CN101436788A - 无备用厂用电源水电站水轮发电机组黑启动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无备用厂用电源水电站水轮发电机组黑启动方法，其启动过程如下：运行人员操作断开直流系统以及相关机组所有辅助设备和装置的交流电源，事故照明系统直流电源同时自动投入，开启所有事故照明设备；在计算机监控系统中启动黑启动监视，人为虚拟失压条件满足；计算机监控系统控制程序自动判断进入“黑启动”操作画面；运行人员选择黑启动机组进行“黑启动”，遇条件不满足时，计算机监控系统推出指导画面，提示进行相关操作：启动条件均满足时，执行机组启动流程，机组开机成功并合上出口开关进入发电状态。本发明对现机组黑启动的自动控制，建立起厂用电源，进而为电网提供可靠电源点。

Description

无备用厂用电源水电站水轮发电机组黑启动方法

技术领域

本发明涉及一种水电站水轮发电机组黑启动方法，属于电力行业技术领域。

背景技术

当电网系统发生大面积停电事故，造成厂用电源全部失去时，将不具备黑启动能力的电站造成严重后果：机组运行中事故跳闸甩负荷后若引起过速保护动作，则闸门均不能动作；机组调速器油压系统的油压和油位会下降，不能保证机组操作所需的压力和油量；直流系统失去交流电源后引起蓄电池组电压急剧下降，无法保证合闸母线电压在额定范围范围内；计算机监控系统、所有的保护、通讯、远动传送都不能维持长时间的正常工作；机组所需的制动风压也迅速下降，不能维持长时间确保机组停机时所需要的制动风压；厂房集水井水位上涨，严重威胁厂房安全。平时遇到需采取保厂用电措施时，必须开起一台机专带厂用电而不参与向系统供电，降低了系统备用容量，增大了耗水率。

发明内容

本发明的目的在于：针对当电网发生大面积停电事故、全厂失压、无备用电源的情况下，充分利用水力机组快速启动的性能，挖掘现有发电设备的潜力，对设备进行必要的改造，调整油压装置运行参数，开发黑启动的自动控制软件，从黑启动条件判断到机组开机的全过程减少人为干预的操作步骤，实现机组黑启动的自动控制，建立起厂用电源，进而为电网提供可靠电源点。

本发明目的通过以下方案实现：其启动过程如下：运行人员操作断开直流系统以及相关机组所有辅助设备和装置的交流电源，同时，事故照明系统直流电源同时自动投入，开启所有事故照明设备；在计算机监控系统中启动黑启动监视，人为虚拟“220KV母线、110KV母线、10KV厂用电母线”失压条件满足，即模拟电网处于“黑启动”状况；计算机监控系统控制程序自动判断进入“黑启动”操作画面；运行人员上位机操作，选择黑启动机组进行“黑启动”，遇条件不满足时，计算机监控系统推出指导画面，提示进行相关操作：包括断开厂用变出口开关、拉开隔离刀闸、投退有关装置压板、检查各设备状态；运行人员按计算机监控系统提示操作完毕，计算机监控系统判断机组运行状态及“黑启动”启动条件均满足，执行机组启动流程，机组开机成功并合上出口开关进入发电状态。

本发明在现有不具备黑启动能力的机组条件基础上，充分挖掘现有发电设备的潜力，需对设备进行必要的改造，调整部分运行参数，开发黑启动的自控软件，使机组具备黑启动功能。并对现机组黑启动的自动控制，建立起厂用电源，进而为电网提供可靠电源点。

附图说明

图1为本发明方法程框图；

图2为本发明实施例中发电站主接线图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明进行详细说明。

实施例：以柘林水电站为例

本发明方法包括以下内容：

首先确定机组黑启动研究对象。从主接线图上分析，柘林电站共装有六台水轮发电机组，其中A厂四台水轮发电机组，单机容量45MW；B厂两台水轮发电机组，单机容量120MW。A厂厂用电系统由10.5KV I、II段母线各带一台500KVA厂用变(41B、42B)，厂用变400V低压母线分段(1DM、2DM)运行，并作为互为备用电源来考虑，无外来备用电源。B厂厂用电系统分别由5B、6B降压，各带一台1500KVA厂用变(43B、44B)，厂用变400V低压母线分段(3DM、4DM)运行，并作为互为备用电源来考虑，B厂的外来备用电源由A厂的近区用电提供，是一台1200KVA厂用变(45B)，其400V低压接B厂II段(4DM)母线备用。因此，当全厂失压时，只要A厂一号机组、二号机组、三号机组任何一台实现自启动，就可以建立A厂厂用电系统，从而进一步启动四号机组，建立B厂厂用电系统，达到恢复全厂厂用电系统的目的。所以，本黑启动研究对象为A厂45MW水轮发电机组的黑启动。

