土谷塘水电站机组黑启动模式探索分析

刘兴斌，曾 辉

（湖南省水运建设投资集团有限公司，湖南 长沙 410011）

1 电站概况

土谷塘航电枢纽工程位于湘江衡阳市上游39km的衡南县云集镇，是《湘江干流航道发展规划》八个梯级中开发建设的最后一级，也是交通运输部和湖南省“十二五”利用亚行贷款的重点内河建设项目，以航运为主，兼有交通、发电、灌溉和供水等水资源综合利用项目，主要建筑物包括船闸、泄水闸、电站、鱼道及相关设施。其中船闸工程为三级航道标准，设计年通过能力1 420万t，电站装机4台，总装机容量9万kW，设计最大发电量3.62亿kW·h，项目总投资约29.54亿元，总工期50个月。作为省委、省政府建设“东方莱茵河”战略重点的基础设施项目，工程建成后，可消除湘江中游的“瓶颈”航道，使国家规划的湘江高等级航道增至为585 km，对连通长江水系，实现干支直达，江海联运，优化湖南交通运输结构，改善湘江流域环境，充分发挥水运绿色、低碳、环保、运量大、运输成本低等优势具有十分重要的战略意义。土谷塘航电枢纽船闸于2014年12月16日正式通航，首台机组（1号机组）于2015年12月23日正式并网发电。2016年10月11日4台机组全部并网发电。

2 水电站主要设备配置情况

2.1 水轮发电机组

发电机组采用东芝水电设备（杭州）有限公司生产的SFWG22.5—80/7980型发电机。额定容量为25MVA，额定功率22.5MW,定子额定电压为10.5kV，额定功率因数为0.9，定子绕组接线为星形，额定转速75 r/min，绝缘等级F级。

2.2 励磁系统

励磁系统选用广州擎天实业有限公司生产的FJL-5EMISPADD2B型励磁系统，采用自并激可控硅励磁方式，由励磁变压器、可控硅整流装置、灭磁开关、灭磁电阻柜、电气制动开关及励磁用保护、测量TA、TV等设备组成。

2.3 主变压器

电站设2台主变压器，均为特变电工衡阳变压器厂生产。主变型号为SFP11-50000/110升压变压器，额定容量为50 000 kVA，额定电压为121/10.5 kV,空载损耗29.81 kW，冷却方式为ODAF(强油循环风冷)，接线组别为Ynd11。

2.4 调速器系统

土谷塘水电站调速器为武汉长江控制设备研究所生产。电液随动系统主要技术参数如下：

主配压阀直径 100/150 mm

工作油压 6.3 MPa

电液比例阀通径 Φ10 mm

滤油精度 ≤20 μm

滤油器通流能力 25 l/min

电源 DC220 V/DC24 V

图1 土谷塘水电站主接线图

3 系统组网及运行方式

土谷塘水电站主接线情况如图1，采用扩大单元接线方式，1号机组和2号机组经出口断路器接于10 kV母线I段，再经1号主变升压后接入110 kV母线；3号机组和4号机组分别经出口断路器接于10 kV母线II段，再经2号主变升压后接入110 kV母线。110 kV母线采用单母线接线方式，仅一回出线（土云线）与系统连接。厂用电系统设2台SCB10-1600/10型厂用变压器，分别向厂用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段供电，正常供电时为单母分段运行。异常情况下，任意一台厂用变压器均可带其他两段运行，三段失压的情况下，可由柴油发电机向厂用Ⅱ段供电。

4 黑启动的必要性分析

土谷塘水电站为河床式厂房，电站厂房在水库下面，额定水头低（仅为5.8 m），河流径流量大，水库为日调节水库，调节能力差。同时，枢纽肩负着巨大的通航压力任务。船闸通航、弧门启闭、渗漏和厂区集水井排水等对供电的可靠性要求都很高。土谷塘枢纽船闸和电站厂房各配置了1台柴油发电机（均为400 kW）作为备用保安电源，其中船闸柴油发电机用于弧门及通航应急保安电源供电，电站柴油发电机用于厂用电系统应急保安电源供电。船闸柴油发电机配置容量可满足2孔弧门（2×55 kW）操作用，电站柴油发电机配置容量可满足1台厂区排水泵（37 kW）、1台渗漏排水泵（110 kW）和1台中压气机（11 kW）电机容量要求。由于土谷塘水电站仅一回出线（土云线）与系统并网，一旦系统发生故障导致机组全部甩负荷保厂用失败停机，在短时间无法恢复的情况下，如何利用船闸柴油发电机开启弧门，保证水库安全和通航安全，以及利用电站柴油发电机保厂用供电安全，因此确保土谷塘航电枢纽自身安全具有十分重要的意义。同时，利用电站柴油发电机供电，黑启动成功后，根据衡阳地调要求，作为一个电源点，对恢复系统供电提供了强有力的保障。

5 黑启动现状分析

尽管土谷塘水电站在设计中考虑了机组黑启动模式，在机组轴承油系统中设置了直流顶轴油泵，在励磁系统中设置了直流起励、机组残压起励等黑启动条件。但现实情况中，如果发生系统故障导致机组全部甩负荷保厂用失败停机，机组压油槽油压和油位会迅速下降，因此无法利用调速器压油槽剩余油及机组直流起励、机组残压起励，不能实现真正意义上的黑启动，主要原因分析如下：

