高壓柴油發電機組用于電廠黑啟動的實現

包珺 彭佩怡

（中船重工集團公司第七一二研究所， 武漢 430064）

1 引言

在一些大型冶煉企業，為滿足設備供電的需求和成本考慮，常常擁有企業自己的自備電廠，這些電廠一般使用汽輪機發電，同樣，在一些礦藏豐富而電網電力還未到達的邊遠地區，由于條件限制和成本考慮，也采用汽輪機發電的獨立電站。這些電站的特點是不和外部電網聯網，只獨立地為電站內的設備供電。當電站在建設初期或運行中因故障和檢修原因停機后再啟動時，需一套獨立的電源將汽輪發電機輔機帶起來，運行的輔機使鍋爐點火，汽輪發電機發電[1]。這種獨立電源帶輔機啟動方式也稱黑啟動，當汽輪發電機發電后，獨立電源退出，輔機由汽輪發電機電力供電運行。高壓柴油發電機作為一種穩定、可靠的獨立電源，用作電廠黑啟動設備具有明顯優勢，是非常合適的選擇。本文以國內一銅業公司自備電廠用高壓柴油發電機作為黑啟動的案例，說明高壓發電機組的系統組成，控制系統的實現方案，調試方法和結論。

2 高壓發電機組供電系統組成

圖1為高壓發電機組供電系統圖，高壓發電機組供電系統由兩臺額定功率2200 kW，額定電壓10 kV、及與之配套的發電機進線高壓開關柜，水電阻負載柜，冷卻風扇變壓器柜，電廠負載饋線柜、母線 PT柜組成，兩臺柴油機選用德國奔馳公司20 V4000G63，20 缸V 形排列電噴發動機。高壓發電機組的作用是在沒有外部電網供電的情況下，由高壓發電機將電廠輔機帶起來，使鍋爐點火，汽輪機發電。

圖1中，電廠由兩臺30 MW汽輪發電機組成，以供熱、供氣、發電綜合運行。在電廠建設初期，用外部電網臨時將輔機帶起來，當電廠建成后，汽輪發電機由柴油發電機來啟動，整個電廠形成一個完全獨立的自備電站。圖1中1#、2#汽輪機可并網工作，也可單機工作。在兩臺汽輪機均停機情況下，柴油發電機組先將其中一臺汽輪機啟動，另一臺汽輪機由已發電的汽輪機啟動。

柴油發電機組主要負載為高壓給水泵，高壓循環水泵、高壓引風機，高壓送風機，高壓負載根據工藝要求順序啟動，因1000 kW高壓給水泵啟動容量較大，在柴油發電機已帶部分負載情況下，啟動高壓給水泵會導致柴油發電機組較大的電壓跌落，因此對高壓給水泵采用變頻器的啟動方式，不采用軟起動器來啟動是因為軟起動器仍需較大起動容量，而且啟動力矩受限，存在諧波等問題，采用變頻器啟動容量小，啟動力矩大，啟動完成后，還可通過改變變頻器頻率進行節能運行[2]。

圖1 高壓發電組供電系統圖

3 控制系統組成

圖2為發電機組控制系統總體框圖。控制系統的核心為并車控制系統，由兩臺5510并車控制器，一臺5560市電并網控制器，PLC，觸摸屏、上位工控機等部件構成。PLC為整個系統運轉的核心，PLC接收電廠集控臺啟動信號，自動啟動機組，自動分合高壓開關柜，同時也可通過觸摸屏接收用戶的操作信息手動完成機組的啟、停，進線柜和輸出柜的合、分閘操作。用戶還可通過上位工控機遠程實現發電機組自動啟動，自動并機，自動帶載等功能。

圖2 并車控制系統總體框圖

并車控制器 5510是英國深海公司（DEEPSEA）生產的一款專用于柴油發電機組之間并車控制用的模塊，能夠判斷母線與機組出口的電壓差，頻率差，相位差，并調節機組的頻率和電壓，在滿足并車條件時，發出脈沖合閘信號。在機組并車后，5510能夠按不同機組之間的功率分配狀況調節機組的頻率和電壓來調節各臺機組的有功和無功，使機組之間負載均衡，5510對發電機組具有豐富的保護和報警功能，包括過電壓，過流，過載，過頻，低頻，逆功等。電網并車控制器5560也為英國深海公司產品，其作用是控制兩臺 5510控制器，實現兩臺發電機與汽輪機并網，控制發電機組向汽輪機電網輸出固定功率，轉移發電機負載至電網等功能[3]。

PLC采用歐姆龍CP1H系列可編程控制器，其本身帶有 I/O、AD、DA輸入輸出功能外，還集成了modbus通訊協議的485端口和RS232協議的 9針端口，具有很強的擴展能力，PLC和5510、5560之間的通訊采用 RS485（MODIBUS RTU）協議。Modbus 協議是應用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協議，控制器相互之間、控制器經由網絡（例如以太網）和其它設備之間可以通信。控制器能設置為兩種傳輸模式（ASCII或RTU）中的任何一種在標準的Modbus網絡通信[4]。用戶選擇想要的模式，包括串口通信參數（波特率、校驗方式等），在配置每個控制器的時候，在一個 Modbus網絡上的所有設備都必須選擇相同的傳輸模式和串口參數。PLC通過與5510、5560、上位工控機的通信，實現整個發電機供電系統的狀態監測和保護控制。

