张溪河水电站机组作为河北南部电网黑启动机组的特点

张溪河水电站机组作为河北南部电网黑启动机组的特点

0机组并网电线张湾引水蓄能站位于河北省石家庄市井义县测鱼市甘陶河支流。离石家庄53公里，公路77公里，距井义县45公里。电站厂房为地下式,装设4台单机容量为250MW的单级混流可逆式水泵水轮机组,属于新型抽水蓄能电站,于2002年底开工建设,预计2008年底第4台机组并网发电。电站建成后将并入冀南电网,担任系统调峰、填谷、调频、调相及事故备用任务。张河湾水电站500kV侧采用1/2四角形气体绝缘金属封闭开关(GIS)接线,经一回500kV架空线接至电网。发电电动机与主变压器采用单元接线,机组同期和换相在主变低压侧进行。机组励磁系统采用自并励静止晶闸管整流励磁,其电源分别取自各机组主变低压侧,经励磁变降压后向其励磁系统供电。厂高变直接从主变的低压侧取电,在机组停机或故障的情况下能不间断地从系统倒送电,从而保证厂用电正常供电。同时,还设置一台柴油发电机,作为全厂停电时机组黑启动的电源和消防保安电源。张河湾水电站在设计时就考虑作为河北南部电网黑启动时的电源。机组黑启动时启动条件较为恶劣,因此,具有黑启动能力的机组应具备特殊的要求。本文简要介绍了张河湾水电站机组作为河北南部电网黑启动机组的特殊要求,以及黑启动的步骤。1机组黑启动问题抽水蓄能机组的特殊性在于机组响应快、调节能力强、单机容量大、开机条件容易满足,从开机到带满负荷仅需2min,是理想的黑启动电源。张河湾水电站是纯抽水蓄能电站,与其他水电站相比,其上、下库库容相对稳定,不受天然来水和季节的影响,没有丰水期和枯水期,且上库可调节库容为715万m3,能确保在电网发生事故时以最快的速度使机组发电,实现厂用电自救及向电网供电,尽快恢复电网运行。张河湾水电站相对靠近负荷中心,在河北南部电网中起到调峰填谷、担负整个电网紧急事故备用的重任,是事故后系统恢复的首选。但要完成黑启动,机组的硬件和软件均需满足相应的要求,以张河湾水电站为例,蓄能机组主要设备的设计和参数应满足表1所示的要求。表1的机组参数考虑了在系统故障的情况下未能在很短时间内恢复,还考虑了启动失败后2次启动的时间要求。可以看出,要满足全黑启动的要求是比较困难的,特别是机组的轴承设计、制造、安装必须满足机组黑启动时启动失败带来的风险,满足15min内无冷却温升的要求。全黑启动的机组对直流系统的要求很高,除了满足起励要求外,还必须满足事故照明2h的要求。调速器系统及球阀操作系统的油压及保护必须满足机组至少启、停1次的需求,这2个系统还关系到厂房和机组的安全,在设计中还应满足更高的保安要求。在机组黑启动过程中,对启、停机组的流程均有特殊的设计要求,例如,各辅助系统开机条件的检测和判断,各热工保护在启动时闭锁跳机,各系统压力和流量的检测及闭锁等。在全厂电动发电机停机、500kV和10kV外来电源均失去且柴油发电机启动失败的情况下,监控系统仍能保证机组以发电工况启动,满足黑启动要求。不同电厂对黑启动的定义可能存在较大的区别,只要满足现有的设计就可以了。下面介绍张河湾水电站黑启动过程中各系统设计的技术参数及实现方式。2黑启动过程中的主要问题和主要技术1黑启动时机组的运行条件张河湾水电站发电机为半伞式,有推力、上导、下导三大轴承,其中推力和下导共用一个油槽。上导、推力和下导均利用电机的自泵式油循环系统作用使油进行外循环,外部加装冷却器;水导采用强迫油外循环水冷。在柴油发电机不可用时,水导轴承油泵不能运行使油循环,机组各轴承没有冷却水,机组轴承运行条件变差。