張溪河水電站機組作為河北南部電網黑啟動機組的特點

0機組并網電線張灣引水蓄能站位于河北省石家莊市井義縣測魚市甘陶河支流。離石家莊53公里，公路77公里，距井義縣45公里。電站廠房為地下式,裝設4臺單機容量為250MW的單級混流可逆式水泵水輪機組,屬于新型抽水蓄能電站,于2002年底開工建設,預計2008年底第4臺機組并網發電。電站建成后將并入冀南電網,擔任系統調峰、填谷、調頻、調相及事故備用任務。張河灣水電站500kV側采用1/2四角形氣體絕緣金屬封閉開關(GIS)接線,經一回500kV架空線接至電網。發電電動機與主變壓器采用單元接線,機組同期和換相在主變低壓側進行。機組勵磁系統采用自并勵靜止晶閘管整流勵磁,其電源分別取自各機組主變低壓側,經勵磁變降壓后向其勵磁系統供電。廠高變直接從主變的低壓側取電,在機組停機或故障的情況下能不間斷地從系統倒送電,從而保證廠用電正常供電。同時,還設置一臺柴油發電機,作為全廠停電時機組黑啟動的電源和消防保安電源。張河灣水電站在設計時就考慮作為河北南部電網黑啟動時的電源。機組黑啟動時啟動條件較為惡劣,因此,具有黑啟動能力的機組應具備特殊的要求。本文簡要介紹了張河灣水電站機組作為河北南部電網黑啟動機組的特殊要求,以及黑啟動的步驟。1機組黑啟動問題抽水蓄能機組的特殊性在于機組響應快、調節能力強、單機容量大、開機條件容易滿足,從開機到帶滿負荷僅需2min,是理想的黑啟動電源。張河灣水電站是純抽水蓄能電站,與其他水電站相比,其上、下庫庫容相對穩定,不受天然來水和季節的影響,沒有豐水期和枯水期,且上庫可調節庫容為715萬m3,能確保在電網發生事故時以最快的速度使機組發電,實現廠用電自救及向電網供電,盡快恢復電網運行。張河灣水電站相對靠近負荷中心,在河北南部電網中起到調峰填谷、擔負整個電網緊急事故備用的重任,是事故后系統恢復的首選。但要完成黑啟動,機組的硬件和軟件均需滿足相應的要求,以張河灣水電站為例,蓄能機組主要設備的設計和參數應滿足表1所示的要求。表1的機組參數考慮了在系統故障的情況下未能在很短時間內恢復,還考慮了啟動失敗后2次啟動的時間要求。可以看出,要滿足全黑啟動的要求是比較困難的,特別是機組的軸承設計、制造、安裝必須滿足機組黑啟動時啟動失敗帶來的風險,滿足15min內無冷卻溫升的要求。全黑啟動的機組對直流系統的要求很高,除了滿足起勵要求外,還必須滿足事故照明2h的要求。調速器系統及球閥操作系統的油壓及保護必須滿足機組至少啟、停1次的需求,這2個系統還關系到廠房和機組的安全,在設計中還應滿足更高的保安要求。在機組黑啟動過程中,對啟、停機組的流程均有特殊的設計要求,例如,各輔助系統開機條件的檢測和判斷,各熱工保護在啟動時閉鎖跳機,各系統壓力和流量的檢測及閉鎖等。在全廠電動發電機停機、500kV和10kV外來電源均失去且柴油發電機啟動失敗的情況下,監控系統仍能保證機組以發電工況啟動,滿足黑啟動要求。不同電廠對黑啟動的定義可能存在較大的區別,只要滿足現有的設計就可以了。下面介紹張河灣水電站黑啟動過程中各系統設計的技術參數及實現方式。2黑啟動過程中的主要問題和主要技術1黑啟動時機組的運行條件張河灣水電站發電機為半傘式,有推力、上導、下導三大軸承,其中推力和下導共用一個油槽。上導、推力和下導均利用電機的自泵式油循環系統作用使油進行外循環,外部加裝冷卻器;水導采用強迫油外循環水冷。在柴油發電機不可用時,水導軸承油泵不能運行使油循環,機組各軸承沒有冷卻水,機組軸承運行條件變差。