劉興斌，曾 輝

（湖南省水運(yùn)建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410011）

1 電站概況

土谷塘航電樞紐工程位于湘江衡陽市上游39km的衡南縣云集鎮(zhèn)，是《湘江干流航道發(fā)展規(guī)劃》八個(gè)梯級(jí)中開發(fā)建設(shè)的最后一級(jí)，也是交通運(yùn)輸部和湖南省“十二五”利用亞行貸款的重點(diǎn)內(nèi)河建設(shè)項(xiàng)目，以航運(yùn)為主，兼有交通、發(fā)電、灌溉和供水等水資源綜合利用項(xiàng)目，主要建筑物包括船閘、泄水閘、電站、魚道及相關(guān)設(shè)施。其中船閘工程為三級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)年通過能力1 420萬t，電站裝機(jī)4臺(tái)，總裝機(jī)容量9萬kW，設(shè)計(jì)最大發(fā)電量3.62億kW·h，項(xiàng)目總投資約29.54億元，總工期50個(gè)月。作為省委、省政府建設(shè)“東方萊茵河”戰(zhàn)略重點(diǎn)的基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目，工程建成后，可消除湘江中游的“瓶頸”航道，使國(guó)家規(guī)劃的湘江高等級(jí)航道增至為585 km，對(duì)連通長(zhǎng)江水系，實(shí)現(xiàn)干支直達(dá)，江海聯(lián)運(yùn)，優(yōu)化湖南交通運(yùn)輸結(jié)構(gòu)，改善湘江流域環(huán)境，充分發(fā)揮水運(yùn)綠色、低碳、環(huán)保、運(yùn)量大、運(yùn)輸成本低等優(yōu)勢(shì)具有十分重要的戰(zhàn)略意義。土谷塘航電樞紐船閘于2014年12月16日正式通航，首臺(tái)機(jī)組（1號(hào)機(jī)組）于2015年12月23日正式并網(wǎng)發(fā)電。2016年10月11日4臺(tái)機(jī)組全部并網(wǎng)發(fā)電。

2 水電站主要設(shè)備配置情況

2.1 水輪發(fā)電機(jī)組

發(fā)電機(jī)組采用東芝水電設(shè)備（杭州）有限公司生產(chǎn)的SFWG22.5—80/7980型發(fā)電機(jī)。額定容量為25MVA，額定功率22.5MW,定子額定電壓為10.5kV，額定功率因數(shù)為0.9，定子繞組接線為星形，額定轉(zhuǎn)速75 r/min，絕緣等級(jí)F級(jí)。

2.2 勵(lì)磁系統(tǒng)

勵(lì)磁系統(tǒng)選用廣州擎天實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的FJL-5EMISPADD2B型勵(lì)磁系統(tǒng)，采用自并激可控硅勵(lì)磁方式，由勵(lì)磁變壓器、可控硅整流裝置、滅磁開關(guān)、滅磁電阻柜、電氣制動(dòng)開關(guān)及勵(lì)磁用保護(hù)、測(cè)量TA、TV等設(shè)備組成。

2.3 主變壓器

電站設(shè)2臺(tái)主變壓器，均為特變電工衡陽變壓器廠生產(chǎn)。主變型號(hào)為SFP11-50000/110升壓變壓器，額定容量為50 000 kVA，額定電壓為121/10.5 kV,空載損耗29.81 kW，冷卻方式為ODAF(強(qiáng)油循環(huán)風(fēng)冷)，接線組別為Ynd11。

2.4 調(diào)速器系統(tǒng)

土谷塘水電站調(diào)速器為武漢長(zhǎng)江控制設(shè)備研究所生產(chǎn)。電液隨動(dòng)系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)如下：