实现柘林电站的黑启动，需要解决的技术关键为：

①油压装置是向水轮发电机机组的调速系统供给压力油的能源设备。由于各种原因导致的厂用电失去后，能否依靠油压装置所储存的能源，安全可靠地启动机组，重建厂用电，是水电厂机组实现黑启动的关键之一。为此，需对机组的油压装置进行复核、研究和测试，以确定油压装置能否满足机组黑启动的要求，从而对油压装置进行必要的技术完善，以适应黑启动的要求。

②厂用交流电源消失后，各控制、保护、测量设备均需稳定的直流电源供电，需进行校核直流系统容量裕度，确定是否能够满足机组黑启动的要求。

③需进行机组黑启动控制软件开发、分析、试验和复核，满足在黑启动状态下，安全可靠启动机组的要求。

④黑启动试验方案的制定。

1、45Mw机组黑启动时油压装置的运行分析技术报告

由于厂用电电源的消失，压油泵不能正常运行，水轮发电机组黑启动的关键是控制水轮机导叶开启的压力油压及压油槽油位是否能维持在正常的工作范围，即能否满足机组的开机条件，同时，还应考虑机组开机过程中，或开机后遇事故需紧急停机处理，油压和油位是否有能力保证机组的正常动作。为此，对机组的油压装置进行复核、研究和测试，以确定油压装置能否满足机组黑启动的要求，从而对油压装置进行必要的技术完善，以适应黑启动的要求。

1.1 油压装置的基本技术条件

型号：                 YS—2.5

压油罐容积：           2.5m³

压油罐内径：           1100mm

额定油压：             2.5Mpa

工作油泵启动压力：     2.35Mpa

备用油泵启动压力：     2.15Mpa

油占总容积的三分之一，其余为压缩空气。

1.2 研究的基本假定

(1)压力油罐中空气容积计算分析按绝热过程变化，压力油罐中空气比容V与压力P的关系为：

PVn＝常数       (其中：等熵指数n＝1.41)

(2)在运行中可能发生的最不利的调整过程：

1)机组满负荷运行。油压装置的油罐的油面和油压都运行在允许值的下限，即油面在可能的最低位置，同时油压在可能的最低值。油泵不工作。

2)机组首先甩去100％负荷，导水机构接力器全关闭停机；然后机组开机至空载；由于机械、电气、或其他原因，又要求机组事故停机。

3)事故历时50分钟的压力油系统的漏油。

要求油压装置经上述调整后油压尚未下降到事故低油压1.6Mpa。

1.3 测试方法

验证油压系统是否能够达到以上要求，需进行机组稳定、调速器自动状况下的漏油量测试，用于了解水轮机无调整操作时的漏油特性；进行接力器、水测液压阀动作耗油量测试，用于了解压力油罐油压—油面变化曲线。

(1)调速系统漏油量测试。即在停机时，调速器分别为自动和手动情况下，压油槽的油压、油位从正常零位值下降至最低油位Hmin(-800mm)或最低油压Pmin(1.65MPa)。

(2)接力器耗油量测试。即在无水状态下往复操作接力器全开全关，使压油槽的油压、油位从正常零位值下降至最低油位Hmin(-800mm)或最低油压Pmin(1.65MPa)。

