上海大容量火电机组黑启动系列试验.pdf

上 海 电力 2 0 0 7 年第 3 期 上海大容量火 电机组黑启动系列试验 阮前途 ， 王 伟 ， 黄 玉 ， 田英杰 ， 祝瑞金 ， 傅聚 荣。 1 ． 上海市 电力公 司， 上海2 0 0 1 2 2 ； 2 ． 上 海市 电力试验研究所 ， 上海2 0 0 4 3 7 ； 3 ． 上海闸电燃气 轮机 发电厂， 上海2 0 0 4 3 8 摘要 上海 电网发 电系统是 以纯 火电为特征 ， 且 大容量机组 占绝对优势 ， 对于机组黑启动 而言， 这些均是劣 势。通过一 系列黑启动试验及其研究 ， 解决 了长期 以来一直 困扰上海 电网的缺乏黑启动能力的问题。本文通 过介绍上海 电网黑启动 系列试验的总体过程和主要结论 ， 分析了燃气轮 机作为黑启动 电源、 全 压启动大容量 变压器 、 燃机小系统带重负荷长期稳定运行等 上海 电网黑启动试验 的独特之处 。 关键词 电力系统 ； 上海 电网； 黑启动试验 ； 燃气轮机 中图分类号 T M7 1 2 文献标识码 B 近年来， 国际上一些大面积停电事故， 特别是 2 0 0 3 年 发生 的一 系 列停 电事 故[ 】 告诫 我 们 ， 互 联 电 网并非 坚不 可摧 ， 而且 一旦 电 网崩 溃 ， 由于 电 网结 构 的紧密 性 和负 荷 的集 中性 ， 所 造 成 的后 果 将是灾难性 的。因此 ， 建立 电网灾变后的紧急恢 复黑启动[ 6 是必要的和迫切的。黑启动是指 整个 电力系统因故 障停运后 ， 不依赖于别的网络 帮助， 通过系统 中具有自启动能力机组的启动， 带 动无 自启 动能 力 的机 组 ， 逐 渐扩 大系统 恢复 范 围 ， 最终 实现 整个 系统 的恢复 。 国际上多次 大 面积停 电事故 [ 7 q 表 明 ， 一 旦 发 生 电网 大 面 积停 电或 全 网停电事故， 系统的恢复过程将变得空前繁琐 ， 若 无任何“ 黑启动” 预案， 运行人员往往束手无策， 电 网的恢复将非常缓慢 ， 使停 电的损失和影响扩大 ； 若事先采取相应措施 ， 制定适当的启动程序 ， 可尽 快 恢复 系统运 行 ， 并 大大减 少停 电时 间 。 上海电网黑启动工作从 2 0 0 0年开始 ， 已完成 了前期 的理论 研究 、 黑启 动方案 确定 、 电厂 和 电站 设 备现状 评估 等研 究项 目。在此 基 础 上 ， 为 验证 黑启 动方案 的合 理性 、 掌握 黑 启 动过 程 中 电网设 备和系统的特性 ， 并为进一步制定黑启动恢复操 作 卡提 供 技 术 依 据 ， 从 2 0 0 3年 1 2月 至 2 0 0 4年 1 2月 ， 在公 司领 导 的 高 度 重视 下 ， 以调 通 中心 牵 头， 公司生产部 、 公司安监部、 电试所 、 闸电燃机、 闸北 电厂、 超高压公 司、 市 区供电公司等参与， 上 海 电网进行 了一 系列 的黑启 动试 验 。黑 启动 系列 试验可以说是上海 电网有史 以来规模最大、 持续 时间最 长 、 牵 涉 面最 广 的 系统 试 验 。经过 各 单 位 的合作 和努 力 ， 试 验获 得全 面和 巨大 的成功 ， 取得 了一 系列科 研成 果 。 l 试验研究 内容 黑启 动试 验lL 】 是 一项 极 富挑 战性 的试 验 研 究 工作 ， 从 最初 的 电源启 动 一 带 动 辅机 一 机 组 运转一 拾 取负载一 恢 复 电网一 启 动其它 电 厂机组 一子系统并列等等， 这些在“ 无穷大” 系统看似简 单 的过程 ， 要 在单 机 下 以 “ 滚 雪 球” 方 式 实 施 系统 恢复 _ 】 ， 所涉 及 的调频 、 调 压 、 负 荷 、 保 护 、 系 统稳 定性等等问题 ， 必将与正常情况相距甚远 。本着 保 电厂设备 和 电网运 行安 全为 第一 的原 则[ 】 卜 ] ， 厂的安 全监督 ， 这 同样需 要 从 机 制上 来 加 以完善 和保证 。电网公 司对所 属的发 电厂要 定期 进行 安 全 检查 或抽查 ， 必要 时通过 试验 ， 保证 有效性 。 