十三陵抽水蓄能電廠廠用電方案優化

1電廠大機組10kv13日，北京昌平縣一家大型引水蓄能廠（以下簡稱十三嶺發電廠）位于昌平縣，距市區約40公里。電廠以十三陵水庫為下池,上池設在水庫左岸蟒山上,最大毛水頭481m,地下式廠房,裝設4臺200MW的可逆式機組,設計年發電量1200GW·h。電廠4臺機組分別連接成4組發電/電動機變壓器單元,發電/電動機和主變壓器(以下簡稱主變)以離相封閉母線相連,之間沒有設置斷路器,經變壓器升壓后連接成二組聯合單元,以二回220kV電纜和架空線路與系統連接。機組換相刀閘和同期斷路器設在220kVGIS內。廠內有2臺高壓廠用變,分別引自2條220kV母線(4母線和5母線),廠高壓變壓器下接10kV單元(1G和3G);另有一路電源從附近一個35kV變電站引至廠內10kV單元(2G)。十三陵電廠一次主接線如圖1所示。電廠上池正常蓄水位566m,機組安裝高程29.00m,主廠房頂拱高程65.50m,下池水位一般為87m,意味著整個廠房在下池水平面以下。由于是地下廠房,山體滲水不斷,經測試,每天山體滲漏水約1300t,雨季水量更大。廠內裝有6臺揚程105m、流量340m3/s的滲漏排水泵,用于抽排滲漏水。如果電廠水系統管路漏水嚴重,將導致水淹廠房。因此,保證電廠廠用電可靠及排水設施完好,對于十三陵電廠設備及人身安全至關重要。為確保電廠廠用電,除了應用合理的廠用電方式外,還必須充分考慮在電網大面積停電、電廠失去全部外部電源后,如何使本廠機組緊急發電,提供自身廠用電源,并向相關變電站送電、逐步恢復其他火電廠廠用電,以恢復電網正常運行方式。火電機組平時啟動所需時間較長,火電廠在失去廠用電后無法啟動機組,更不可能在電網發生大面積停電惡性事故時作為緊急備用。水電機組啟動快,調節能力強,預啟動條件容易滿足,只要充分考慮無廠用電情況下各設備運行的特殊性,就能夠快速啟動機組發電,從而提供自身廠用電,并向電網供電。作為緊急事故備用電源,可在水電廠裝設柴油發電機組,但其投資費用高,維護工作量大。在十三陵電廠實際考慮的是“黑啟動”方式,主機組合同文件有關條款規定該廠機組主輔設備應滿足“黑啟動”要求,即全廠交流廠用電暫時中斷時,機組仍能在一個命令作用下,從靜止狀態轉為發電狀態。十三陵電廠地處首都和華北電網的中心位置,擔負著整個電網緊急事故備用的重任,機組黑啟動能確保在電網發生事故、該廠失去廠用電的情況下,以最快速度使機組發電實現本廠自救及向電網送電,盡快恢復電網運行。十三陵電廠在電網需要時無條件執行中調“黑啟動”命令,此外,為確保電廠安全,在30min內未能恢復廠用電時,電廠將自動進行黑啟動發電。2黑啟動時,對機組進行整理十三陵電廠技術供水取自尾水管,由交流泵升壓供給(只有主軸密封潤滑水直接取自高壓管道);聯合推力軸承和水導軸承潤滑油為外加交流泵外循環,上導軸承為自身泵外循環。由于沒有交流廠用電,黑啟動時技術供水泵不能提供冷卻水;聯合推力軸承、水導軸承沒有交流油泵提供循環冷卻油。為確保設備安全,黑啟動過程持續時間不應過長。高壓空壓機電源為交流,黑啟動時空壓機不能工作補氣,機組只有依靠儲氣罐和壓力油罐中的氣壓開啟球閥和導葉。壓力過低將不能啟動機組。該廠球閥(進水閥)差壓開關電源原設計為交流電源,黑啟動過程不能打開球閥,這樣,須將交流電源改為直流或者交流和直流均可使用的情況。所有操作電源及照明只能依靠蓄電池直流電源,因此對蓄電池容量有一定要求。該廠備有2套GNB公司閥控式鉛酸免維護蓄電池,分別安裝在主變洞和副廠房,型號為90A27,容量1140AH。直流系統所需最大直流負荷約380A;全廠失去交流后,事故照明所需直流負荷約200A;全廠控制系統所需直流負荷約20A;高壓油頂起裝置所需直流負荷約60A;勵磁系統直流起勵所需直流負荷約100A。供監控系統操作臺和公用設備現地控制單元使用的UPS容量為10.5kVA;監控現地控制單元UPS容量為1400VA。機組正常并網要求母線側電壓正常,且須比較相角和相位,而黑啟動時帶小系統,孤立電網運行,大系統無電壓,因此并網條件不一樣。