(3)水液压阀耗油量测试。即机组在停机状态，关闭总给油阀，往复操作水液压阀全开全关，压力油罐的油压、油位的消耗数值。

1.4 压力油罐的油压—油面曲线分析及其整定值的选择

气体由一种状态转变到另一种状态过程中若不与外界发生热交换，则该过程称为绝热过程。在绝热过程中：

PVⁿ＝常数

分析绝热过程下，排油时压油罐内空气变化的规律：

P₁V₁ ⁿ＝P₂V₂ ⁿ

即：P₁(V₁/m₁)ⁿ＝P₂(V₂/m₂)ⁿ

式中：V₁—状态1时的空气体积，为便于分析，一般取零油面时的空气体积。

      V₂—状态2时的空气体积，油位偏离零油面时的空气体积

      m₁—状态1时的空气质量

      m₂—状态2时的空气质量

      P₁—状态1时的空气压力

      P₂—状态2时的空气压力

假设机组操作过程完成后，压力油罐内的空气的质量没有发生变化(实际是稍有变化的)。

令：m₁＝m₂

    P₁V₁ ⁿ＝P₂V₂ ⁿ

即：P₁(πR²H₁)ⁿ＝P₂(πR²H₂)ⁿ

式中：R—压力油罐的内径

      H₁、H₂—对应P₁、P₂压力油罐内空气的高度

P₁H₁ ⁿ＝P₂H₂ ⁿ

取等熵指数n＝1.4，则：

H₂ ^1.4＝(P₁/P₂)H₁ ^1.4

H₂＝[(P₁/P₂)H₁ ^1.4]^1/1.4

  ＝H₁(P₁/P₂)^1/1.4

  ＝H₁(P₁/P₂)^5/7

计算油位值＝H₁—H₂

          ＝H₁—H₁(P₁/P₂)^5/7

          ＝H₁—H₁P₁ ^5/7P₂ ^-5/7

以上是基于绝热过程与空气质量不变而计算的，实际上存在以下情况：

(1)当油压下降时，油内有空气析出；当压力上升时，油会溶解空气。对于压力罐而言：油的压力发生变化时，油中的空气就有析出和溶解的发生，压油罐上部空气就会发生增减。其空气变化量与压力变化速率、变化频次有关。

(2)当温度下降时，会溶解气体；当温度上升时，有气体析出。

因此，计算油位应作必要的修正。即：

实际油位值＝H₁—H₁ P₁ ^5/7P₂ ^-5/7+ΔH

式中：ΔH—压力变化时，透平油析出与溶解空气引起的空气质量增减所产生的油位变化。

由于以上原因，ΔH是不稳定的。即油压—油面实测值是不稳定的，数据是不可重复的。在选择运行参数时应保留一定的裕度。

基于以上的分析和黑启动的需要，对压力油罐油压、油位的区域作如下的选择。

随着油槽油面下降，液压系统会面临两方面的问题：

(1)压力不足问题：油压低于1.6Mpa时，低油压事故停机。

(2)油面过低问题：油面低于-700mm时，低油面事故停机。

考虑压油系统的设计参数及有尽可能长的时间进行黑启动，进行参数整定：

(1)上图区域位置设计过高低油压出现过早，过低会使低油面出现过早。

(2)上图纵向幅度过大，可能进行黑启动的时间会不足；上图纵向幅度过窄，会导致压油装置频繁补气。

1.5 通过复核分析以及实地测试，确定并调整油压装置运行参数

(1)压力油罐的设计零油位与油压

取压力油罐基础环形底座以上740mm为零位。油位零位时油压为2.5Mpa。

油位调整允许偏差：    +50mm至-50mm

启动油泵油压：        2.35Mpa

切除油泵油压：        2.50Mpa

启动备用油泵油压：    2.15Mpa

(2)1.6Mpa低油压停机关闸门

(3)—700mm低油位停机关闸门(新增功能)

需要说明的是当—1000mm油位时，油管开始进气。空气进入油罐机组的稳定性极差，需要设置低油位紧急停机关闸门。考虑必要的裕度，取—700mm为低油位停机整定值。

由失油导致的紧急停机为低油位事故停机(—700mm)；由失气导致的紧急停机为低油压事故停机(1.6Mpa)。按目前的整定值，在失去厂用电后，一般情况下低油位出现在前，低油压出现在后。

(4)考虑到开机、待并列、事故停机的耗油因素，应设定允许黑启动的压油罐油压与油位：

允许黑启动的压油罐油压≥1.86Mpa

允许黑启动的压油罐油位≥—450mm

(5)为保证油压系统能够足够的油压、油位满足黑启动要求，对其运行参数做如下规定(以下功能由计算机监控控制系统实现)：

1)设置油位测量判断程序：

|压油罐油位测量1—压油罐油位测量2|>10mm时，报油位测量故障，弹出故障处理指导“压油罐油位测量异常”

