燃機(jī)電站黑啟動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)探討

于 青，聶 巖，安 琳

（1.山東電力工程咨詢?cè)河邢薰荆綎| 濟(jì)南 250013；2.國核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100095）

0 引言

黑啟動(dòng)，是指某個(gè)獨(dú)立的電網(wǎng)系統(tǒng)因故障全部停電后，不依靠外部網(wǎng)絡(luò)幫助，通過系統(tǒng)中具有自啟動(dòng)能力的發(fā)電機(jī)組的啟動(dòng)，帶動(dòng)無自啟動(dòng)能力的發(fā)電機(jī)組，逐漸擴(kuò)大系統(tǒng)恢復(fù)范圍，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的恢復(fù)和供電的過程［1］。對(duì)于電站黑啟動(dòng)而言，既可以指其利用外來電源進(jìn)行自身啟動(dòng)的情況，也可以指利用自身系統(tǒng)內(nèi)的可自啟動(dòng)的電源進(jìn)行的主發(fā)電機(jī)組的啟動(dòng)。

輕柴油高速發(fā)電機(jī)組一次投資成本較少，啟動(dòng)時(shí)間短，運(yùn)行穩(wěn)定，不需要外部電源啟動(dòng)，是目前黑啟動(dòng)電源使用較多的設(shè)備［2］。電廠黑啟動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠，黑啟動(dòng)機(jī)組短時(shí)抗沖擊能力強(qiáng)、能適應(yīng)短時(shí)間高負(fù)載運(yùn)行。

黑啟動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要包括黑啟動(dòng)系統(tǒng)的電氣接線方案、柴油發(fā)電機(jī)組容量選擇、黑啟動(dòng)系統(tǒng)的控制方式。

1 黑啟動(dòng)系統(tǒng)接線方式

黑啟動(dòng)系統(tǒng)可為廠內(nèi)一臺(tái)或多臺(tái)機(jī)組提供啟動(dòng)電源，故需要與主機(jī)組的中壓母線段相連，柴油發(fā)電機(jī)的出口電壓應(yīng)與電廠中壓系統(tǒng)電壓相同，多臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組并接后與高壓廠用工作母線或備用母線連接，其接線方式如圖1所示。

圖1 黑啟動(dòng)系統(tǒng)典型接線

2 柴油發(fā)電機(jī)組容量選擇

柴油發(fā)電機(jī)組的容量應(yīng)能滿足一臺(tái)主機(jī)組啟動(dòng)要求。由于目前國內(nèi)沒有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)黑啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)容量選擇做出明確規(guī)定，工程設(shè)計(jì)中柴油發(fā)電機(jī)容量選擇計(jì)算主要參考文獻(xiàn)［3］附錄“柴油發(fā)電機(jī)組的選擇”。柴油發(fā)電機(jī)組容量的選擇時(shí)同時(shí)滿足以下三個(gè)條件：1）滿足機(jī)組啟動(dòng)時(shí)持續(xù)的負(fù)荷要求；2）滿足電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)發(fā)電機(jī)瞬時(shí)壓降；3）滿足柴油發(fā)電機(jī)沖擊峰值功率。

但是，規(guī)程中的容量計(jì)算是基于一般化的柴油發(fā)電機(jī)組的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行的，計(jì)算公式中建議的機(jī)組參數(shù)，一般都有很大余量。而各個(gè)廠商生產(chǎn)的柴油發(fā)電機(jī)，各項(xiàng)性能指標(biāo)差異較大，故在設(shè)備招標(biāo)階段有可能對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組的容量進(jìn)行優(yōu)化。

黑啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)容量應(yīng)能滿足主機(jī)組啟動(dòng)的要求，就需要多臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行。多臺(tái)并機(jī)運(yùn)行要求機(jī)組間具備高度的一致性和協(xié)調(diào)性。否則，當(dāng)負(fù)載急劇變化時(shí)，極易導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)崩潰。所以，在確保成功啟動(dòng)主機(jī)組的前提下，要求盡量減少并聯(lián)機(jī)組臺(tái)數(shù)、簡(jiǎn)化系統(tǒng)，以提高黑啟動(dòng)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。并且，黑啟動(dòng)系統(tǒng)并非長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行，僅要求其容量能滿足主機(jī)組啟動(dòng)過程即可，因此沒有必要考慮較大的計(jì)算裕量。按照文獻(xiàn)［3］中的常規(guī)計(jì)算方法，所需容量較大，因此可以在保證燃機(jī)啟動(dòng)要求的前提下，進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，降低總?cè)萘浚瑥亩?jié)省工程投資。

3 黑啟動(dòng)系統(tǒng)的控制

黑啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組自配一套控制系統(tǒng)，設(shè)備供貨商成套提供控制柜，可實(shí)現(xiàn)就地手動(dòng)及遠(yuǎn)方啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組，并自動(dòng)建立電壓、頻率，直至達(dá)到額定值具備帶載條件，然后機(jī)組的高壓廠用電系統(tǒng)由柴油發(fā)電機(jī)組供電，但主機(jī)組的啟動(dòng)仍然在機(jī)組控制系統(tǒng)中完成。故需要機(jī)組控制系統(tǒng)和黑啟動(dòng)控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合，實(shí)現(xiàn)電廠內(nèi)某臺(tái)機(jī)組的啟動(dòng)。

