[德 ]R.布赫爾

田 超 譯自英刊《水電與大壩》2009年第 3期

1 工程概況

麥羅維水利樞紐是蘇丹北部大型的基礎(chǔ)設(shè)施工程,位于尼羅河第4瀑布,距首都喀土穆以北約 350km。壩長9.7km,壩高 67m,包括2座土壩、2座混凝土面板堆石壩(CFRD)、1座粘土心墻堆石壩(ECRD)、1座設(shè)計(jì)泄流量為19900m3/s的溢洪道和1個(gè)大體積鋼筋混凝土發(fā)電進(jìn)水口及廠房建筑物。水庫最終庫容為125億 m3,將為2條長約 400km的大型灌渠供水。

由于蘇丹極度缺電,嚴(yán)重制約了經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展,因此該工程為“國家綜合戰(zhàn)略”中的重點(diǎn)工程。到2010年工程竣工時(shí),預(yù)期年平均發(fā)電量為5800GW?h,將滿足蘇丹一半的能源需求。工程規(guī)模龐大,是非洲最大的在建水電和輸電工程。

發(fā)電廠房位于發(fā)電進(jìn)水口建筑物的下游壩趾處,安裝有10條分隔開的直徑為8.5m的鋼襯壓力鋼管。單機(jī)容量為127MW的混流式水輪機(jī)直接與140MVA的同步發(fā)電機(jī)相連接,在水頭為 43m時(shí),水輪機(jī)的設(shè)計(jì)流量為 307m3/s。每2臺(tái)發(fā)電機(jī)通過發(fā)電機(jī)斷路器連接到單相升壓變壓器,再經(jīng)高壓電纜向500kVGIS供電。輸電系統(tǒng)由長 981km的500kV線路和長795km的220kV線路組成。此外,該系統(tǒng)還包括 3座500/220kV變電站、1座220/110kV變電站和 3座220/33kV變電站(見圖1)。

圖1 工程位置和高壓輸電線示意

2 電網(wǎng)集成過程的規(guī)劃與管理

關(guān)鍵任務(wù)是保證將麥羅維工程系統(tǒng)而有效地與新建的500/220kV輸電和配電系統(tǒng)連網(wǎng)。為了完善時(shí)間規(guī)劃和優(yōu)化所要求的技術(shù)和組織界面,共召開了 8次高級(jí)“投運(yùn)協(xié)調(diào)會(huì)”。在首輪工作之前的半年,召開了第1次會(huì)議。會(huì)議的目的及重點(diǎn)關(guān)注問題概述如下。

(1)對(duì)即將開展的工作的復(fù)雜性達(dá)成共識(shí);

(2)制定有效的電網(wǎng)集成策略(平衡電站與電網(wǎng)的要求);

(3)鑒別與評(píng)估潛在的風(fēng)險(xiǎn)(時(shí)間、技術(shù));

(4)精心編制切合實(shí)際的包括所有部門的主時(shí)間表;

(5)明晰工作范圍和合同界面;

(6)明確電力公司、業(yè)主、工程師、承包商的責(zé)任;

(7)建立決策者之間可行的通信渠道;

(8)在需要查找與排除故障的情況下,組建一個(gè)快速響應(yīng)的“執(zhí)行小組”。

參加會(huì)議的人員包括:業(yè)主大壩執(zhí)行機(jī)構(gòu)(DIU)、業(yè)主方工程師德國 Lahmeyer國際公司(LI)、國家電力公司(NEC)、機(jī)電主承包商阿爾斯通公司和負(fù)責(zé)輸電網(wǎng)的哈爾濱電站工程公司(HPE),以及分包商 ABB公司。

會(huì)議的主要收獲是實(shí)現(xiàn)了電站有關(guān)設(shè)備投運(yùn)和輸電系統(tǒng)同時(shí)通電之間的密切協(xié)調(diào),提高了投運(yùn)與試驗(yàn)工作的有效性,減少甚至避免了潛在的風(fēng)險(xiǎn)。

電網(wǎng)集成過程由業(yè)主方工程師全面負(fù)責(zé)管理,即使是在遙遠(yuǎn)的工地,也需利用互聯(lián)網(wǎng)每天向有關(guān)專家和管理人員提供詳盡的信息。

由于帶負(fù)荷的試驗(yàn)工作會(huì)對(duì)國家電網(wǎng)的穩(wěn)定性造成潛在的風(fēng)險(xiǎn),因此與位于喀土穆的國家負(fù)荷調(diào)度中心的詳細(xì)技術(shù)交底是至關(guān)重要的。140MVA的大型機(jī)組安全并入國家電網(wǎng)應(yīng)該是最重要的問題,應(yīng)適當(dāng)考慮500/220kV輸電線和變電站通電的先后順序。其他一些主要問題則與遠(yuǎn)程保護(hù)和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)有關(guān)。

