托口电厂水轮发电机组黑启动程序优化与探讨

宋 青

（1.五凌电力有限公司，湖南 长沙 410000；2.湖南省水电智慧化工程技术研究中心，湖南 长沙 410000）

1 前言

托口电厂位于湖南省洪江市境内，为沅水干流第五座梯级水电厂，整个工程由两座大坝、两个发电厂房和两坝间近10 km 的河湾地块防渗工程组成，水库总库容12.49 亿m3，有效库容6.15 亿m3。电厂安装有4 台单机容量为200 MW 以及2 台单机容量为15 MW 的混流式水轮发电机组，总装机830 MW，其中单机容量为200 MW 属于华中网调管辖，单机容量为15 MW 的机组属于怀化地调管辖。作为一座湘西南的重要水电厂，一旦发生全厂停电事故，若不能及时恢复厂用电，就有可能导致设备损坏、水淹厂房、水漫弧门等重大事故，造成巨大的经济损失。因此，有必要针对托口电厂的黑启动现状分析，并通过相应措施确保机组具备黑启动能力，以满足《防止电力生产事故的二十五项重点要求》中关于加强大面积停电恢复能力相关要求，进一步保障电厂及电网安全。

2 托口电厂主接线及厂用电介绍

托口电厂主接线采用联合单元接线方式，其中1 号机组和2 号机组经出口断路器分别接于经1 号、2 号主变升压后接入500 kV Ⅰ母线；3 号机组和4号机组分别经出口断路器分别接于经3 号、4 号主变升压后接入500 kV Ⅰ母线。500 kV 母线采用单母线接线方式，仅一回出线 （托牌线）与系统连接。厂用电系统，1 号机经1 号高厂变21B 降压后由310断路器带厂用10 kV Ⅰ段，3 号机经2 号高厂变22B降压后由320 断路器带厂用10 kV Ⅱ段,正常情况，厂用10 kV Ⅰ、Ⅱ分段运行；外来电源作为备用电源经300 断路器（300 断路器一般处于“分闸”位置）带厂用10 kV Ⅱ段，柴油发电机作为黑启动紧急备用电源，接于公用400 V Ⅱ段，厂用电接线图如图1。

图1 厂用电接线图

3 托口电厂黑启动现状分析

3.1 主设备配置情况

（1）水轮发电机组

托口电厂发电机采用哈尔滨电机厂生产的型号为SF200—68/15250 混流式水轮发电机组，额定功率200 MW,定子额定电压为15.75 kV，额定转速88.2 r/min，绝缘耐热等级F 级。机组停备超过10 d需要顶转子，一般情况对电源没有特殊要求。

（2）调速器系统

托口电厂采用长江三峡能事达公司生产的调速器控制系统。交直流双电源供电，在交流电源失电后，调速器及其控制回路能正常工作，压油泵不能正常启动。正常运行压力范围为5.9～6.3 MPa，经实验，切断油泵电源，机组开机至空载，油压装置油压只下降约0.3 MPa，能满足黑启动要求。

（3）励磁系统

托口电厂励磁系统采用广州擎天实业有限公司生产的EX9100 系列励磁系统,该系统采用交直流供电，交流电源主要用于提供风机电源、变送器电源、照明及加热器电源；直流电源包括起励电源和控制电源。起励方式一般采用残压起励，当有起励命令时，励磁系统先进行残压起励，10 s 内成功建压10%时退出残压起励；如果10 s 建压10%不成功，则自动投入辅助直流起励电源起励，之后建压10%时或5 s 时限到，自动切除辅助直流起励电源回路。

（4）直流系统

托口电厂直流系统两段母线分段运行，每段母线与蓄电池相连接，两组蓄电池的总容量为1 200 Ah，预估计可以持续供电10 h。通信系统另单独配置两组蓄电池并联运行，两组蓄电池供电能力为550 Ah，在通信交流电源中断的情况下能持续供电时间40～50 h。直流系统能满足黑启动时对保护、控制、励磁、照明、通信等系统的可靠供电。

3.2 存在的问题及改进措施

托口电厂在设计中考虑了机组黑启动模式，在励磁系统中设置了直流起励、机组残压起励、机组辅机设置逆变电源等黑启动条件。但在施工设计阶段遗留以下问题：

（1）托口电厂开机条件影响黑启动存在的问题及改进措施：

1）进水口闸门系统交流电源消失时，闸门开度仪掉电，闸门全开复归，开机条件不满足。后经改造，闸门开度仪接入交直流电源切换装置，为闸门开度仪提供备用工作电源，提高设备运行可靠性，满足开机条件。