4 發電機并車帶載過程

PLC在接受電廠集控臺的啟動指令后，發啟動指令給 5560控制器，由 5560控制兩臺 5510并車控制器同時啟動兩臺發電機，兩臺發電機中先達到穩定狀態的發電機 5510控制器首先判斷發電機母排電壓是否為零，若母排電壓為零，則直接合與之對應的發電機出口開關，此時發電機母排帶電。另一臺發電機穩定運行后，則與已合閘的發電機進行同期控制，同期的條件是：1）發電機組出線側頻率高于母線頻率并在 0.3 Hz以內。2）發電機組出線側電壓與發電機組額定電壓10000 V壓差在5%以內。3）發電機組出線側電壓相位和母線電壓相位差在5°內。當電壓、頻率、相位滿足同步要求后，合與之對應的發電機出口開關，兩臺發電機空載并車，當兩臺發電機并車成功后，柴油發電機組并車控制器控制負載開關柜合閘，柴油發電機組開始帶負載運行并進行負載均衡控制[5]。5510控制器實時檢測兩臺機組所帶功率，并調節兩臺機組的調速器，使兩臺機組所帶功率大致相等，5510控制器還控制調壓器輸出，使兩臺機組輸出無功功率相等。但為了避免過頻繁操作，使機組發生功率振蕩，5510設置了死區調節，即兩臺機組的功率差在死區范圍內5510不會調節機組的轉速。

4 發電機組解列過程

當汽輪機開始發電后，電網并車控制器5560判斷市電電網有電，控制已帶載的兩臺發電機組5510控制器調整兩臺發電機組電壓、頻率和相位，當發電機母排與汽輪機電網達到同期要求后，控制汽輪機電網開關合閘，并網成功后，5560控制柴油發電機組按固定功率模式為負載供電，此時剩余部分負載由汽輪機饋電，若需將全部負載轉移至汽輪機，則由PLC發指令給5560控制器，5560控制器將控制5510轉移全部負載至汽輪機，分發電機組電廠負載饋線柜，停兩臺發電機。

5 高壓發電機組控制系統的調試

高壓發電機首先進行單機調試，在開機之前，需對發電機5510，5560控制器參數進行設置，同時對高壓開關柜耐壓進行測試，對其保護參數進行模擬調整，對發電機差動保護值進行模擬調試，在以上設置完成后，空載起動發電機，觀察發電機各機械、電氣參數的正確性。在發電機空載測試正常后，對發動機調速器、發電機調壓器的下垂特性進行單機帶載設置和校正。在1#5510控制器上空載手動啟動 1#機組，合其出口開關，在2#5510控制器上空載手動啟動2#機組，合其出口開關，此時觀測兩臺發電機并機是否正常，是否存在較大環流。在以上正確的基礎上，做兩臺發電機并機帶水電阻進行帶載測試，觀測兩臺發電機并機帶載時負載分配的均衡性。在兩臺發電機并機帶載正常后，模擬發電機和市電反并網控制系統功能，將一臺發電機啟動模擬電網，另一臺發電機帶水電阻負載，觀測兩臺發電機之間負載轉移和固定功率輸出的正確性。將兩臺發電機由并車控制器啟動，由5560控制器控制兩臺發電機和汽輪機電網進行正并網，觀測發電機是否按設定的功率和功率因素輸出。在以上調試完成后。進行實際黑啟動試驗，由電廠集控臺發啟動指令，并車控制器自動啟動機組，自動分合高壓開關柜，自動帶負載，實際運行中，整個黑啟動歷時9小時，汽輪機發電機從靜止到發電，一次啟動成功。高壓柴油發電機組在多臺高壓電機啟動時，能保證頻率、電壓跌落在標準范圍內，兩臺發電機有功、無功分配均衡，整個控制系統畫面清晰，控制穩定可靠，完全達到實現電廠黑啟動的要求。

6 結束語

由于環境限制和成本考慮，單個獨立供電的發電廠在逐漸增加，用高壓柴油發電機組作為電廠黑啟動的需求也隨之增加。文中對黑啟動整體結構、控制系統、調試方法及試驗結果的描述，希望對其他類似電廠的黑啟動有一定參考作用。

[1] 許珉主編. 發電廠電氣主系統. 北京:機械工業出版社, 2006.1.

[2] 佟純厚主編. 近代交流調速. 北京:冶金工業出版社2004.9

[3] 英國深海公司. DSE Model 5110 Control and Instrumentation System Operators Manual.

[4] 歐姆龍公司. SYSMAC CP 系列操作手冊.

[5] 賴廣顯主編. 新型柴油發電機組. 北京:人民郵電出版社. 1999.