5.1 轴承润滑系统

机组轴承润滑系统中配置了2台型号为HSNH440-40的交流轴承油泵，油泵功率为11 kW，一旦全厂失压，交流轴承油泵将无法工作。因此，如果在全厂失压的情况下不利用柴油发电机，实现真正意义上的黑启动是无法完成的。

5.2 调速器系统

调速器设计操作的油压为6.3 MPa,压力油罐容积为9 000 L，其中压力油占1/3，约3 000 L，设置了2台功率为90 kW的交流调速器油泵，正常情况下能提供机组导叶从全开位置到全关位置，以及浆叶从全关位置到全开位置的全部用油量。在机组停机过程中，为了控制机组转速上升值，遏制机组浪涌高度，调速器将机组导叶开度分段关闭至0%，桨叶开度开至100%，整个过程导叶接力器需消耗压力油约450L，桨叶接力器需要消耗压力油约180L，在机组开机启动前，调速器将机组桨叶开度由100%关至0%已协联导叶开机，再将机组开启至空载，导叶接力器需要消耗压力油约260 L，桨叶接力器需要消耗压力油约220 L，再加上各管路的油耗，总耗油量不会超过3 000 L。因此，正常情况下，利用压油槽剩余压力油基本可以满足机组黑启动开机至空载的要求。

5.3 直流系统

直流系统采用2套微机高频开关电源装置，额定电压为220 V，直流母线分两段。蓄电池采用2组阀控式免维护铅酸胶体电池组，容量400 Ah，每组104个，单体电压2 V。在系统事故导致全厂失压，电站柴油发电机未启动的情况下，电站事故照明、计算机监控系统、通讯系统、保护系统等重要负荷均由蓄电池提供电源保障。在机组黑启动时，作为机组顶轴油泵、直流起励等供电，因蓄电池容量有限，机组在直流起励过程中，直流母线电压将迅速下降，意义上的黑启动难以满足。

6 机组黑启动的有效程序及措施

通过对土谷塘水电站主要设备配置情况、系统组网及运行方式、机组黑启动的必要性以及黑启动现状的分析，土谷塘水电站实现真正意义上的黑启动，即在全厂失压的情况下，通过电站现有的直流系统供电，利用压油槽剩余压力油将机组开启至空载带厂用及近区等孤立负荷，是无法达到要求的。因此，充分利用电站柴油发电机恢复厂用电系统供电，带机组辅机电源等厂用重要负荷，从而开机至孤网运行是行之有效的方法。下面以2号机组黑启动带厂用和近区负荷程序步骤为例：

1）启动厂用柴油发电机，合上柴油发电机本体开关。

2）检查112开关、104开关、132开关确在“断开”位置，退出厂用电备用电自投装置，合上122开关，102开关，柴油发电机供厂用Ⅰ、Ⅱ段。

3）拉开厂用Ⅰ、Ⅱ段母线上非必要大功率设备电源抽屉开关。检查2号机组辅机电源确在厂用Ⅰ段（如未在Ⅰ段则手动倒换至厂用Ⅰ段）。

4）退出近区电备自投装置。检查2号机组压油槽油压、油位是否正常，如果低，手动启动2号机组1号调速器油泵至停泵油位后切停油泵。

5）检查渗漏、检修、厂区集水井水位是否正常，如果高，手动启动相应排水泵，至停泵水位后切停水泵。检查中压气机系统气压是否正常，当中压气系统气压低于正常值，手动启动1号或者2号中压气机，至正常气压值时切停中压气机。

6）拉开1号厂用变压器1CB高压侧314开关、330开关、310开关。

7）检查2号机组高位油箱油位正常，压油槽油位油压正常、励磁系统正常，具备开机条件。上位机发2号机组“黑启动”令，监视2号机组黑启动带10.5 kVⅠ母正常。手动启动2号机组6台发电机风机和碳粉吸尘器，并退出停机加热器和除湿机。

8）合上104开关，柴油机带厂用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段。

9）合上314开关，检查1CB充电正常。拉开102开关，合上112开关，则10.5 kVⅠ母通过1CB供电厂用Ⅰ段（注意在倒换厂用时2号机组辅机电源中断导致停机）。

10）拉开122开关，并将其摇至“试验”位置。合上102开关，用1CB带厂用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段运行，恢复厂用Ⅰ、Ⅱ段所有负荷抽屉开关，并将所有水泵、气机、2号机组2台调速器油泵置“自动”方式。

11）停厂用柴油发电机。倒换近区供电方式。

备注：假设事故前为正常运行方式：1CB带厂用Ⅰ段，2CB带厂用Ⅱ、Ⅲ段；近区供电由10.5 kVⅠ母通过330开关供电。机组全停后，全厂失压（112开关,132开关会失压跳开），近区失电（330开关，340开关因为备投关系会互跳一次：330开关分，340开关合，然后330开关合，340开关分）。

7 结束语

土谷塘航电枢纽水库容量小，正常蓄水位58.0m，死水位为57.0 m，可调节库容仅为2 770万m3。河床式厂房对厂用排水系统、弧门操作系统电源等供电可靠性要求更高，加上土谷塘水电站仅一条出线线路与系统并网，出现系统故障机组甩负荷停机的可能性非常大，一旦全厂失压，如何利用船闸柴油发电机开启弧门，保证水库安全和通航安全，利用电站柴油发电机保厂用供电安全，对土谷塘水电站至关重要，作为土谷塘水电站每一位生产人员尤其是电站运行维护人员，都必须熟练掌握。