2）“励磁系统准备好”为机组开机基本条件之一，其中“励磁系统厂用交流、直流电源消失”报警条件为励磁系统任意一路外部供电电源消失。当出现该告警信号时，计算机监控系统判断开机基本条件不满足，机组无法开机。经联系厂家确认，励磁系统仅有一路电源供电时即可正常起励，故计算机监控系统判断“励磁系统准备好”的逻辑有误。后优化开机条件，当出现励磁系统厂用交流电源消失告警信号时，励磁系统满足开机条件要求。

（2）托口电厂开机流程影响黑启动存在的问题及改进措施：

1）技术供水主要采用蜗壳取水，通过水力控制阀供发电机空冷器、上导轴承、推力轴承、水导轴承、主轴密封等设备供冷却水。交流消失后，发电机端子箱失电导致发电机空冷器、上导轴承、推力轴承示流计失电，发电机空冷器、上导轴承、推力轴承示流信号中断导致开机条件不满足，经改造后，发电机端子箱电源取自逆变电源，确保交流消失后各技术供水示流信号正常，满足黑启动开机的安全要求。

2）交流消失后，上导、推力吸油雾装置无法正常启动，开机第四步与判定条件不满足：上导、推力吸油雾装置交流失电无法正常运行。通过优化开机流程，将吸油雾装置启动不作为开机流程正常的必要条件。

3）当交流电源消失，励磁系统起励时，励磁风机无法正常启动导致起励失败。经联系厂家并现场试验，当机组黑启动后，励磁风机自动切换至由励磁变低压侧供电，故励磁风机启停不影响励磁系统起励，优化励磁系统起励程序后，起励初期励磁风机启停不影响励磁系统正常运行，但黑启动正常后应检查励磁风机启动情况。

4 托口电厂黑启动方案

通过对机组设备进行充分试验、电源改造以及开机流程优化，托口电厂完全具备机组黑启动条件，并制定了具有可操作性和实用性的机组黑启动方案。

4.1 黑启动注意事项

机组黑启动必须在确保全厂设备安全稳定运行的前提下进行，机组黑启动过程中必须重点关注以下事项。

（1）机组黑启动过程中若发生事故，机组黑启动立即中止，机组黑启动人员退出现场，并自动转入事故处理。

（2）选用黑启动的机组主变高压侧隔离刀闸应在“分闸”位置，确保其与系统有效隔离。且未经调度许可禁止黑启动机组向系统供电。

（3）在恢复厂用电过程中，优先恢复黑启动机组自用电400 V 供电；其次密切监视渗漏、厂区、副坝廊道等集水井水位上涨情况，根据实际情况优先恢复其电源。

（4）机组黑启动时应将调速器切至“频率”模式，且优先选用压油槽油压高的机组黑启动。

（5）单机带厂用电机组黑启动时，应将母线保护、T 区保护及系统稳控装置切该机连片退出。

（6）机组黑启动过程中，加强对调速器、励磁、监控等重要系统的现场监视和巡查，检查设备状态转换前后运行状况，并做好事故应急处理准备和事故预想。

4.2 托口电厂黑启动具体操作流程

当出现全厂停电事故时，外来电源消失情况下，选择开机组自启动迅速恢复厂用电系统。现以1 号机为例，主要操作流程如下。

（1）检查1 号主变高压侧隔离开关50016 在“分闸”位置，拉开厂用10 kV Ⅰ段进线开关310。

（2）检查1 号机组控制电源投入正常。解除调速器机频故障信号。

（3）检查1 号开机条件准备好，上位机开1 号机组至空转。检查1 号机组空转运行正常。

（4）检查1 号主变低压侧限流熔断器841 开关已合闸，无压合上1 号发电机出口开关801，上位机开1 号机组至空载态正常，检查1 号机带1 号主变1B、1 号高厂变21B 升压正常。

（5）1 号机组转入空载态后，对1 号机组进行全面检查，记录1 号机组运行参数。

（6）合上厂用10 kV Ⅰ段进线开关310，检查厂用10 kV Ⅰ段母线充电正常。

（7）倒换厂用电，厂用10 kV Ⅰ～Ⅱ段联络运行正常，恢复机组自用400 V，厂用及照明400 V Ⅰ、Ⅱ段负荷；恢复施工营地变电厂10 kV Ⅲ段供电；恢复大厂315 供主坝坝顶400 V Ⅰ、Ⅱ段联络运行正常。

（8）检查1 号机组带厂用电机组黑启动情况，并向调度汇报。

5 结语

托口电厂通过模拟全厂交流失电场景，查找影响机组黑启动的不利因素，并通过技改、优化开机条件等一系列措施，确保机组具备真正意义上的黑启动能力。在此基础上制定机组黑启动方案，同时每年组织对方案的学习演练，确保电厂运行人员熟练掌握黑启动操作的流程及要点，一般5 min 左右就能恢复厂用电，不仅对电网以及电厂的安全、可靠和稳定运行发挥了积极作用，也为其他混流式机组在黑启动程序探讨提供了借鉴意义。

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