但在黑啟動情況下,機組的軸承能夠在沒有冷卻水的情況下運行15min而不發生損壞,而張河灣水電站機組正常啟動時間只有2min,可以在機組開啟成功后帶廠用電負荷。黑啟動時直流注油泵投入運行,高壓油通過軸瓦中心孔射出,在推力瓦與鏡板間強制形成潤滑油膜。主變冷卻方式是強迫油循環水冷。在柴油發電機不可用時,則利用主變自身的允許溫升能力(當冷卻系統故障,全部冷卻器退出運行后,主變允許在額定負荷下運行20min),待機組開啟成功帶廠用電后,冷卻主變。2持調速器油壓法機組壓油系統是提供機組液壓操作動力的裝置。在黑啟動情況下,柴油發電機不可用,張河灣水電站機組要依靠儲氣罐和壓力油罐氣壓維持調速器油壓及球閥油壓,以開關導葉和球閥。張河灣水電站設置一個額定壓力為8MPa、體積為5m3的儲氣罐,加上調速器(球閥)壓力油罐氣壓(調速器油罐設計時,滿足調速器油泵不啟動的情況下,導葉接力器在正常下限工作油壓經3次接力器全行程動作后,油壓仍高于許可的最低操作油壓),足以維持調速器(球閥)6.4MPa的油壓,保障調速器和球閥的操作不受影響。3黑啟動時勵磁電源問題正常情況下,機組開機時的起勵電源取自主變低壓側的勵磁變壓器,即從系統取電。系統瓦解后機組無法從電網取得勵磁電源,張河灣水電站黑啟動時合上發電機出口開關,使勵磁變壓器連接到機端,此時采用220V蓄電池的直流電源起勵,通過正反饋建立機端電壓,解決黑啟動時勵磁電源問題。在機端電壓建立起來后,切換成通過勵磁變壓器供勵磁電源。4蓄電池容量過在事故情況下,事故照明電源由直流系統通過逆變供給。機組的控制和保護電源同樣也是直流系統供給。同時,直流系統還需供給機組黑啟動的勵磁電源。因此,直流系統中蓄電池的容量至關重要。副廠房220V直流系統采用母線分段運行,設有2組閥控式密封免維護鉛酸蓄電池,每組蓄電池組104個,蓄電池單體電壓為2V,蓄電池組容量為1340A·h。全廠失去交流電源后,直流高壓注油泵負荷50A,直流起勵負荷40A,直流控制系統負荷約為125A,事故照明逆變電源136.36A,直流系統最大負荷約為352A,因此,蓄電池容量為1340A·h,足以滿足黑啟動要求。5交直接收點監控系統配置專用的不間斷電源(UPS),由交、直流同時供電。在廠用交流中斷的情況下,該UPS實現自動切換,正常承載負荷,保證監控系統在黑啟動過程中正常運行。3電廠黑啟動操作流程在500kV系統和廠用電系統交流電源全部消失后,應及時聯系調度,并在接到調度“黑啟動”命令后,選擇油壓裝置油壓較高、自啟動能力較好的機組作為黑啟動機組,盡快開機恢復廠用電,然后在調度的安排下恢復系統供電。根據張河灣水電站的主接線方式、設備狀況、運行倒班方式研究制定了一套電網和電廠黑啟動操作處理流程:1)事故發生后,立刻向網調、省調匯報事故情況,并詢問事故情況。2)向領導匯報,要求檢修人員進廠配合處理事故。3)根據保護和自動裝置動作情況與網調聯系結果,全面判斷事故發生在廠外而不是在廠內。4)綜合考慮,選擇一臺機組作為黑啟動機組。5)機組選定后,合上機組出口開關;立即建立一條機組主變—廠高變—10kV母線—400V配電盤—機組、全廠公用設備各負荷的通路,斷開暫時不需要的開關。6)根據調度指令,手動開機。7)機組起勵電源正常、廠用電系統正常后,優先恢復啟動機組的輔助系統,并迅速恢復其他機組的供電。8)根據網調命令將線路和主變分別并入系統。張河灣水電站機組黑啟動具體流程如圖1所示。4機組啟動能力比較在河北南部電網全部解列、所有發電機停運的情況下,張河灣水電站機組可由柴油發電機緊急自動啟動廠用電源,1號～4號機組均可啟動機組實現線路