水轮发电机黑启动及孤网运行研究

凌云峰，胡鹏

[摘    要]对于水电厂机组运维管理来说，一旦出现全厂失压的情况，必须将机组快速开启，恢复厂内供电，一旦无法及时恢复厂用电，水电厂将面临水淹厂房的危险。水轮发电机的黑启动及孤网运行每个电厂都必须面对，文章主要对空洲电厂机组黑启动后，孤网运行进行研究，分析了当前空州电厂实际运行过程中存在的问题，并提出相应的发展意见与建议，从而增强空洲电厂实际运行效益。

[關键词]空洲电厂;黑启动;孤网运行;改善效果

[中图分类号]TV734.21 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2022）02–0–03

Study Black Start and Isolated Grid Operation of Hydro-generator

Ling Yun-feng，Hu Peng

[Abstract]For the operation and maintenance management of hydropower plant units， once the whole plant loses pressure， the unit must be quickly turned on to restore the power supply in the plant. Once the power supply cannot be restored in time， the hydropower plant will face the danger of flooding the plant. The black-start and isolated grid operation of hydro-generators must be faced by every power plant. In this paper， after the black-start of the units in Kongzhou Power Plant， the isolated grid operation will take the entire near area to make some technical discussions and analyze the current actual operation of Kongzhou Power Plant. The problems existing in the process， and corresponding development opinions and suggestions are given， so as to enhance the actual operation efficiency of Kongzhou Power Plant.

[Keywords]Kongzhou power plant; black start; isolated grid operation; improvement effect

在电厂实际运行过程中机组网络运行情况对电厂性能具有一定的影响，为了保证电厂正常供电，增强电厂供电效益，要求不断加强对电厂设备的有效关注，更好地保证电厂机组设备的综合性能，要求对电厂机组网络的运行分析，有效关注设备的实际运行情况，切实分析机组网络与电厂实际运行情况之间的关系，研究当前机组网络实际运行过程中的问题，并对此提出有针对性的解决方案，从而更好地保证电厂设备的有效运行。

1 电厂情况概述

湖南发展集团股份有限公司株洲航电分公司（电力系统内名称为空“洲电厂”）位于湖南省株洲市天元区雷打石镇湘江干流空洲岛处，上游水库正常蓄水位40.5 m，相应库容4.743亿m3。电厂共设计安装了5台灯泡贯流式发电机，每台发电机额定容量为30 MW，全部装机容量为150（5×30）MW，主变压器2台（1#主变容量为63 000 kVA，2#主变容量为100 000 kVA），1#、2#发电机及3#、4#、5#发电机分别由1#主变、2#主变经1条220 kV母线通过空王Ⅰ线及空王Ⅱ线并入对侧王家坪变电站，厂用变压器2台（容量为1 600 kVA），近区变压器1台（容量为5 000 kVA），10.5 kV近区线路5回。当前空洲电厂实际运行过程中已经具备了相应的各项设备，设备运行的各项条件已经成熟，在设备实际运行过程中具有显著的应用优势，对系统的有效运行提供了必要的设备与技术支持。

2 水轮发电机黑启动需具备的条件

为了保证水轮发电机组的有效运行，要求在设备实际运行过程中能够具备相关的运行条件，包括设备本身的运行情况以及电力运行需求等，从而在电力设备实际运行过程中能够达到相应的运行要求。电力设备运行中的一些实际要求与问题主要表现在以下几个方面。

2.1 机组发电的能量来源

电力设备运行过程中首要解决的问题之一即为电力能量问题，要求能够为电力机组的有效运行提供必要的能源与设备支持。水电厂发电机组的目的就是将水能转变成电能，通过水冲击桨叶转动，再由桨叶带动发电机转子转动，转子在定子内旋转切割磁力线产生电流，再通过定子将电流输出，从而实现水能转变为电能，因此水能是水轮发电机能够发电所需具备的首要条件。这是当前水电厂运行中主要采取的技术处理方式之一，很多水电厂在发展过程中为了更好地利用能源，不断加强对相关能源设备的有效研究与利用，与当地电力产能工作的实际开展需要与要求相结合，在电厂内部探索构建相应的发展模式，不断加强对相关能源设备的有效开发与利用，增强设备利用效率。空洲电厂水轮发电机为哈尔滨电厂生产的灯泡贯流式机组，最低设计发电水头为3 m，特殊情况下2.5 m也可发电，电厂位于湘江干流，属于低水头电站，湘江水量充裕，根据《湖南省主要河流控制断面生态流量方案》（湘水发[2019]17号）要求，空洲电厂生态流量不小于239 m3/s，而机组黑启动及孤网运行所需流量仅为35 m3/s，所以水能完全能满足机组运行要求。