電網(wǎng)集成過程切換/通電工作的時(shí)間順序如下:

(1)電站1號(hào)機(jī)組和2號(hào)機(jī)組通過區(qū)段1主變進(jìn)行內(nèi)部同期;

(2)500kV輸電線馬爾希亞特/阿特巴拉和變電站通用線路充電,麥羅維線路斷路器在150kV時(shí)合閘,逐漸升壓到500kV;

(3)馬爾希亞特至埃爾卡巴什500kV輸電線的直接通電;

(4)與馬爾希亞特變電站220kV段國家電網(wǎng)同期;

(5)與阿特巴拉和埃爾卡巴什的 NEC電網(wǎng)同期 /連接;

(6)蘇丹港220kV輸電線和變電站的通電;

(7)北部地區(qū)220kV電網(wǎng)系統(tǒng)的通電。

3 復(fù)雜的投運(yùn)框架

由于輸電線路的電容很大,而且在主變電站中,500/200kV母線間變壓器的通電不可能從220kV電網(wǎng)側(cè)進(jìn)行,因此,所有500kV系統(tǒng)的最初通電都必須由麥羅維區(qū)段1的機(jī)組來實(shí)現(xiàn)。電站與骨干電網(wǎng)同時(shí)投運(yùn)意味著必須滿足一系列的特殊要求:

(1)進(jìn)行轉(zhuǎn)速和無功功率的聯(lián)合控制(內(nèi)部同期);

(2)輸電線路充電(電壓逐漸從150kV升至500kV);

(3)首先與距電站 350km的國家電網(wǎng)同期;

(4)考慮“區(qū)段1額定容量”(140～255MW)與“最大電網(wǎng)負(fù)荷”(約1000MW)之比很大;

(5)電網(wǎng)管理(負(fù)荷曲線、平衡情況和備用功率能力)。

考慮到每條馬爾希亞特的500kV輸電線有355MVar的電容性無功功率特性,因此需要用2臺(tái)125MVar的并聯(lián)電抗器補(bǔ)償。在麥羅維工程完工以后,總?cè)萘繉⑦_(dá)到1270MW,機(jī)組有可能以同步調(diào)相機(jī)的方式運(yùn)行,線路補(bǔ)償變得不太重要。然而,在電站最初投運(yùn)時(shí),代表了實(shí)際的黑起動(dòng)狀態(tài),這時(shí)的無功補(bǔ)償變成了主要的限制。因?yàn)閰^(qū)段1的單臺(tái)發(fā)電機(jī)不能提供全部所要求的感應(yīng)無功功率(見圖2),所以需要對(duì)2臺(tái)機(jī)組進(jìn)行無功功率的聯(lián)合控制。機(jī)組順序控制軟件和水輪機(jī)調(diào)速器算法的各自適應(yīng)是面臨的一個(gè)重要挑戰(zhàn)。

圖2 具有線路補(bǔ)償?shù)陌l(fā)電機(jī) P/Q示意

對(duì)于線路充電順序,首先2臺(tái)機(jī)組同時(shí)起動(dòng)至“空載勵(lì)磁”。在此階段,這2臺(tái)機(jī)組為內(nèi)部同期,通過 IPB和區(qū)段1主變硬性連接。為了減少輸電線路斷路器合閘的影響,通過將定子電壓從13.8kV降低到4.2kV,從而將 GIS母線電壓下降到 30%。在GIS線路斷路器合閘使長 350km的輸電線電壓降至150kV以后,電壓逐漸以斜坡函數(shù)上升到500kV。在各個(gè)500/200kV變電站達(dá)到額定電壓以后,通過細(xì)調(diào)勵(lì)磁電壓和機(jī)組轉(zhuǎn)速/頻率,可與國家電網(wǎng)同期。在成功地連接到 NEC電網(wǎng)以后,線路充電過程(從而2臺(tái)機(jī)組的聯(lián)合運(yùn)行)即告結(jié)束,將各功率設(shè)定點(diǎn)的數(shù)值送到功率 -頻率比例積分控制器。

這個(gè)創(chuàng)新技術(shù)方案的實(shí)施,要求進(jìn)行密集的軟件開發(fā)并在工地進(jìn)行高級(jí)優(yōu)化。2倍 600t旋轉(zhuǎn)質(zhì)量(水輪機(jī)、軸和轉(zhuǎn)子)的聯(lián)合轉(zhuǎn)速控制和勵(lì)磁系統(tǒng)的各項(xiàng)功能得到了系統(tǒng)開發(fā)和試驗(yàn),以避免潛在的有功/無功功率振蕩或逆功率情況的發(fā)生。