2)设置油位调整提示窗口：

当油压为2.35Mpa，油位≤-100mm时，报油面过低。

当油压为2.50Mpa，油位≥+100mm时，弹出故障处理指导“压油罐油位过高，需要调整”。

3)油位值：

当|压油罐油位测量1—压油罐油位测量2|≤10mm时，

油位值＝(压油罐油位测量1+压油罐油位测量2)/2

当|压油罐油位测量1—压油罐油位测量2|>10mm时，压油罐油位值非法，报警。

4)黑启动时，开机至空载的条件：

压油罐油位测量正常   |压油罐油位测量1—压油罐油位测量2|≤10mm

压油罐油位           ≥—450mm

压油罐油压           ≥1.86Mpa

5)机组带负荷时应核定油压，即油压大于2.15Mpa时，方可增加导叶开度带负荷，以避免低油压事故停机。因此，黑启动后，并列发电增加负荷应增加的条件：

压油罐油压           ≥2.15Mpa

2、直流系统容量技术报告

主要是检验直流系统是否具有适应机组黑启动的运行能力。即在厂用电失去的情况下，直流系统向有关运行设备正常供电1小时左右，是否仍有足够容量和电压操作有关设备。试验模拟厂直流系统在失去交流电源时，直流系统接带最大用电负荷，即保证所有设备在正常运行状态，厂房事故照明(40A负荷)开启，持续1小时，并在试验期间多次操作断路器的跳合闸操作，如用07DL跳闸操作(跳闸电流2A)2次，07DL合闸操作(合闸电流135A)2次。试验总共用时1小时15分钟，厂直流系统蓄电池容量共消耗41Ah，剩余409Ah，验证了直流系统蓄电池容量可以持续黑启动时的正常操作和事故照明2小时，A厂直流系统蓄电池容量能够达到黑启动要求。

3、黑启动自动控制软件开发技术报告

柘林电站在全厂失压的情况下，要想快速、准确、果断、可靠地启动机组并建立厂用电电源，仅依靠人力来完成对电力系统、电力设备运行状况的判断，以及大量、烦琐的操作，是非常困难的，而通过对计算机控制软件的功能开发和应用，就可以很容易地达到这一目的，保证较高的工作效率和安全性。

编制的黑启动自动控制软件是与计算机监控系统正常运行程序相互独立的，在编制黑启动自动控制软件时，首先从机组黑启动的启动条件判断入手，当满足全厂失压条件时推出黑启动操作画面，并根据压力油罐油压、油位值判断当前的机组是否满足黑启动的条件，当|压油罐油位测量1—压油罐油位测量2|≤10mm、压油罐油位≥—450mm、压油罐油压≥1.86Mpa都满足才允许进行下一步操作；然后按机组运行状态备用、空载、空转三种方式进行控制流程设计，对机组的启动条件进行了综合分析和完善，充分考虑了全厂失压时，各种不利因素对设备运行的影响，结合了大量的现场验证、调试和完善，不断使黑启动自动控制流程简单，实时监控所监视对象运行状态，提供直观的数据及画面指导显示，方便运行人员判断和操作。该程序主要分柘林电站黑启动条件的判断、黑启动最佳机组的判断、黑启动机组运行状态的判断、黑启动机组启动流程的判断和执行以及故障判断、操作指南几部分组成，只是在特定的条件下或现场有特殊要求时，方可启动该程序。

另外，为了保证压油罐油位测量正确及保持在允许范围内，在计算机监控控制系统中设置油位测量判断和油位调整程序。当|压油罐油位测量1—压油罐油位测量2|>10mm时，报油位测量故障，弹出故障处理指导“压油罐油位测量异常”，指导检修人员及时进行处理。当油压为2.35Mpa，油位≤-100mm时，报油面过低，当油压为2.50Mpa，油位≥+100mm时，弹出故障处理指导“压油罐油位过高，需要调整”，以便运行人员及时对压力油罐油面进行调整。

计算机监控系统黑启动自动控制软件实现的功能：

(1)按机组黑启动要求，监视机组压力油罐的油压、油位情况，保证机组最佳运行状况，否则，向运行人员发出需调整压力油罐油位的警告信号；

(2)监视系统电压和厂用电系统电压，即当220KVI段母线、220KV II段母线、二号主变及A厂厂用电同时失压；或220KV I段母线未失压，220KV II段母线、二号主变及A厂厂用电同时失压，且无法将220KV I段母线电压送至A厂厂用电的情况下，均判断为电站黑启动状态，推出黑启动操作画面，同时显示所有具备黑启动条件机组的油压、油位运行状况。