在国家电网公 司的部署下 ， 在上海市各政府 部门、 各行业 、 各发电集团公 司的大力支持下 ， 经 过多年的不懈努力， 上海市 电力公 司逐步建立并 健全了上海城市 电网电灾防治体系 ， 特别是突破 了一直 困扰上 海 电网的缺 乏黑启 动 电源 的最大 障 2 3 2 碍 ， 为上海 电 网安全构 筑 了新 的保障 系统 。 收稿 日期 2 0 0 7 0 7 - 1 2 作者简介 王 伟 1 9 6 6 - ， 男， 硕 士研 究生 ， 高级工程 师， 主任 ， 从 事电力系统运行与 管理 工作 ； 凌晓波 1 9 7 5 一 ， 男， 硕士研 究生 ， 工程 师 ， 运 方 处副处 长， 从 事 电网安全运行 和管理工作 ； 刘 蓓 1 9 5 9 一 ， 女 ， 本科 ， 高级 工程 师， 运 方 处主管 ， 从事 电力系统安全运行和计算 工作。 责任编辑 杜 建军 维普资讯 2 0 0 7 年第3 期 上 海 电力 上海电网黑启 动试验采取 了循 序渐近的探索策 略 ， 从 点 开始 ， 逐 步 扩 大 到 线 至 面 的 电 网恢 复 试 验 ， 并在 总结 每次试 验 的基础 上 ， 引入或 附加新 的 试 验 内容 。历 时 一 年 ， 上海 电 网黑 启 动试 验 共 进 行 了三个 阶段 6次 主要 试 验 和 4次 辅 助 试 验 ， 整 个 实战试 验过 程如 图 1 所 示 。 上 海 电 网 黑 启 动 系 列 试 验 图 1上 海 电 网 黑 启 动 试验 总体 结 构 不 葸 图 黑启动试验牵涉面广、 参与单位众多， 每次试 验前 ， 都进行 了详 细 的方 案研 究 ， 协 调 各单 位 的分 工 ， 反复 论证试验 方 案 的可行 性 ， 通 过 理论 计算 校 核避免了试验过程中的不稳定因素， 保护的调整 、 自动化设备的调整等促进了试验的安全顺利进行。 对试验中出现的异常现象我们进行了专项研 究 ， 通 过理 论仿 真研究 提 出解决 预案 ， 做 到不放 过 任何影响黑启动过程 的不安全 因素 ； 闸电燃机的 启动电源可 以说是上海黑启动 的最原始“ 火种” ， 对其 的技术 要求 和经 济性评 估也 作为 专题进 行研 究， 做到重点课题重点对待 。黑启动系列试验过 程 中共进 行 了以下 4个专 题 研究项 目 1 空载情况下机组并车跳机现象的研究 ； 2 黑启动 中大 功率 电动 机启 动 时 系统 特性 的研究 ； 3 闸电燃 机调 速系统 建模 ； 4 燃机 启 动 电源配置 方案 的研究 。 上海 电网黑启 动 试 验分 三 阶段 进行 ， 在 每 阶 段试 验取 得成 功 的基础上 ， 逐 步扩大 试验 范 围 ， 试 验范 围如 图 2 所 示 。 2 试验简介 2 ． 1第 一 阶段 黑启 动试验 上海是一个纯火电的发 电系统 ， 经前期多方 论 证 ， 最 具 备 黑 启 动 条 件 的 当属 闸 电燃 机 电 厂 。 本阶段试验重点 掌握闸电燃机电厂单 台机组的 图 2上 海 电网 黑 启 动 各 试 验 阶段 范 围不 意 图 启动特性 ， 孤岛工况下的调节特性 ， 单台燃机孤岛 运 行启 动另外 一 台燃机 的能力 。 1 第一 阶段 试 验 内容 1 测 量燃 机 最 大 辅 机 负 载 9 1 8 ． 8 k W 启 动电动机在开启过程 中的功率特性 ， 掌握供一台 机组 运行 的所 有辅 机 总 功 率 特性 ， 为 最终 配 备 初 始电源柴油机的容量及特性提供依据 。 2 试验燃机带负载或满出力 ， 从电网中脱离 而 自带厂用 电呈孤岛运行状态这一过渡过程的机 组 稳定 性 。试验 目的在 于 ， 作 为 电 网 出现 危机 征 兆 时 的紧急 备用 措 施 ， 先 行 快 速与 电 网解 列转 为 孤 岛运行 ， 保住重要的厂用电系统 。 3 试验燃机带 自身辅机负载， 最低 出力稳定 运行的机组特性。 4 试验 1 号燃机带本机厂用 电孤岛运行、 启 动 4号燃 机 的能力 。 2 第一 阶段 试 验主要 结论 1 闸电单台燃机具备 自保 厂用 电孤岛运行 的能力 ， 能够从满 出力或轻负载的状态稳定地过 渡到 带 自身厂用 电 而孤 岛运行 的状 态 。 2 闸 电燃机 只要 一 台机组 启 动完 成 ， 即可启 动其余燃机。 3 闸电燃机 几乎没有最低稳定运行 出力要 求 ， 可 几乎 空载 运行 。 