主配壓閥直徑 100/150 mm

工作油壓 6.3 MPa

電液比例閥通徑 Φ10 mm

濾油精度 ≤20 μm

濾油器通流能力 25 l/min

電源 DC220 V/DC24 V

圖1 土谷塘水電站主接線圖

3 系統(tǒng)組網(wǎng)及運(yùn)行方式

土谷塘水電站主接線情況如圖1，采用擴(kuò)大單元接線方式，1號(hào)機(jī)組和2號(hào)機(jī)組經(jīng)出口斷路器接于10 kV母線I段，再經(jīng)1號(hào)主變升壓后接入110 kV母線；3號(hào)機(jī)組和4號(hào)機(jī)組分別經(jīng)出口斷路器接于10 kV母線II段，再經(jīng)2號(hào)主變升壓后接入110 kV母線。110 kV母線采用單母線接線方式，僅一回出線（土云線）與系統(tǒng)連接。廠用電系統(tǒng)設(shè)2臺(tái)SCB10-1600/10型廠用變壓器，分別向廠用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段供電，正常供電時(shí)為單母分段運(yùn)行。異常情況下，任意一臺(tái)廠用變壓器均可帶其他兩段運(yùn)行，三段失壓的情況下，可由柴油發(fā)電機(jī)向廠用Ⅱ段供電。

4 黑啟動(dòng)的必要性分析

土谷塘水電站為河床式廠房，電站廠房在水庫下面，額定水頭低（僅為5.8 m），河流徑流量大，水庫為日調(diào)節(jié)水庫，調(diào)節(jié)能力差。同時(shí)，樞紐肩負(fù)著巨大的通航壓力任務(wù)。船閘通航、弧門啟閉、滲漏和廠區(qū)集水井排水等對(duì)供電的可靠性要求都很高。土谷塘樞紐船閘和電站廠房各配置了1臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)（均為400 kW）作為備用保安電源，其中船閘柴油發(fā)電機(jī)用于弧門及通航應(yīng)急保安電源供電，電站柴油發(fā)電機(jī)用于廠用電系統(tǒng)應(yīng)急保安電源供電。船閘柴油發(fā)電機(jī)配置容量可滿足2孔弧門（2×55 kW）操作用，電站柴油發(fā)電機(jī)配置容量可滿足1臺(tái)廠區(qū)排水泵（37 kW）、1臺(tái)滲漏排水泵（110 kW）和1臺(tái)中壓氣機(jī)（11 kW）電機(jī)容量要求。由于土谷塘水電站僅一回出線（土云線）與系統(tǒng)并網(wǎng)，一旦系統(tǒng)發(fā)生故障導(dǎo)致機(jī)組全部甩負(fù)荷保廠用失敗停機(jī)，在短時(shí)間無法恢復(fù)的情況下，如何利用船閘柴油發(fā)電機(jī)開啟弧門，保證水庫安全和通航安全，以及利用電站柴油發(fā)電機(jī)保廠用供電安全，因此確保土谷塘航電樞紐自身安全具有十分重要的意義。同時(shí)，利用電站柴油發(fā)電機(jī)供電，黑啟動(dòng)成功后，根據(jù)衡陽地調(diào)要求，作為一個(gè)電源點(diǎn)，對(duì)恢復(fù)系統(tǒng)供電提供了強(qiáng)有力的保障。

5 黑啟動(dòng)現(xiàn)狀分析

盡管土谷塘水電站在設(shè)計(jì)中考慮了機(jī)組黑啟動(dòng)模式，在機(jī)組軸承油系統(tǒng)中設(shè)置了直流頂軸油泵，在勵(lì)磁系統(tǒng)中設(shè)置了直流起勵(lì)、機(jī)組殘壓起勵(lì)等黑啟動(dòng)條件。但現(xiàn)實(shí)情況中，如果發(fā)生系統(tǒng)故障導(dǎo)致機(jī)組全部甩負(fù)荷保廠用失敗停機(jī)，機(jī)組壓油槽油壓和油位會(huì)迅速下降，因此無法利用調(diào)速器壓油槽剩余油及機(jī)組直流起勵(lì)、機(jī)組殘壓起勵(lì)，不能實(shí)現(xiàn)真正意義上的黑啟動(dòng)，主要原因分析如下：

5.1 軸承潤(rùn)滑系統(tǒng)

機(jī)組軸承潤(rùn)滑系統(tǒng)中配置了2臺(tái)型號(hào)為HSNH440-40的交流軸承油泵，油泵功率為11 kW，一旦全廠失壓，交流軸承油泵將無法工作。因此，如果在全廠失壓的情況下不利用柴油發(fā)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)真正意義上的黑啟動(dòng)是無法完成的。

