水轮发电机组黑启动的研究与实施
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摘要：]本文主要对洪家渡发电厂水轮发电机组黑启动的研究，使现有水力发电机组在不需要备用柴油发电机的前提下即具备黑启动能力，真正实现仅仅利用电厂储存的两种能量――直流系统蓄电池储存的电能量和液压系统储存的液压能量，就完成机组自启动。
关键词：水轮发电机组黑启动 研究实施
0 引言
所谓黑启动，就是整个系统因故障停运后，系统处于全“黑”状态，不依赖别外来电源帮助，通过系统中具有自启动能力的发电机组启动，带动无自启动能力的发电机组，逐渐扩大系统恢复范围，最终实现整个系统的恢复。水电厂的黑启动是指在无厂用交流电的情况下，仅仅利用电厂储存的两种能量――直流系统蓄电池储存的电能量和液压系统储存的液压能量，完成机组自启动，对内恢复厂用电，对外配合电网调度恢复电网运行。机组具有黑启动功能不仅是电厂在全厂失电情况下安全生产自救的必要措施，也是电网发展的需要。
1 研究背景
洪家渡发电厂是西电东送首批国家重点工程的大中型水电厂，装机容量为3*200MW，建设之初即按无人值班、少人值守的要求进行设计。建成后按照新厂新制定员，在生产人员配置上相对较少，现场生产工作主要依靠计算机监控制系统来完成。
主系统的特点是两回220kＶ出线均到同一变电站，采用平行相临布置。在雷雨季节极易遭受雷击造成两回出线同时跳闸，造成全厂停电事故。因此，备用柴油发电机作为全厂停电事故的最后一道防线必须确保万无一失。这就要求对黑启动预案进行定期演练并对备用柴油发电机每月进行定期检查维护。
由于常规黑启动操作属非正常操作，在电气上与正常操作方式不同而存在很多闭锁，因此每一步操作均需要生产人员现场进行，不仅操作步骤复杂、操作过程缓慢，而且容易发生误操作等安全陷患，整个过程必须有现场指挥、现场操作及监护人、专业维护人员等，特别对于新厂新制人员少的情况，难以随时保证人员按时到位，给安全生产造成较大影响。同时，由于对备用柴油发电机需每月进行定期检查维护，不仅工作量大，而且要浪费很多柴油能源，与节能减排要求也格格不如。
针对以上情况，厂对黑启动条件下的水力发电机组自动启动进行了相关的研究与实验。由于在建设之初即按无人值班、少人值守来设计，采用全计算机监控方式，现场设备基本上都采用交直流双电源供电，因此在黑启动条件下的机组自动启动与正常情况下的机组自动启动差异不大，开机流程中90%以上设备均能达到在无交流电源的情况下仍可正常工作，为研究并实施利用现有水轮发电机组实现全厂黑启动打下了良好的基础。
2 行业内电厂黑启动研究综述
水轮发电机组与火电、核电机组相比，具有辅助设备简单、厂用电少，启动速度快等优点，理所当然成为黑启动电源的首选。作为电网黑启动的关键，研究水电厂快速经济的黑启动方式十分重要，对电网事故后的快速恢复意义重大。目前，作为黑启动关键电源点的水电厂，具备黑启动能力已是最基本要求，但从水电厂黑启动研究的现状来说，基本上未达到仅仅利用电厂储存的两种能量――直流系统蓄电池储存的电能量和液压系统储存的液压能量，就能完成机组自启动。事实上，还需要先启动备用柴油发电机才能完成机组自启动。
对于洪家渡发电厂来说，原来的黑启动方式亦如此。备用柴油发电机不仅作为防洪备用电源，同时也用作机组自启动的电源。由于洪家渡发电厂仅有两回出线，在雷雨季节很容易发生两回出线同时跳闸而全黑的危险。因此，为保证厂用电安全及全厂黑启动能力，通常需要对备用柴油发电机进行每月的定期检查维护，在天气恶劣且单回线运行时申请开机自带厂用电。这样不仅浪费能源，而且增加了运行维护难度。同时，通过备用柴油发电机来实现全厂的黑启动，整个操作过程复杂，通常在人员齐备、设备完好的前提下，尚需要一个小时左右才能完成机组自启动并恢复厂用电，达不到快速、经济、安全的要求。因此，实现现有水力发电机组在不需要备用柴油发电机的前提下即具备黑启动能力的预期目标具有十分重要的意义。