4 启动电动机是 闸电燃机启动时最主要负 载， 闸电燃机的启动功率需求和燃机 的启动方式 相关。如果燃机预先用盘车 电动机带动至一定转 速 、 再用 启动 电动 机启 动 ， 则 启动 电动机 最大 功率 需 求约 为 4 7 0 0 k VA； 而在 燃 机 转子 完 全静 止 的 情 况 下 ， 启 动 电 动 机 最 大 功 率 需 求 约 为 7 4 0 0 kVA 。 2 ． 2第二 阶段黑 启动 试验 由于第一 阶段 试验 的成 功 ， 试 验系 统 具 备 了 继续 向外延伸扩展的可能， 第二 阶段黑启动试验 一 2 3 3 维普资讯 上 海 电力 2 0 0 7 年第3 期 主要 考验 了单 台燃 机起 动 1 2 5 MW 机组 、 空 充 电 缆线 路 、 主 变 ， 以及 带 负荷调 节 的能 力 。 1 第二 阶段试 验 内容 1 闸 电 1号 燃 机 零 升 闸 北1 6 号 主 变 15 O M VA。 2 闸 电 1 号燃 机全 压方式 下 空充 闸北 1 2 5 0 2 厂变 1 2 ． 5 MVA 。 3 闸电 1 号燃 机启动 闸北 1 6 号机组直至并 网， 掌握闸北 1 6 号机各辅机在 开机整个过程 中的特性 。 4 闸 电燃 机进 相能力 试验 。 5 闸 电 1号燃 机全压 空充 闸铁 2 2 1 2 线 路 。 6 闸 电 1号燃 机 全 压 空充 钢 铁 2号变 压 器 12 O M VA。 7 闸 电 1号 燃 机 带 钢 铁 站 部 分 负 荷 能 力 试 验 。 2 第二阶段 试验 主要 结论 1 闸电单台燃机具有启动相邻的闸北 电厂 机 组 的能 力 。启 动 的关键在 于 闸北机 组各辅 机 的 启 动 ， 各辅 机均 为异 步 电动机 ， 启 动时将 引起 系统 电压 的较 大降 落 。 2 闸电单台燃机具有空充闸北出 口 2 2 1 2线 的能力 。 3 通过零起升压的方式 ， 闸电单台燃机能够 顺 利启动 容量 为 1 5 O MVA 的变压 器 。全 压方 式 下 ， 闸 电单 台燃 机 也 基 本 能 够 启 动 容 量 为 1 2 O MVA 的 变压 器 ， 但 空 充过 程 中发 现 燃 机机 组 有 异常现象发生 励磁系统可控硅过热告警 、 负序电 流保护装置告警和后备电流保护装置动作 。 4 闸电单台燃机对于负荷 的投入或切除具 有 极强 的调节 能 力 ， 试 验 中最 大 的 一次 负 荷 投 入 量为燃 机额定 容量 的 1 5 ， 大大超 过 5 的标准 。 5 闸电燃机 具有 一定 的进相 运行 能力 。 2 ． 3第三 阶段试 验 ．第 三阶段试验 可 以说 是 对前 两个 黑启 动试 验 的总结 ， 是 至今所完成 的规模 最大 、 试 验任务 最重 、 参与单位最 多 的一 次 黑启动 试 验 。本 试验 主要 是 实战验证 闸电燃机 黑启 动 电源启 动 向南方 向路 径 闸北一 森林一 杨树 浦 的能 力 ， 具 体 目标 为 考 验 闸电燃机空 冲更长距 离电缆线路 、 更大 容量 主变 的 能 力 ； 试 验两机 或两 电厂 弱系 统带 负荷 调 节 能力 ； 实现闸电燃机启动 杨树浦 1 2 5 MW 煤机 。 1 第三 阶段 试验 内容 1 闸电 1 号 燃机空 充 闸森 2 2 6 9 上 森 2 2 6 4 23 4一 线 路 。 2 单 台燃 机空载运行 ， 另 一台燃 机并 网试验 。 3 闸 电 1号 、 2号燃 机 空 充 杨 厂 7号 主变 1 8O M VA。 4 闸电 1号 、 2号 、 3号 燃机带 钢 铁站 和森林 站 部分 负荷 运行能 力试 验 。 5 闸电 1 号 、 2号 燃机 弱 系 统 带 负荷 的调 节 能 力 ， 试 验 中通过 手 动 调节 3号 机 组 的 出力 模 拟 负 荷 的变动 ； 6 闸电 1号 、 2号 、 3号燃 机带 负荷 1 0 0 Mw 左 右 启 动 杨树浦 1 2 5 Mw 容量 1机组 。 2 第 3阶段试 验主要 结论 1 闸电单 台燃机 电压若控制在 0 ． 9 5 p u左 右 ， 则 能够 顺 利 启 动 闸 北 出 口 向南 路 径 2 2 6 9 2 2 6 4线 路 。