(3)当全厂失压时，同时比较可供启动的机组状况，选择条件最佳者(调速器油压系统油压、油位最佳)，提示运行人员优先选择确定

(4)当运行人员确定黑启动机组时，判断机组运行状态(备用、空转、空载)，选择不同控制流程启动，在程序运行过程中若发现问题，及时推出操作指导窗口、故障处理指导窗口等，以供运行人员、维护人员对故障快速判断和处理。

(5)具备黑启动人工启动功能，同时输入多级密码时方可启动，以应对某些特殊原因下必须进行的操作。

4、黑启动过程如下：

运行人员操作断开直流系统以及相关机组所有辅助设备和装置的交流电源，同时，A厂事故照明系统直流电源同时自动投入，开启了全厂事故照明设备。在计算机监控系统中人为虚拟“220KV母线、110KV母线、10KV厂用电母线”失压条件满足，即模拟电网处于“黑启动”状况；计算机监控系统控制程序自动判断进入“黑启动”操作画面；

运行人员上位机操作，选择机组进行“黑启动”，遇条件不满足时，计算机监控系统推出指导画面，提示进行相关操作，包括断开厂用变42B出口开关、拉开034隔离刀闸、投退有关装置压板、检查各设备状态等。以上工作共用时13分钟。

运行人员按计算机监控系统提示操作完毕，计算机监控系统判断机组运行状态及“黑启动”启动条件均满足，执行机组启动流程，所选机组开机成功并合上出口开关进入发电状态(未加负荷)。以上工作共用时1分钟。

运行人员按现场运行规程恢复10.5KV II段厂用电，并逐步恢复所选机组辅助设备及各装置、直流系统的交流电源。恢复工作共用时3分钟。

黑启动试验过程有关参数变化情况

 

参数	开机前	开机后	变化量	事故停机值
					压力油罐油压(Mpa)	2.15	1.99	0.16	1.60
压力油罐油位(mm)	-172	-288	116	-700
					蓄电池放电情况(Ah)	450	449	1

从现场试验数据分析，所选机组黑启动总共耗时17分钟，在此期间，调速器压力油罐压力在机组启动过程中，压力降低0.16MPa，试验过程中压力最低为1.99MPa，远大于事故停机压力值1.60MPa；压力油罐液位变化量为116mm，试验过程中最低为-288mm，远大于事故停机值-700mm；在失去厂用交流电的情况下，机组调速器、励磁系统，继电保护保护装置、计算机监控系统运行正常，A厂直流蓄电池容量变化量仅为1Ah。通过本次试验，验证了柘林电站黑启动过程完全正常，达到黑启动项目要求。

该项目的技术效果：

1、当本厂与系统解列，导致全厂失压时，能可靠自启动相应机组，建立厂用电源，重新并入系统。

2、当系统瓦解时，导致全厂失压，能为系统提供电源点，帮助系统恢复正常。

Claims (2)

1、一种无备用厂用电源水电站水轮发电机组黑启动方法，其特征在于：其启动过程如下：运行人员操作断开直流系统以及相关机组所有辅助设备和装置的交流电源，同时，事故照明系统直流电源同时自动投入，开启所有事故照明设备；在计算机监控系统中启动黑启动监视，人为虚拟“220KV母线、110KV母线、10KV厂用电母线”失压条件满足，即模拟电网处于“黑启动”状况；计算机监控系统控制程序自动判断进入“黑启动”操作画面；运行人员上位机操作，选择黑启动机组进行“黑启动”，遇条件不满足时，计算机监控系统推出指导画面，提示进行相关操作：包括断开厂用变出口开关、拉开隔离刀闸、投退有关装置压板、检查各设备状态；运行人员按计算机监控系统提示操作完毕，计算机监控系统判断机组运行状态及“黑启动”启动条件均满足，执行机组启动流程，机组开机成功并合上出口开关进入发电状态。

2、根据权利要求1所述的无备用厂用电源水电站水轮发电机组黑启动方法，其特征在于：45Mw机组黑启动时，控制水轮机导叶开启油压装置满足以下条件：压油罐容积为2.5m³，压油罐内径为1100mm，额定油压为2.5Mpa，工作油泵启动压力为2.35Mpa，备用油泵启动压力为2.15Mpa，油占总容积的三分之一，其余为压缩空气。

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