3研究的主要内容、关键技术与创新点
利用现有的水力发电机组在电厂全黑条件下具备黑启动能力，即在全厂失电时将水力发电机组自动开机至空载带厂用电。它与正常情况下开机自带厂用不同的是在电厂全黑条件下，部分开机条件不满足，部分自动化元件动作不正常。为了满足机组自启动要求，就必须找出并更换与自动开机过程有关且不具备直流供电条件的设备及元件，使之在无厂用交流电源的条件下，能够正常完成自动开机带厂用电。
研究范围包括：1、主机自动化元件、监控系统设备、调速系统、励磁系统、机组技术供水系统自动化元件的供电电源，必须满足直流供电要求；2、电厂储存的两种能量――直流系统蓄电池储存的电能量和液压系统储存的液压能量，必须满足机组自启动的要求；3、监控系统程序及画面必须满足黑启动及正常条件下机组自动开机的兼容性要求。
为此，根据相关研究试验作了如下改造：1、修改了监控系统程序及画面，以满足黑启动及正常条件下机组自动开机的兼容性。该项工作主要在开机流程中增加了对全厂失电情况下影响机组正常开机的交流失电故障信号、调速器网频故障信号、主变中性点合闸信号等装置的强置命令；该命令在机组建压后空载状态时自动进行复归，以避免影响机组正常运行监视；在机组开机画面增加黑启动强置及复归按钮。2、找出并更换在开机过程中不具备直流供电条件的设备及元件，增加一套逆变装置，为确实不能改造为直流供电的设备及元件提供交流电源。
通过以上研究及试验，对不满足黑启动条件下机组自动开机的部分进行改造，使之具备了相应的能力，最后通过模拟全厂全黑条件下，完成机组自动开机的全过程实现，以检验机组的黑启动能力。目前已完全具备无需外来电源就可实现机组的自启动，完全实现上位机监控制系统 “一键”启动的功能，大大提高了电网的自恢复能力。
本研究的主要关键技术与创新点在于：利用已具备高度自动化水平的水力发电机组来实现水电厂的黑启动，真正实现不依靠备用柴油发电机，仅仅利用电厂储存的两种能量――直流系统蓄电池储存的电能量和液压系统储存的液压能量，即完成机组自启动，从而达到快速、经济、安全的黑启动要求和能力。同时，由于机组黑启动及正常条件下机组自动开机在控制操作上保证了良好的兼容性，最大限度的利用了原有设备及其功能，用较少的投资即完成了项目研究及改造工作，不仅提高了设备的自动化水平，安全经济效益也十分显著。
4、项目研究的意义及其经济效益
研究并实施利用现有水轮发电机组实现全厂黑启动，在不需要备用柴油发电机的前提下即具备黑启动能力，整个操作过程实现全计算机控制，相对柴油发电机方式的黑启动，水轮发电机组黑启动仅需要几分钟，不仅安全、经济、高效，还节约了柴油并减少了日常维护工作量。当现有水轮发电机组具备黑启动能力后，作为防洪备用电源的柴油发电机可以减少定期维护工作，从每月一次可改为只在汛前、汛期、汛末各一次，从而减少大量的维护工作及柴油消耗；不需要大量的人员保障即可安全、经济、高效完成黑启动过程，不仅有效的保证了厂用电安全，对电网事故后的快速恢复也意义重大，必将产生巨大的社会效益和经济效益。对在具备相当技术条件的水电厂中进行推广应用具有很好的借鉴作用。
作者简介：
廖 强，男，38岁，工程师，从事水电厂运行维护管理工作。
李文斌，男，39岁，高级工程师，从事水电厂运行维护管理工作。
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