4 工程實(shí)例

4.1 工程概況

工程新建4臺(tái)單循環(huán)燃機(jī)，采用西門子公司的SGT6－5000F型燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組，中壓系統(tǒng)電壓為4.16 kV，低壓系統(tǒng)電壓為460 V。每臺(tái)機(jī)組設(shè)置1臺(tái)高壓廠用工作變壓器、一段4 kV廠用母線，4臺(tái)機(jī)組設(shè)置1臺(tái)高壓備用變壓器。

4.2 黑啟動(dòng)系統(tǒng)接線

黑啟動(dòng)系統(tǒng)由5臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組成，分別與4臺(tái)機(jī)組的中壓母線相連，可為任一臺(tái)機(jī)組提供啟動(dòng)電源，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的啟動(dòng)，系統(tǒng)接線如圖2所示。

4.3 機(jī)組啟動(dòng)負(fù)荷

機(jī)組啟動(dòng)負(fù)荷統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 系統(tǒng)啟動(dòng)負(fù)載統(tǒng)計(jì)表

圖2 黑啟動(dòng)系統(tǒng)接線

圖3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)柴油機(jī)組啟動(dòng)曲線

由表1可看出，項(xiàng)目黑啟動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載總?cè)萘恐挥?197 kW，但最大負(fù)荷，即燃機(jī)啟動(dòng)電機(jī)，其額定功率為2205 kW，該啟動(dòng)電機(jī)突出特點(diǎn)是其為鋸齒形負(fù)載。

4.4 柴油機(jī)組容量選擇

設(shè)計(jì)階段按照文獻(xiàn)［3］附錄“柴油發(fā)電機(jī)組的選擇”中的計(jì)算方法，計(jì)算得柴油發(fā)電機(jī)組總?cè)萘繎?yīng)大于15110 kW，故需要配置7臺(tái)容量為2200 kW的柴油發(fā)電機(jī)組。

在設(shè)備招標(biāo)階段，針對(duì)本工程的負(fù)荷特點(diǎn)，制造廠對(duì)柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)性能進(jìn)行優(yōu)化，從而提高了柴油發(fā)電機(jī)組的啟動(dòng)性能、抗電壓降能力、短時(shí)過負(fù)荷能力等，以達(dá)到容量?jī)?yōu)化的目的，最終確定優(yōu)化配置方案。

單機(jī)功率：1800 kW

機(jī)組數(shù)量：5臺(tái)

單機(jī)一次加載功率：1350 kW

圖3為機(jī)組調(diào)試階段測(cè)得的燃機(jī)啟動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)過程中系統(tǒng)電壓、頻率曲線，由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可見，本工程配置5臺(tái)1800 kW柴油發(fā)電機(jī)組的優(yōu)化方案完全滿足機(jī)組啟動(dòng)要求，并達(dá)到簡(jiǎn)化系統(tǒng)、提高系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性的目的。

4.5 柴油發(fā)電機(jī)組的控制

西門子的燃機(jī)控制系統(tǒng)有兩種不同的運(yùn)行模式：正常運(yùn)行模式、黑啟動(dòng)運(yùn)行模式。在燃機(jī)啟動(dòng)前需要首先確定燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行模式。

只有當(dāng)所有燃?xì)廨啓C(jī)均處在停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，其中的一臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)才能選擇黑啟動(dòng)模式，其它燃?xì)廨啓C(jī)必須采用正常啟動(dòng)模式。

在黑啟動(dòng)之前首先要確認(rèn)電網(wǎng)是沒有電的，否則燃?xì)廨啓C(jī)就不可以選擇黑啟動(dòng)運(yùn)行模式，啟動(dòng)之前需確定主變高壓側(cè)開關(guān)打開、高廠變低壓側(cè)進(jìn)線開關(guān)打開，這時(shí)廠用電由黑啟動(dòng)系統(tǒng)供電。

5 結(jié)語

黑啟動(dòng)系統(tǒng)解決方案的制定，應(yīng)充分立足于燃機(jī)主機(jī)的系統(tǒng)工藝，對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組所帶負(fù)載的啟動(dòng)順序和負(fù)載特性進(jìn)行詳細(xì)分析，在保證系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性的前提下，對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組容量選擇進(jìn)行優(yōu)化，盡量減少柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)臺(tái)數(shù)，既可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)接線，又能降低工程造價(jià)。

［1］張繼泉.電廠黑啟動(dòng)電源的設(shè)計(jì)［J］.電工技術(shù)，2010（4）：16－18.

［2］袁振邦，李小龍.150 MW燃煤發(fā)電廠黑啟動(dòng)柴油機(jī)組選型研究［J］.廣東電力設(shè)計(jì)，（51）：88－93.

［3］DL／T 5153－2002 火力發(fā)電廠廠用電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定［S］.北京:中國電力出版社，2002.