2 2 6 9 2 2 6 4线启 动 后 ， 1号燃 机 进 相 3 1 Mv a r 左右 ， 在 闸 电燃机 进相 能力 范 围之 内。 2 闸电单 台燃机空载运行 、 另外一台燃机并 车 ， 如 果机 组调速 器 自动调节 ， 将 发生机 组逆 功率 保 护 跳 机 现 象 ， 即 使 闸北 燃 机 逆 功 率 整 定 值 从 2 0 0 0 k W 、 延 时 3 s 改 为 6 0 0 0 k W , 延时 3 s ， 仍 发 生机组逆功率保护跳机现象 。此问题通过理论仿 真研 究 已经 提 出解决 方案 。 3 闸电两 台燃机 完全 具有启 动 1 8 0 MV A 主 变 的能力 。 、 4 在与 外 电网潮 流交 换接 近零 的情 况 下 ， 闸 电 3台燃 机 带 1 0 0 Mw 左 右 负 荷 的小 系 统 能 够 成功实现与外 电网 的解列， 过渡过程相 当平稳 。 闸 电 3台燃 机 带 1 0 0 Mw 负 荷 的小 系 统 能够 长 时 间 试验 当天 6 h左 右 稳 定运行 。 5 闸 电两 台燃 机 带 部 分 地 区 负 荷 弱 系统 具 有 较强 的抗 负荷扰动 能力 。负 荷匀 速增 加和 突然 变 化时 ， 1 号 、 2号 燃机 调 速 系统 均 能 满足 系 统 频 率调节的需要， 调节过程 中系统稳定运行。采用 线性 拟合 的方 法 ， 闸电 1号 、 2号燃 机 机组 的调 差 系数 均 为 4 左 右 。 6 闸电 3台燃机带部分地区负荷 ， 能够顺利 启 动杨树 浦 1号机 组 各 辅 机 ， 从 而为 启 动 杨 厂 1 号 机组 奠定 了 良好 的基础 。 3 结 语 通过 3 个 阶段 的试 验充分 验证 了闸 电燃 机 作 为 黑启动 电源 的 可行 性 、 闸 电燃 机 恢复 线 路 和 主 变 的可行 性 、 闸 电燃 机恢 复部 分 负荷 的可 行性 和 维普资讯 2 0 0 7 年第3 期 上 海 电力 闸电燃机恢复上海其余机组 的可行性。并且 ， 在 国内电 网黑 启 动试 验 中， 首 次 采用 了燃 气 轮 机作 为黑启 动 电源 ， 完 成 了全压 空充 大容量 主变 、 黑启 动机组带重负荷稳定运行等在实际系统恢复中必 须面对和解决 的重要试验项 目。 根据上海电网灾防治体系建设 的总体要求 ， 下 阶段 上海 电 网将 继续 开展 深入 的试验 研究 。与 闸 电燃 机黑启 动试 验相 关 的主要 工作[ 1 有 1 根 据 闸 电燃 机 启 动 电源 配 置 方 案 ， 在 完 成柴油发电机安装后， 及时进行黑启动第四阶段 试验柴油机启动闸电燃机试验 ， 以完满结束 上 海 电网黑启 动试 验整 个预定 方案 。 2 2 0 0 5年 上 海 电网 3 0 0 MW 及 以上 机 组 占到总装机容量的 7 O ％以上 ， 今后 随着大容量机 组 较多 的投入 这种 比例 将越来 越高 。已完成 的黑 启 动试验 中 ， 闸 电燃 机启 动 的机 组 最 大容 量 只有 1 2 5 Mw， 今后将视电网运行情况决定是否进行 3 0 0 MW 机 组 的启 动试 验 。 3 利用 黑 启 动 系列 试 验 取 得 的 成 果 ， 制 定 合理的上海电网黑启动恢复卡， 进行 相关运行人 员的培训工作。并且 ， 根据网架的变化， 定期滚动 修改 上海 电 网的黑启 动方 案 。 参考文献 E 1 ] 印永华 ， 郭剑波， 赵建军 ， 等． 美加“ 81 4 ” 大停 电事故初步分 析 以及应吸取的教 l t F J ] ． 电网技术 ， 2 0 0 3 ， 2 7 1 0 8 - 1 1 ， 1 6 ． E 2 3 周孝信 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r Gr i d RU _AN Qi a n t u 。 WANG 肌 ， HUANG Y u ， TI AN Yi n g j i e 。 ， ZHURu i j i n 。 ， FUJ u r o n g。 