在投運(yùn)初期,為了能在不中斷已完建的 NEC電網(wǎng)連接的情況下擴(kuò)大輸電線路的通電范圍,進(jìn)行臨時(shí)性的 GIS母線分裂運(yùn)行。在母線Ⅰ上,保持正常的電網(wǎng)供電,通過母線Ⅱ?qū)μ娲?00kV輸電線進(jìn)行充電。當(dāng)達(dá)到額定電壓時(shí),GIS分段再次同期運(yùn)行,并由 NEC在各變電站中建立附加的電網(wǎng)連接。

在負(fù)荷達(dá)到127.3MW的保證值時(shí)進(jìn)行甩負(fù)荷,是在峰荷時(shí)間最大發(fā)電容量1000MW電網(wǎng)面臨的特殊挑戰(zhàn)之一。為了保證電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行,并獲得安全運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),將第2臺(tái)機(jī)組用于緩沖,通過預(yù)先調(diào)整的阻尼程序,以2MW/s的斜率時(shí)間,從10MW升至 60MW的最終值。在甩負(fù)荷時(shí),第2臺(tái)機(jī)組在 40MW負(fù)荷處運(yùn)行,幾秒鐘之后,就能達(dá)到 60MW的預(yù)先調(diào)整值。而且,作為電網(wǎng)頻率暫時(shí)下降到49.5Hz的標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng),功率 -頻率降(設(shè)定為5%)的結(jié)果是第2臺(tái)機(jī)組的負(fù)荷增加50MW的補(bǔ)償性功率。

總之,甩滿負(fù)荷時(shí)采用廠內(nèi)緩沖措施,可以在15s內(nèi)達(dá)到100MW,對(duì)國家電網(wǎng)的影響降低到最小。為了校驗(yàn)該系統(tǒng)的特性,在沒有采取緩沖措施的情況下也進(jìn)行了一次甩負(fù)荷。

在線路充電和進(jìn)行負(fù)荷試驗(yàn)期間,得到了負(fù)荷調(diào)度中心的專家的有力支持,在沒有任何風(fēng)險(xiǎn)的情況下運(yùn)行國家電網(wǎng)。至于電網(wǎng)管理,麥羅維電站第1臺(tái)機(jī)組的引入和500kV電網(wǎng)的通電,標(biāo)志著運(yùn)行概念的重大變化。

4 自下而上的投運(yùn)方式

業(yè)主方工程師反復(fù)強(qiáng)調(diào):電網(wǎng)集成過程將涉及到許多不同部門的工程師/專家,而且由于不令人滿意的投運(yùn)或預(yù)試驗(yàn)元件、設(shè)備、子系統(tǒng)或系統(tǒng)組引起的延時(shí)或振動(dòng)需要達(dá)到絕對(duì)最小。還著重指出麥羅維工程在國家電網(wǎng)中的妥當(dāng)運(yùn)行是基本的要求,從基本系統(tǒng)到高層自動(dòng)控制和繼電保護(hù)功能,對(duì)區(qū)段1要進(jìn)行詳盡的試驗(yàn)。

在質(zhì)量保證方面,“電網(wǎng)集成適用性論證”的引進(jìn)發(fā)揮了關(guān)鍵作用。正因?yàn)槿绱?在 LI公司總工程師指導(dǎo)下開展的論證過程,自然而然地產(chǎn)生了試驗(yàn)各系統(tǒng)是否達(dá)到高度可靠性和安排專家對(duì)重要系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)的想法。對(duì)于各投運(yùn)小組及其負(fù)責(zé)人來說,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行清楚而直接的識(shí)別和糾正,大大提高了投運(yùn)和試驗(yàn)的可靠性。

上述論證非常重要,是在達(dá)到“準(zhǔn)備好電網(wǎng)集成”的狀態(tài)之前進(jìn)行評(píng)估的基礎(chǔ)。

5 結(jié) 語

由于對(duì)發(fā)電機(jī)械投運(yùn)和高壓輸電系統(tǒng)通電的特殊要求進(jìn)行了早期分析,麥羅維電站首批2臺(tái)機(jī)組成功地連接到蘇丹國家電網(wǎng)。對(duì)2個(gè)部門(即電站和電網(wǎng))的工作進(jìn)展定期地進(jìn)行評(píng)估和交叉檢查。在高級(jí)會(huì)議上,有效地進(jìn)行必要的調(diào)整,例如確定工作的優(yōu)先順序。順利推進(jìn)電網(wǎng)集成工程的主要因素是對(duì)總時(shí)間規(guī)劃進(jìn)行了良好的協(xié)調(diào),以及引進(jìn)了健全的質(zhì)量控制策略,涵蓋從機(jī)械子系統(tǒng)到高級(jí)自動(dòng)功能的整個(gè)范圍。通過建立有效的交流機(jī)制,可滿足電站和電網(wǎng)兩者的要求。