5.2 調(diào)速器系統(tǒng)

調(diào)速器設(shè)計(jì)操作的油壓為6.3 MPa,壓力油罐容積為9 000 L，其中壓力油占1/3，約3 000 L，設(shè)置了2臺(tái)功率為90 kW的交流調(diào)速器油泵，正常情況下能提供機(jī)組導(dǎo)葉從全開位置到全關(guān)位置，以及漿葉從全關(guān)位置到全開位置的全部用油量。在機(jī)組停機(jī)過程中，為了控制機(jī)組轉(zhuǎn)速上升值，遏制機(jī)組浪涌高度，調(diào)速器將機(jī)組導(dǎo)葉開度分段關(guān)閉至0%，槳葉開度開至100%，整個(gè)過程導(dǎo)葉接力器需消耗壓力油約450L，槳葉接力器需要消耗壓力油約180L，在機(jī)組開機(jī)啟動(dòng)前，調(diào)速器將機(jī)組槳葉開度由100%關(guān)至0%已協(xié)聯(lián)導(dǎo)葉開機(jī)，再將機(jī)組開啟至空載，導(dǎo)葉接力器需要消耗壓力油約260 L，槳葉接力器需要消耗壓力油約220 L，再加上各管路的油耗，總耗油量不會(huì)超過3 000 L。因此，正常情況下，利用壓油槽剩余壓力油基本可以滿足機(jī)組黑啟動(dòng)開機(jī)至空載的要求。

5.3 直流系統(tǒng)

直流系統(tǒng)采用2套微機(jī)高頻開關(guān)電源裝置，額定電壓為220 V，直流母線分兩段。蓄電池采用2組閥控式免維護(hù)鉛酸膠體電池組，容量400 Ah，每組104個(gè)，單體電壓2 V。在系統(tǒng)事故導(dǎo)致全廠失壓，電站柴油發(fā)電機(jī)未啟動(dòng)的情況下，電站事故照明、計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)等重要負(fù)荷均由蓄電池提供電源保障。在機(jī)組黑啟動(dòng)時(shí)，作為機(jī)組頂軸油泵、直流起勵(lì)等供電，因蓄電池容量有限，機(jī)組在直流起勵(lì)過程中，直流母線電壓將迅速下降，意義上的黑啟動(dòng)難以滿足。

6 機(jī)組黑啟動(dòng)的有效程序及措施

通過對(duì)土谷塘水電站主要設(shè)備配置情況、系統(tǒng)組網(wǎng)及運(yùn)行方式、機(jī)組黑啟動(dòng)的必要性以及黑啟動(dòng)現(xiàn)狀的分析，土谷塘水電站實(shí)現(xiàn)真正意義上的黑啟動(dòng)，即在全廠失壓的情況下，通過電站現(xiàn)有的直流系統(tǒng)供電，利用壓油槽剩余壓力油將機(jī)組開啟至空載帶廠用及近區(qū)等孤立負(fù)荷，是無法達(dá)到要求的。因此，充分利用電站柴油發(fā)電機(jī)恢復(fù)廠用電系統(tǒng)供電，帶機(jī)組輔機(jī)電源等廠用重要負(fù)荷，從而開機(jī)至孤網(wǎng)運(yùn)行是行之有效的方法。下面以2號(hào)機(jī)組黑啟動(dòng)帶廠用和近區(qū)負(fù)荷程序步驟為例：

1）啟動(dòng)廠用柴油發(fā)電機(jī)，合上柴油發(fā)電機(jī)本體開關(guān)。

2）檢查112開關(guān)、104開關(guān)、132開關(guān)確在“斷開”位置，退出廠用電備用電自投裝置，合上122開關(guān)，102開關(guān)，柴油發(fā)電機(jī)供廠用Ⅰ、Ⅱ段。