2.2 调速器系统要求

为了保证电力机组网络的有效运行，要求加强对设备机组运行性能的研究与分析，其中的重要构成之一为调速器系统运行问题。调速器系统正常是机组启动的必备条件，灯泡贯流式机组导叶桨叶的开关完全由调速器系统控制，保证调速器系统正常，才能保证黑启动的正常进行。水电机组在启动试运行期间，需按照《水轮发电机组安装技术规范（GB/T 8564—2003）》及《灯泡贯流式水轮发电机安装工艺规程（DL/T 5038—2012）》的规定，需要开展机组调速器液压系统低压力开机试验，而空洲电厂机组在调试期间已做过低压启机试验，調速器系统开启导叶压力最低只需4.2 MPa。调速器系统电气控制部分为北京中水科生产，液压部分为哈尔滨电机厂生产，调试器液压系统的保压能力较强，机组运行时压力控制在5.6～6.0 MPa，该调速器的特点是机组紧急停机时导叶接力器有压和无压腔通过旁通阀接通直接关闭导叶，在全厂失压的情况下，不需要消耗油压，就可将机组停下来，对下一次开机无任何影响。调速器电气控制部分采用交、直流两路电源供电，在全厂失压交流电源消失的情况下，直流系统可直接对调速器电气控制柜供电，确保调速器系统能正常工作。

2.3 直流系统要求

空洲电厂直流系统在正常运行时，由厂用交流电通过整流柜整流后通过直流母线输出供电，有两组直流蓄电池，单个电池容量为500 Ah，每组电池为108个，正常情况下直流蓄电池通过交流浮充电为蓄电池充电。当出现全厂失压时，直流系统自动切换至蓄电池供电，经实际验证两组蓄电池至少可提供全厂机组监控系统、保护系统、励磁系统、调速器系统及事故照明、直流高压顶起油泵、轴承油电动球阀等辅助设备供电3 h以上，不断优化直流系统的实际运行情况，建立系统性的发展与管理机制，增强系统实际运行效益，为机组黑启动所必备的直流电源提供了充分保证。

2.4 机组励磁系统要求

发电机励磁系统是供给同步发电机励磁电流的电源及其附属设备的统称。它一般由励磁功率单元和励磁调节器两个主要部分组成，包括直流励磁机、无刷励磁机、交流励磁机等，励磁系统是机组发电的必备要求，必须满足并保证励磁系统的有效运行。空洲电厂机组励磁为广州电力科学研究院生产，属于自并激励磁系统，有残压起励和零起升压两种方式，因直流蓄电池容量够大，完全能满足单台机组零起升压要求。励磁变压器为干式变压器，所以不存在冷却问题。故全厂失压情况下，励磁系统可以满足机组黑启动要求。

2.5 厂用交流电要求

空洲电厂厂用交流电共分为3段，分别是厂用电Ⅰ段、厂用电Ⅱ段和厂用电Ⅲ段，且3段厂用电互为备用，厂用电Ⅰ段和厂用电Ⅲ段可分别通过断路器带厂用电Ⅱ独立运行，也可3段厂用电通过断路器连接在一起运行。机组辅机电源由两台800 A的断路器连接至厂用电Ⅰ段和厂用电Ⅲ段，2台断路器互为备用，两台断路器自带备自投装置，可随时相互切换，但不能同时投入运行。全厂保安电源为1台300 kW的柴油发电机，柴油发电机接入厂用电Ⅱ段中。

全厂失压的情况下，需将与厂用电Ⅰ段或厂用电Ⅲ段与厂用Ⅱ段相连接的断路器断开，确保柴油发电机只给厂用电Ⅰ段、厂用电Ⅱ段或厂用电Ⅲ段供电。根据实际检验，厂用交流电的设计能满足机组黑启动要求。

