空洲电厂机组黑启动及孤网运行问题浅谈

徐志刚 凌云峰

（湖南发展集团股份有限责任公司 长沙市 410005）

1 概 述

空洲电厂位于湖南省湘江干流株洲县空洲处，上游距衡阳市约158 km，下游距株洲市约24 km。电站装设5 台灯泡贯流式水轮发电机，总装机容量140（5×28）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），5 台发电机分别为两机一变和三机一变的接线方式，一条220 kV 母线，电站以2 回220 kV 线路接入王家坪220 kV 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），11 kV 近区线路5 回。

2 水轮发电机黑启动需具备的条件

（1）机组转动所需能量来源。

水轮发电机是就将水能转换为电能，水的冲击带动水轮机转动，利用安培定律将机械能转换为电能，所以水能是水电厂黑启动第一须具备的条件。而空洲电厂发电机为灯泡贯流式机组，最低发电水头3 m，为低水头电站，且电站位于湘江干流，湘江多年平均流量为1 720 m3/s，故水能能够满足发电要求。

（2）调速器系统问题。

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，需按照水轮发电机安装技术规程GB/T 8564-2003 的规定，需要进行低压开启导叶试验，空洲电厂机组在试运行期间已做过低压启动试验，最低开启导叶压力只需4.0 MPa。空洲电厂调速器为奥地利安德里茨厂家所生产，该调速器具有较好的保压效果，机组运行时油压装置启停压力范围为（5.4～6.0）MPa 之间，其特点是机组停机时不需要油压就可直接关闭导叶，在全厂失压时，消耗的油压很少，完全不影响下一次开机。调速器电气部分采用交直流两用逆变电源供电，当交流消失时，直流系统可直接对调速器电气系统供电。

（3）直流系统问题。

空洲电厂采用两组直流蓄电池及两段直流馈线为直流系统供电，单个电池容量为500 Ah，每组电池为108 个，正常运行时，蓄电池处于浮充电状态，一旦全厂失压，自动切换为蓄电池供电，蓄电池设计可供全厂监控系统、保护系统、励磁系统、调速器系统、事故照明直流高压顶起油泵及其他电动球阀等辅助设备使用5 h 以上，为黑启动所需直流电源提供了充分保证。

（4）励磁系统问题。

励磁系统是保证发电机发电主要条件之一，需要考虑的是起励和励磁变冷却问题。空洲电厂励磁系统为自并激，由广州电力科学研究院所生产，可采用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，励磁系统能满足运行要求。

（5）厂用电问题。

空洲电厂共有三段400 V 厂用电，厂用I 段和III 段分别通过厂用变连接至10.5 kVI 段和10.5 kVII段母线，厂用II 通过断路器与厂用I、III 段相连，每台机组辅机设备均从厂用I 段和厂用III 段取电源，两段电源互为备用，在机组辅机屏处用两台800 A的断路器连接厂用I 段和厂用III 段的电源，通过电气和机械闭锁，使断路器自动切换。电厂无其他外接保安电源，由一台300 kW 的柴油发电机充当保安电源，故在全厂失压情况下，需切除与机组辅机无关的其他一切电源，并断开厂用I、II、III 段之间的联络。

3 发电机黑启动

所谓黑启动就单个电站而言是指当电网发生大面积停电时，电站与系统解列处于全黑状态，此时通过开启具备启动能力的机组，迅速启动，并建立电压，投入稳定运行，最终实现整个电站供电系统恢复。空洲电厂黑启动设计之初和正常启动机组程序基本一致，经过多年运行实践，目前已优化程序，当全厂失压时，因柴油发电机负荷有限，只有300 kW，而调速器电机功率为110 kV，空冷器冷却水泵电机功率为37 kW，6 台冷却风机功率共计66 kW，轴承油泵功率55 kW，轴承油冷却水泵电机功率7.5 kW，厂区、渗漏排水泵电机功率共计110 KW，已超过柴油发电机总功率，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，一台直流高压顶起油泵也能满足机组启动要求，对瓦无影响。经优化，黑启动程序中只保留了厂用III段中机组调速器油泵电机及轴承油泵电机电源，其他电源全部断开，黑启动时电厂5 台机组均能满足启动要求，并且可在监控系统上位机直接操作。遇到系统停电，电厂与系统解列的情况时，可在上位机任意启动一台机组，机组开启后，直接励磁，进入空载状态。

空洲电厂经优化后设计的以上黑启动程序，可在灯泡贯流式机组电厂中广泛推广使用，此启动程序已经过多次验证，对机组本身无影响，并且可在最短时间内完成。

4 机组孤网运行问题

系统出现大面积停电，电厂与系统解列，即便是黑启动成功，也面临发电无法送出问题，厂内排水系统无法正常运行，最终将导致水淹厂房，给电厂带来巨大的经济损失，各电厂必须考虑发电机孤网运行问题，孤网运行最突出的特点，是由负荷控制转变为频率控制，要求调速系统具有符合要求的静态特性、良好的稳定性和动态响应特性，以保证在用户负荷变化的情况下自动保持电网频率的稳定。这就是通常所说的一次调频功能。运行人员关注的问题不再是负荷调整，而是调整孤网频率，使之维持在额定频率的附近。这种调整通过操作调速系统的给定机构来完成，成为二次调频。由于孤网容量较小，其中旋转惯量储存的动能和锅炉群所具备的热力势能均较小，要求机组的调速系统具有更高的灵敏度，更小的迟缓率和更快的动态响应。空洲电厂因孤网运行时负荷很小，在调速器死区范围内，故每次机组孤网运行时，调速器稳定性很差，负荷调整频繁，导致调速器系统油温经常过高，经多次探讨，最终找到如下解决方案，使机组运行达到稳定。

当电厂与系统解列后，立即启动黑启动程序，机组开启之后，将调速器控制屏柜内断路器合闸节点解开，再在监控系统上位机手动合上机组出口断路器，此时因调速器控制屏内断路器合闸节点已解开，调速器系统无法检测断路器状态，故一直处于空载运行状态，不会产生大的扰动，运行平稳，所带负荷能满足近区及厂用电要求，经多次试验后，此方案已很成熟，可以在类似电厂推广。

5 结 语

由于水电机组结构科学、合理，没有复杂的辅机系统，厂用电也相对较少，机组启动速度也较快，故机组黑启动和孤网运行相对较为简单，空洲电厂还作为株洲地区黑启动电源的电站，目前电厂已编制出较为完善的黑启动和孤网运行方案，不过尚未在株洲地区作为黑启动电源试验过，还需进行试验和演习，这也是目前仍需完善的地方，今后如有机会需与株洲电业局共同合作，进行实战演习，以备不时之需。