3）拉開廠用Ⅰ、Ⅱ段母線上非必要大功率設(shè)備電源抽屜開關(guān)。檢查2號(hào)機(jī)組輔機(jī)電源確在廠用Ⅰ段（如未在Ⅰ段則手動(dòng)倒換至廠用Ⅰ段）。

4）退出近區(qū)電備自投裝置。檢查2號(hào)機(jī)組壓油槽油壓、油位是否正常，如果低，手動(dòng)啟動(dòng)2號(hào)機(jī)組1號(hào)調(diào)速器油泵至停泵油位后切停油泵。

5）檢查滲漏、檢修、廠區(qū)集水井水位是否正常，如果高，手動(dòng)啟動(dòng)相應(yīng)排水泵，至停泵水位后切停水泵。檢查中壓氣機(jī)系統(tǒng)氣壓是否正常，當(dāng)中壓氣系統(tǒng)氣壓低于正常值，手動(dòng)啟動(dòng)1號(hào)或者2號(hào)中壓氣機(jī)，至正常氣壓值時(shí)切停中壓氣機(jī)。

6）拉開1號(hào)廠用變壓器1CB高壓側(cè)314開關(guān)、330開關(guān)、310開關(guān)。

7）檢查2號(hào)機(jī)組高位油箱油位正常，壓油槽油位油壓正常、勵(lì)磁系統(tǒng)正常，具備開機(jī)條件。上位機(jī)發(fā)2號(hào)機(jī)組“黑啟動(dòng)”令，監(jiān)視2號(hào)機(jī)組黑啟動(dòng)帶10.5 kVⅠ母正常。手動(dòng)啟動(dòng)2號(hào)機(jī)組6臺(tái)發(fā)電機(jī)風(fēng)機(jī)和碳粉吸塵器，并退出停機(jī)加熱器和除濕機(jī)。

8）合上104開關(guān)，柴油機(jī)帶廠用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段。

9）合上314開關(guān)，檢查1CB充電正常。拉開102開關(guān)，合上112開關(guān)，則10.5 kVⅠ母通過1CB供電廠用Ⅰ段（注意在倒換廠用時(shí)2號(hào)機(jī)組輔機(jī)電源中斷導(dǎo)致停機(jī)）。

10）拉開122開關(guān)，并將其搖至“試驗(yàn)”位置。合上102開關(guān)，用1CB帶廠用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段運(yùn)行，恢復(fù)廠用Ⅰ、Ⅱ段所有負(fù)荷抽屜開關(guān)，并將所有水泵、氣機(jī)、2號(hào)機(jī)組2臺(tái)調(diào)速器油泵置“自動(dòng)”方式。

11）停廠用柴油發(fā)電機(jī)。倒換近區(qū)供電方式。

備注：假設(shè)事故前為正常運(yùn)行方式：1CB帶廠用Ⅰ段，2CB帶廠用Ⅱ、Ⅲ段；近區(qū)供電由10.5 kVⅠ母通過330開關(guān)供電。機(jī)組全停后，全廠失壓（112開關(guān),132開關(guān)會(huì)失壓跳開），近區(qū)失電（330開關(guān)，340開關(guān)因?yàn)閭渫蛾P(guān)系會(huì)互跳一次：330開關(guān)分，340開關(guān)合，然后330開關(guān)合，340開關(guān)分）。

7 結(jié)束語

土谷塘航電樞紐水庫容量小，正常蓄水位58.0m，死水位為57.0 m，可調(diào)節(jié)庫容僅為2 770萬m3。河床式廠房對(duì)廠用排水系統(tǒng)、弧門操作系統(tǒng)電源等供電可靠性要求更高，加上土谷塘水電站僅一條出線線路與系統(tǒng)并網(wǎng)，出現(xiàn)系統(tǒng)故障機(jī)組甩負(fù)荷停機(jī)的可能性非常大，一旦全廠失壓，如何利用船閘柴油發(fā)電機(jī)開啟弧門，保證水庫安全和通航安全，利用電站柴油發(fā)電機(jī)保廠用供電安全，對(duì)土谷塘水電站至關(guān)重要，作為土谷塘水電站每一位生產(chǎn)人員尤其是電站運(yùn)行維護(hù)人員，都必須熟練掌握。