作油压以上，是机组黑启动的关键。机组压油装置正常工作压力为2.25~2.5MPa，正常油位为30%~35%。由机组事故低油压关闭导水叶试验结果及运行经验得知：机组导水叶由全开至全关（100%～0%）动作一次时等效油位下降约3.8%，油压下降约0.196MPa；机组导水叶由全关至空载开度（约15%）时，等效油位下降约0.8%，油压下降约0.04MPa。设想机组并网发电时发生电网全停电事故，此时压油装置压力为2.3MPa，油位为30%，机组过速动作紧急停机，导水叶由全开至全关，压油装置油位降为26.2%，压力降为2.104MPa。启动机组时导水叶由全关至空载，压油装置油位降为25.4%，压力降为2.064MPa，高于最低操作油压1.75MPa，并具有一定的余量。
4）直流系统。直流系统的可靠与否，对电厂的安全运行起着至关重要的作用，是电站安全运行的保证。当厂用电交流电源消失时，直流系统充电机退出运行，由蓄电池组供电给微机保护装置、监控系统、现地控制单元、调速器、励磁系统、事故照明等等，是全厂仅存的电能。南水水电厂直流系统由泰坦及奥特迅两套装置组成，总计容量为500AH。正常运行时直流负荷电流约12.5A，经负荷统计，黑启动时不超过50A，蓄电池容量能满足黑启动要求。对直流系统冲击较大的为励磁系统起励升压用起励电流，最大起励电流为11A，但其工作时间短，只持续2秒。
5）励磁系统。机组采用三相全控桥整流自并励方式，配备有两套可控硅整流柜，采用交流风机强迫风冷。黑启动时无厂用交流电源，励磁风机不能正常投入，从机组起励升压到厂用电恢复时间不得超过规程允许时间15分钟。根据以往的操作经验，同时考虑到操作人员对设备的熟练程度、情绪紧张等各种因素影响，从手动开机起励到恢复厂用电整个操作时间不会超过10分钟，在规程允许时间内。
6）开关操作能量。SF6、真空开关采用弹簧储能操作机构，其分合闸都依靠弹簧来提供能量，厂用电消失仍存有操作能源，能进行合、分闸操作一次，且直流系统仍能供电给储能电机对弹簧进行储能。其中消耗能量较大的是SF6开关，其储能电流不超过6A，持续时间不超过15秒，对直流系统影响很小。
7）供排水系统。机组冷却水及润滑水采用自流减压供水方式，直接取自压力钢管，不受厂用电消失影响。集水井积水正常由PLC控制排水泵进行排水，厂用电消失时可打开射流泵进行排水，防止水淹厂房事故发生。
8）在厂用电系统中备有容量为250KVA柴油发电机，保证厂用电恢复供给主要设备负荷，进一步提高黑启动的可靠性。
4南水水电厂黑启动步骤
当110KV母线失压时，当值运行人员应立即将设备情况报告值长，由值长先行指挥启动机组或柴油发电机恢复厂用电供电，并立即报告调度、应急抢险指挥部领导及生安部经理。应急抢险指挥部总指挥下令启动《电厂全停电紧急状态的应急预案》，召集各工作小组进行应急处置，确定应急处置方案，组织各小组进行事故处理。待厂用电恢复供电后，值长应及时向调度汇报本厂运行方式，并与调度联系恢复电网、电厂正常运行方式。
以电网事故时用1号机带厂用电负荷，2号机、3号机作为系统黑启动电源为例，操作步骤如下：
4.1启动1号机恢复厂用电
1）当110KV母线失压时，应向调度汇报事故情况，询问电网事故情况，并根据保护和自动装置动作情况、与调度联系的结果以及事故发生时厂内设备是否受到剧烈冲击等情况，全面分析、判断故障点确实在电网。
2）收到调度通知进入黑启动等待状态时：断开110KV三回出线1264、1265、1237开关；退出三台机组低频起动软压板；断开561、563开关；断开541、542开关；断开厂用电400、401、402开关，并切为手动控制方式。
3）合上111000中性点接地刀闸，断开1号主变1101开关。
4）确认机组开机条件满足，手动开启机组：打开1号机总冷却水自动回路电动蝶阀，检查机组各部水压正常；检查机组压油装置压力油罐油面不低于最低操作油面，油压不低于最低操作油压；检查机组制动风闸在下落位置；检查机组蝴蝶阀在全开位置；接力器锁锭在提起位置；将1号机调速器“手动、自动”控制方式切换把手放“手动”；手动控制调速器步进电机操作手轮将机组转速调至额定转速；将1号机LCU“远方、现地”开关切至“现地”位置；在1号机LCU盘发“空载”令，检查1号机起励情况是否正常，否则手动起励调整电压；待1号机频率、电压调整稳定后，将1号机调速器放自动不跟踪状态运行。
5）合上501开关给10KVI段母线充电。
6）合上541开关给41B充电；合上401开关、合上400开关恢复厂用电由41B供电；合上561、563开关恢复坝区、近区供电。
7）监视1号机频率、电压应在正常范围，机组运行稳定后检查各部分是否正常。
4.2系统恢复
以2号机、3号机为黑启动电源配合调度进行系统恢复。
1）手动开启2号机或3号机，步骤同1号机。检查112000在合闸位置，合上机组出口开关给10KVII段母线及2号主变充电。合上1102开关对110KV母线充电。
2）联系调度，根据调度指令合上110KV线路开关给电网送电、启动另一台机组并网、调整机组负荷。
4.3系统恢复后
系统恢复稳定后，根据调度的要求恢复三回110KV出线、1号主变、1号机正常运行方式，并将厂用电恢复分段运行。
5注意事项
1）手动开启机组时要注意压力油罐压力不得低于最低操作油压，必要时还可以手动补入高压气。
2）蓄电池组容量随着使用时间增长而下降，达不到额定容量，可能影响黑启动，应加强维护与检验，定期检验容量。当厂用电失压时间过久时，为节约蓄电池的电能，可切除无关紧要的直流负荷，如部分事故照明电源等。
3）柴油发电机每两星期要定期启动一次，检验柴油发电机性能的可靠性，确保其在机组黑启动不成功时能启动带上厂用电负荷。
4）调度管辖的设备未经调度值班员的许可不得擅自操作，防止造成事故扩大。
5）在情况紧急、精神高度紧张、操作步骤与平时不同的条件下，如果运行人员缺少相应运行操作经验，缺乏对危险因素的预见能力，有发生误操作的可能性。因此，运行人员应熟悉黑启动方案，并定期进行黑启动演练，通过演练提高运行人员的心理素质和事故反应能力，掌握黑启动的步骤，缩短操作时间，防止误操作的发生。
6结束语
南水水电厂曾配合韶关调度进行韶关电网黑启动试验，达到了预期的效果，验证了南水水电厂作为黑启动电源的可行性、可靠性，为其它水电厂的黑启动提供了借鉴，为确保电力系统的安全、稳定、可靠运行做出贡献。
作者简介：
刘玉生（1982-），男，广东韶关人，大学本科，毕业于广东工业大学，电厂运行助理工程师，从事水电厂机电设备运行与维护工作。（原文载于《硅谷》杂志2012年第12期，硅谷网及《硅谷》杂志版权所有，未经允许禁止转载）
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