1 ． S h a n g h a i M u n i c i p a l El e c t r i c P o we r Co mp a n y ， S h a n g h a i 2 0 0 1 2 2， Ch i n a ； 2 ． S h a n g h a i El e c t r i c Po we r Te s t Re s e a r c h I n s t i t u t e ， S h a n g h a i 2 0 0 4 3 7 ， Ch i n a ； 3 ． S h a n g h a i Z h a d i a n Ga s Tu r b i n e P o we r P l a n t 。 S h a n g h a i 2 0 0 4 3 8 ， C h i n a Ab s t r a c t I n a c c o r d a n c e wi t h t h e p r i n c i p l e o f p r o g r e s s s t e p b y s t e p 。a s e r i e s o f b l a c k s t a r t ma n e u v e r s we r e c o n d u c t e d i n S h a n g h a i p o we r g r i d d u r i n g t h e p e r i o d o f o n e y e a r ．Th e f e a s i b i l i t y o f t h e b l a c k s t a r t s c h e me f o r S h a n g h a i p o we r g r i d wa s v e r i fl e d b y t h e s e t e s t s a d e q u a t e l y 。a n d t h e e f f e c t i v e n e s s o f b o t h o r g a n i z a t i o n a l wo r k a n d t e c h n i c a l me a s u r e s a d o p t e d d u r i n g t he bl a c ks t ar t p r oc e s s wa s e x ami ne d ． He r e。t he o ve r a l l pr o c e s s a nd ma i n c o nc l us i o ns o f t he s e r i a l bl a c ks t a r t t e s t s i n S h a n g h a i p o we r g r i d a r e p r e s e n t e d。a n d t h e d i s t i n c t i v e f e a t u r e s o f t h e b l a c k s t a r t t e s t s i n S h a n g h a i p o we r g r i d ，s u c h a s u s i n g g a s t u r b i n e g e n e r a t o r s a s t h e p o we r s o u r c e o f b l a c k s t a r t 。s t a r t i n g h i g h - c a p a c i t y t r a n s f o r me r wi t h f u l l v o l t a g e a n d l o n g - t e rm s t a bl e oD e r a t i o n o f a s ma l l s y s t e m wi t h h e a v y l o a d s up p l i e d b y g a s t u r bine g e ne r a t o r s。a r e e mp h a t i c a l l y de s c r i b e d ． Ke y wo r dsPo we r s ys t e m ； S ha ng ha i p owe r gr i d； Bl a c k s t a r t t e s t ； Ga s t ur b i ne ge ne r at or 235 维普资讯