3 发电机黑启动概述

水电厂机组黑启动是指因某种原因导致电厂与电力系统解列或与电厂相连的电力网络停电处于全“黑”状态，不依赖别的网络帮助，通过电厂内具有自启动能力的发电机组启动，在电网短时间无法恢复的情况下，建立电压，投入稳定运行，最终实现整个电站供电系统恢复。为了提升区域电网运行效率与稳定性，当前很多电厂在实际运行中均采用了黑启动运行方式，能够显著提升系统运行效益，为水电厂运行、操作与维修管理提供了一定的技术处理方式。空洲电厂机组黑启动程序经过多年优化，简化了开机流程，空冷器冷却水泵、冷却风机均不启动，机组黑启动时各系统所需的直流电源来自于直流系统，辅机只需要启动一台轴承油泵、一台调速器油泵和轴承油冷却水泵即可满足开机要求，一台直流高压顶起油泵可满足开机要求，故交流高压顶起油泵可不投入运行。厂内保安电源柴油发电机功率只有300 kW，调速器油泵功率为110 kW，轴承油泵功率为37 kW，轴承油冷却水泵功率7.5 kW，柴油发电机功率满足开机要求。

机组运行过程中，突然出现全厂失压情况时，所有机组全部进入紧急停机流程，机组紧急停机后，立即现场检查机组设备情况，现地复归所有影响开机的信号，至厂用配电室断开厂用电Ⅰ段或厂用电Ⅲ段联络断路器，断开厂用配电屏上多余的负荷开关，只留下一台机组的辅机进线电源，确认机组已无缺陷后，上位机直接黑启动机组开机，因灯泡贯流式机组启动实践很短，经试验10 min内可将机组开启，短时间内可不启动厂区及渗漏排水泵，而定子转子温度在短时间内也不可能上升过高。机组通过黑启动程序开机进入空转状态，启动励磁系统，机组转入空载状态，黑启动过程结束。经实际检验，空洲电厂5台机组均具备黑启动能力。

空洲电厂优化后的黑启动程序，经实践证明，完全能满足机组开机要求，对机组设备不会造成任何损伤，可在其他灯泡贯流式机组推广运用。

4 发电机机组孤网运行

水轮发电机孤网运行就是发电机与电力网络解列，所发出的电用于厂内设备，确保厂内各系统正常运行，所以机组孤网运行首先要考虑的就是在任何情况下，必须要保住厂用电，防止水淹厂房，还要注意的就是机组在运行过程中的电压和频率问题，频率变化超过0.2 Hz，机组调速器系统会频繁动作，油温将会升高，且对用电设备也会造成损害。机组孤网运行时，由于已与电网解列，机组无法获取系统电压，频率和电压不会和并网时一样稳定，因此对机组调速器系统提出更高的要求，空洲电厂孤网运行时负荷很小，导致机组不稳定，为解决机组孤网运行部稳定问题，对调速器系统进行改造，将调速器电气控制系统更换为北京中水科水电科技开发有限公司生产的控制系统，程序内设计了机组孤网运行模式，该模式下调速器不采集机组出口断路器合闸节点，调速器程序默认为机组仍处于空载状态，因此输出功率基本保持不变，调速器基本不会调节，而多次实践证明，该状态下孤网运行时全厂设备功率也基本可以保持无大的变化。

空洲电厂机组黑启动前，需要将主变高压侧断路器断开，如用1#或2#发电机孤网运行，因1#、2#机组与10.5 kVⅠ段母线相连，而10.5 kVⅠ段母线通过1#厂用变与厂用电Ⅰ段连接，所以此时需要将厂用电Ⅰ段与Ⅱ段之间的联络开关断开，待机组黑启动完成，转入孤网运行将厂用Ⅰ段电恢复后，再将柴油发电机停止，机组辅机动力进线电源会自动切换到由厂用Ⅰ段供电，如用3#、4#或5#发电机孤网运行，同理则需断开厂用Ⅲ段与Ⅱ段之间的联络开关。

空洲电厂机组孤网运行方案已进行过多次试验和实际检查，方案成熟，可以在类似电厂进行推广应用。

5 结语

水电厂传统黑启动过程中容易出现一些问题，例如采用不同期的作业方式，缺乏外电源供给，机组电网运行往往在孤立的状态下进行，在换向倒闸合闸过程中时间容易被拖延，影响了系统的有效运行。空洲电厂作为系统指定的株洲地区黑启动电源点，目前已编写了较为完善的机组黑启动和孤网运行的预案，一旦系统出现大面积停电情况，将立即启动预案，首先将机组开启确保厂内设备正常，然后逐台开启其他机组往王家坪变电站送电。不过目前尚未在株洲地区进行试验，今后将与电力系统合作，开展实践演练，确保系统能正常供电。

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