但在黑启动情况下,机组的轴承能够在没有冷却水的情况下运行15min而不发生损坏,而张河湾水电站机组正常启动时间只有2min,可以在机组开启成功后带厂用电负荷。黑启动时直流注油泵投入运行,高压油通过轴瓦中心孔射出,在推力瓦与镜板间强制形成润滑油膜。主变冷却方式是强迫油循环水冷。在柴油发电机不可用时,则利用主变自身的允许温升能力(当冷却系统故障,全部冷却器退出运行后,主变允许在额定负荷下运行20min),待机组开启成功带厂用电后,冷却主变。2持调速器油压法机组压油系统是提供机组液压操作动力的装置。在黑启动情况下,柴油发电机不可用,张河湾水电站机组要依靠储气罐和压力油罐气压维持调速器油压及球阀油压,以开关导叶和球阀。张河湾水电站设置一个额定压力为8MPa、体积为5m3的储气罐,加上调速器(球阀)压力油罐气压(调速器油罐设计时,满足调速器油泵不启动的情况下,导叶接力器在正常下限工作油压经3次接力器全行程动作后,油压仍高于许可的最低操作油压),足以维持调速器(球阀)6.4MPa的油压,保障调速器和球阀的操作不受影响。3黑启动时励磁电源问题正常情况下,机组开机时的起励电源取自主变低压侧的励磁变压器,即从系统取电。系统瓦解后机组无法从电网取得励磁电源,张河湾水电站黑启动时合上发电机出口开关,使励磁变压器连接到机端,此时采用220V蓄电池的直流电源起励,通过正反馈建立机端电压,解决黑启动时励磁电源问题。在机端电压建立起来后,切换成通过励磁变压器供励磁电源。4蓄电池容量过在事故情况下,事故照明电源由直流系统通过逆变供给。机组的控制和保护电源同样也是直流系统供给。同时,直流系统还需供给机组黑启动的励磁电源。因此,直流系统中蓄电池的容量至关重要。副厂房220V直流系统采用母线分段运行,设有2组阀控式密封免维护铅酸蓄电池,每组蓄电池组104个,蓄电池单体电压为2V,蓄电池组容量为1340A·h。全厂失去交流电源后,直流高压注油泵负荷50A,直流起励负荷40A,直流控制系统负荷约为125A,事故照明逆变电源136.36A,直流系统最大负荷约为352A,因此,蓄电池容量为1340A·h,足以满足黑启动要求。5交直接收点监控系统配置专用的不间断电源(UPS),由交、直流同时供电。在厂用交流中断的情况下,该UPS实现自动切换,正常承载负荷,保证监控系统在黑启动过程中正常运行。3电厂黑启动操作流程在500kV系统和厂用电系统交流电源全部消失后,应及时联系调度,并在接到调度“黑启动”命令后,选择油压装置油压较高、自启动能力较好的机组作为黑启动机组,尽快开机恢复厂用电,然后在调度的安排下恢复系统供电。根据张河湾水电站的主接线方式、设备状况、运行倒班方式研究制定了一套电网和电厂黑启动操作处理流程:1)事故发生后,立刻向网调、省调汇报事故情况,并询问事故情况。2)向领导汇报,要求检修人员进厂配合处理事故。3)根据保护和自动装置动作情况与网调联系结果,全面判断事故发生在厂外而不是在厂内。4)综合考虑,选择一台机组作为黑启动机组。5)机组选定后,合上机组出口开关;立即建立一条机组主变—厂高变—10kV母线—400V配电盘—机组、全厂公用设备各负荷的通路,断开暂时不需要的开关。6)根据调度指令,手动开机。7)机组起励电源正常、厂用电系统正常后,优先恢复启动机组的辅助系统,并迅速恢复其他机组的供电。8)根据网调命令将线路和主变分别并入系统。张河湾水电站机组黑启动具体流程如图1所示。4机组启动能力比较在河北南部电网全部解列、所有发电机停运的情况下,张河湾水电站机组可由柴油发电机紧急自动启动厂用电源,1号～4号机组均可启动机组实现线路