為避免啟動過程持續時間過長,換相刀閘閉合命令和信號返回條件應相應提前,以便在機端電壓滿足條件和換相刀閘閉合時就具備合主開關條件。此外,黑啟動時廠用負荷小,對機組勵磁和調速系統穩定性能有一定要求。機組預啟動條件不一樣,尤其是保護方式,有的保護必須退出才能啟動機組。3u3000機組特性廠內直流蓄電池容量符合規范要求;供監控系統使用的UPS滿足要求;廠內交直流切換事故照明工作正常。為使自供廠用電可靠,400V機旁備用自投工作正常;400V機旁母線帶電返回回路在正常接線方式;10kV廠用備用自投工作正常。機組無電氣和機械跳閘信號;勵磁和調速系統為遠方/自動控制方式。因蓄能機組每次啟動前必須頂起一次形成油膜,故機組直流高壓油頂起裝置系統工作應正常。主氣罐壓力正常;球閥、調速系統操作油壓和油位正常。啟動前各部軸承、油溫和油槽油位正常。機組勵磁、調速系統穩定性能強,適應小系統運行方式。向電網供電時電網側應有同期并列點;線路保護等沒有引起機組跳閘的因素。4機組現狀及預啟動條件篩選為了使機組起到真正事故備用的作用,應將黑啟動作為一個獨立的運行工況,應有自動啟動程序,讓機組在一個指令作用下由靜止自動轉發電,并自動帶上廠用電。由于黑啟動與常規發電情況不同,因此其預啟動條件也不一樣。為確保機組安全,機組又能順利啟動,應盡可能減少黑啟動的預啟動條件,對常規發電工況預啟動條件進行合理篩選并作必要補充和修改。為避免啟動不成功而燒損推力瓦和導瓦,黑啟動過程各步都應有時限要求,且總啟動時間控制在3.0min以內,否則緊急停機。十三陵電廠機組黑啟動主要步驟如圖2所示。5試驗4:黑啟動試驗有關部門曾先后于1997年8月21日和1998年3月24日在#4機組上進行了黑啟動試驗。1997年8月21日共試驗了3次。第一次因程序問題機組沒有啟動;第二次轉速達60%、推力瓦溫60℃左右,程序超時停機;第三次90s即達額定轉速及端電壓,但由于換相刀閘在程序設置方面的問題,機組主開關不合閘,推力瓦溫超過95℃,機組跳閘停機,停機過程中推力瓦溫急劇升高而燒損。試驗不成功。1998年3月24日試驗吸取了上次試驗失敗的教訓,加強組織措施和技術措施,并修改了啟動程序(如換相刀閘提前合閘)。第一次由于水導油槽和推力油槽油位低,機組跳閘。考慮到油槽油位在啟動過程中不致影響機組安全,故由專人監視并去掉此預啟動條件,再次啟動,本次試驗啟動過程122s,上導軸承瓦溫度升高7℃;上導軸承油溫度升高6℃;下導軸承瓦溫升13℃;推力瓦溫升高15℃;聯合軸承油溫升高13℃;水導軸承瓦溫升高16℃;水導軸承油溫升高18℃,試驗成功。這幾次試驗條件與真正的黑啟動不同:試驗時陵昌Ⅰ線(4母線)帶電并帶廠用電;手動合開關,機旁400V母線帶電反饋信號回路為臨時接線;黑啟動程序也是臨時程序。由于只退出了陵昌Ⅱ線且沒有切直流浮充,試驗僅考驗了機組本身,而蓄電池容量、UPS、機旁400V備用自投沒有在黑啟動試驗時得到考驗。機組初始狀態也不一樣:機組冷態起機,試驗前瓦溫和油溫較低;油壓和氣壓等能保證;廠用電方式在較理想狀態,而真正需要黑啟動時,機組及其附屬設備狀態、廠用電方式等都是隨機的。為了使機組具備真正黑啟動的功能,滿足緊急事故備用要求,生產管理部門1999年5月4日又在#4機上試驗,充分考慮了黑啟動特殊性,盡量使啟動條件接近真正的黑啟動情況,避免低壓合環和非同期并列等不安全情況,組織、技術、安全措施完善。試驗時陵昌Ⅱ線停電,公用負荷由1號廠高變帶,#1～#3機停機備用,黑啟動過程130s,主變壓器與機組一起零起升壓至額定電壓,合主斷路器后2號廠高變充電,自動帶#4機廠用負荷并充至陵昌Ⅱ線,機組運行穩定,試驗成功。啟動過程中上導瓦溫升1℃,推力瓦溫升14℃,下導瓦溫升2℃,水導瓦溫升9℃,球閥壓力油罐壓力由7.0MPa下降至6.5MPa,調速器壓力油罐壓力由6.5MPa下降至6.4MPa。電網大面積停電情況下黑啟動時,需向電網送電并由電網送電回電廠。由于是在系統正常情況下進行的試驗,不用向系統供電,本次試驗也就只能考驗電廠內部機組黑啟動程序和方案正確性以及在小系統方式下機組的穩定性