黑啟動柴油發電機在電站項目的選型及容量計算

（山東電力建設第三工程有限公司，山東青島 266100）

0.引言

黑啟動柴油發電機為區域電站提供黑啟動電源。黑啟動作為投標電站的一項重大投資，需要在投標階段給出明確的型式和容量，以明確EPC投資。

1.黑啟動選型計算的意義

燃氣輪機電站因為其啟動時輔機系統容量小，通常在一個區域電網中承擔著黑啟動的功能，即當整個區域電網停電時，燃機電站配備的黑啟動機組帶動燃機發電機進行黑啟動，進而帶動整個電網啟動。由于依靠蓄電池/壓縮空氣啟動的柴油發電機組具有自動啟動能力，且輕柴油高速發電機組起動時間短、帶載速度快、系統簡單，一次投資相對較少，故大多數的電廠都會優先選擇高速柴油發電機組作為黑啟動電源，本文主要討論柴油發電機作為黑啟動電源的計算及選型。

2.柴油發電機工況定義[1]

目前國內國際的柴油機生產廠家所提供的柴油機功率及運行工況定義皆是根據ISO-8528-1-2005標準，此標準中對柴油機不同工況下的額定功率和運行時限進行了區別定義。ISO-8528中對柴油機的工況定義一共有四種，這四種功率主要針對柴油發電機制造商而言，使制造商可以根據不同場景提供不同的柴油機機型。發電機的額定功率必須包含在制造商的聲明中，用于說明發電機組將在商定的安裝和運行條件下能夠提供的功率。柴油機的額定功率以kW定義，同時定義了其功率因數(cosφ)，通常為0.8滯后。

這四種功率工況在ISO中定義分別為：

2.1 Continuous Power (COP)

連續功率：以某一恒定負荷連續運行不受限的最大功率值。

2.2 Prime Power (PRP)

主用功率：以可變負荷連續運行不受限的最大功率值。

2.3 Limited-Time running Power (LTP)

限時運行功率：發電機組按照100%負荷運行最長時間（100% 功率，500h，每年。）的最大功率值。

2.4 Emergency Standby Power (ESP)

緊急備用功率：在市電中斷，發電機按可變負荷運行每年運行時間不超過200h的最大功率。

3.黑啟動柴油機工況選擇

如果用戶不對柴油機的使用工況進行定義，制造商不了解使用條件，為了提高中標率，可能會用同樣功率只能運行在ESP或者LTP工況的發電機來投標需要運行在PRP工況下的項目。機組無法長時間運行，用戶到時候發現機組無法滿足其使用要求的時候，損失已無法挽回。還有一種情況就是在后期執行時，開發商要求按照最高等級使用工況即COP來選同樣容量的發電機，增加了發電機的造價。因此需要在投標階段明確黑啟動機組所需要運行的工況，黑啟動一次啟動運行時間不長，但是由于國外電網普遍比較脆弱，使用頻次會比較高，因此很多業主都要求：柴油機組應該連續運行并且每12h可以超載10%運行1h，不存在過熱損害。從這個規定可以看出，柴油機選型需要按照以上所列的四種工況中的PRP進行選擇。

表1 負荷清單啟動順序表

4.黑啟動柴油機容量計算

選定了機組的運行工況，接下來計算黑啟動機組的運行容量，從而選擇合適的機型作為黑啟動電源。以我司投標的一個海外燃氣輪機聯合循環項目的黑啟動柴油機機組經廠家配合計算啟動帶載情況，確定黑啟動的投標安裝容量。表1是設計院根據項目機務提資完成的負荷清單及啟動順序等數據。

表2 模擬黑啟動負荷加載計算結果

接下來我們要計算一下實際需要的啟動容量，由于目前國內沒有相關的標準規范對黑啟動柴油發電機容量選擇作出明確規定，工程設計中柴油發電機容量選擇計算主要參考《火力發電廠廠用電設計技術規定》DL/T5153-2002附錄“柴油發電機組的選擇”[2]，柴油機的選擇需要滿足以下要求：（1）滿足機組啟動時持續的負荷要求；（2）滿足柴油發電機沖擊峰值功率；（3）滿足電動機啟動時柴油發電機瞬時壓降。我們將這個表格提交給廠家進行模擬啟動加載計算，廠家根據啟動順序分批加載，模擬需要根據以上的規范要求進行，表2是廠家根據其計算軟件模擬所得的加載過程中的頻率變化、電壓變化、瞬態峰值容量和穩態累計容量：

以上負荷計算書是按照1～5步的加載順序依次啟動運行，后一負荷在前一負荷啟動完成后再啟動，一些計算參數由于表格限制，已經省略。

由廠家的計算書可以得出：

（1）黑啟動的峰值容量大約是15229kVA，最終穩定運行容量是5460.8kVA，穩態運行額定功率經計算為4437kW。

（2）同時考慮其最大峰值負荷15229.0kVA。

為保證其電壓降與頻率降滿足保護設定值，柴油機廠家給出如下解決方案：

機組配置：6×1800kW機組。

備用功率：2000kW （2500kVA）

主用功率：1800kW（2250kVA）

功率因數：0.8lagging

轉速：1500rpm

頻率：50Hz

額定電壓：6kV

1800kW機型由于其體積小、運行靈活、可靠性高、性價比高，通常作為黑啟動電源的首選機型。當設定的系統電壓降為20%時，查柴油機參數表，得柴油發電機的啟動容量為：2970kVA。我們已經選定既定的機型，接下來需要進行校驗，看是不是滿足機組黑啟動要求。

經校驗滿足要求。

5.結論

可以采用6臺運行于PRP工況的1800kW的高速輕柴油發電機組作為此燃機聯合循環項目在投標階段的黑啟動電源。

以上計算給出了柴油機的機型選擇和投標容量的常規計算，是基于一般化的柴油發電機組的各項性能指標進行的。由于投標階段所有輸入比較粗略，同時，計算公式及負荷清單中的參數一般都有較大的余量，而各個廠商生產的柴油發電機，各項性能指標有很大差異，因此本選型計算主要針對的是投標階段的黑啟動容量計算，作為投標時的計算依據，在后期執行階段，一些參數可以進行優化。例如本工程中，容量最大的負載為燃機主機的啟動變頻器SFC，該啟動負荷突出特點是其為鋸齒形負載，針對其特點，通過對柴油機調速系統、發電機調壓系統及發電機組控制系統的優化，提高三個系統的控制精度、反應速度及三者之間的匹配性，從而可以實現黑啟動計算容量的優化。更詳細的計算和優化在項目真正開始詳細設計之后進行，本計算僅用來在投標階段選擇合適的機型和粗略的黑啟動柴油機組容量。