緬甸薄弱電網背景下燃機項目黑啟動電源配置方案分析

張奮來

（中國電建集團海外投資有限公司，北京）

1 電廠概況

緬甸皎漂燃氣電站位于緬甸西部的若開邦，皎漂是緬甸與中國及其他鄰國的物流中轉站，其位置具有非常重要的戰略意義。皎漂地區電力嚴重不足，交通、通訊等基礎設施不盡完善，緬甸皎漂燃氣電站投運后將成為皎漂地區一個永久電源點，可大大提高該地區供電的可靠性及安全性。

緬甸皎漂燃氣電站在系統中的定位為基荷電廠，建設規模為額定出力約137.58 MW 的“二拖一”燃氣- 蒸汽多軸聯合循環機組，配置2 臺燃機+2 臺燃機發電機+2 臺余熱鍋爐+ 1 臺純凝式汽輪發電機組，多軸聯合循環機組，電廠生產用水采用海水，生活用水采用地下水。

2 黑啟動必要性

隨著電力系統相關理論和技術的不斷成熟和發展，電網建設得到了空前迅速的發展，世界各國相繼出現了許多跨地區甚至跨國的大電網和超級大電網，電網結構日趨合理，且日益強大。但經過幾十年的運行表明，凡事都有兩面性，隨著現代電力系統的加強，其防范和抵御事故的能力雖然提高了，但是一旦發生大面積停電和電網全網停電后，因電網的復雜性和龐大性，也使得電網的恢復過程變得空前的復雜。

從20 世紀60 年代開始，一些國際著名的大電網就相繼出現了大停電事故，這些事故給國民經濟和電力系統本身都帶來了空前的損失，為此如何使電網盡快恢復供電，以減少停電帶來的損失，就成了各大電網所面臨的問題之一。紐約、東京、中國臺灣等大停電事故的經驗和教訓表明，為在電網大面積停電或全部停電后能快速而有序地恢復，事先必須制定有關方案，即“黑啟動”方案，以最大限度地加快恢復速度，從而最大限度地減少因停電而帶來的經濟損失[1]。

緬甸電網由國家互聯電網和偏遠地區的孤立電網組成，主要包含有230 kV、132 kV、66 kV、33 kV 四種電壓等級，圍繞中部的仰光- 曼德勒負荷中心向周邊延伸，覆蓋了中部的多數省份。仰光、曼德勒和內比都三個城市占總用電負荷的61%，其余39%為其他城市和鄉村用電。緬甸電網技術裝備落后，電網保護、控制及通信設備整體陳舊，自動控制和繼電保護功能欠缺，不能對電網進行實時有效的監控和保護。

根據緬甸電力部分相關要求，結合緬甸國內電網實際情況，本工程需要設置黑啟動電源。黑啟動是指整個電力系統因故障停運后，不依靠外部系統的幫助，通過系統中具有啟動能力機組的啟動，帶動其它無自啟動能力的機組，逐步擴大系統的恢復范圍，最終恢復整個系統的運行。

本項目電氣主接線方案如下：2 臺燃機發電機組采用發電機- 變壓器組單元接線，經主變升壓至230 kV，采用電纜接入廠內230 kV配電裝置；1 臺汽輪發電機組經主變升壓至230 kV，采用電纜接入廠內230 kV 配電裝置，230 kV 配電裝置采用戶內GIS 方案。2 臺燃機發電機出口均設置發電機出口斷路器，汽機發電機出口不設置發電機出口斷路器。全廠電氣主接線原理見圖1。

圖1 全廠電氣主接線原理

每臺機組的燃機起動器電源從該機組6 kV 廠用電工作段引接。燃機正常啟動時，通過230 kV系統倒送電至6 kV工作段。燃機啟動電機接線見圖2。

圖2 燃機啟動電機接線

3 黑啟動要求

緬甸皎漂燃氣電站采用西門子公司SGT-800 燃氣輪機作為主機，設有旁路煙囪，可以實現簡單循環或者聯合循環兩種運行模式。

3.1 主機啟動對黑啟動的要求

由于緬甸皎漂燃氣電站燃機可在簡單循環模式下運行即燃機在不帶余熱鍋爐與汽機，工況下單獨運行，且燃機出口設有高壓廠用變壓器，在燃機啟動后，6 kV 工作段已經正常供電，全廠負荷均可以正常啟動，黑啟動電源已經切出，故黑啟動電源僅需滿足燃機啟動時所需的工藝電負荷和控制電負荷要求。

3.2 輔助設備對黑啟動的要求

由于工作在簡單循環模式下，除燃機啟動電機與燃機MCC 低壓啟動負荷外，廠區輔助設備需要參與黑啟動有閉式循環冷卻水泵、循環水泵、冷卻塔風機、天然級調壓站負荷、必要的熱控設備、二次保護設備與照明負荷等。燃機啟動時轉矩、速度與消耗功率曲線見圖3。

圖3 燃機啟動時轉矩、速度與消耗功率曲線

3.3 母線供電對黑啟動的要求

燃氣輪機在黑啟動柴油機的供電下啟動并到全速空載時，由于母線側依然沒電所以不能進行正常同期操作。在此時就需要母線合閘給主變送電并恢復廠用電，從而逐步替換下黑啟動柴油發電機。由于主變低壓側阻抗小，而且在初充時由于電磁還未建立，所以會導致巨大的沖擊電流而導致電氣保護動作引起黑啟動失敗。在合發電機出口開關時去掉發電機勵磁使之不帶電壓或只帶剩余電壓合閘，合閘成功后再緩慢建立發電機電壓及主變電壓至額定值。母線合閘前運行人員要確保母線為不帶電狀態，并且接地刀和隔離刀在正確位置。建議接地刀和隔離刀的位置信號接入DCS 后送至燃氣輪機控制系統作為允許“母線合閘”的閉鎖信號[2]。一旦選擇母線合閘模式，勵磁就處于關斷狀態，這時候發電機電壓會逐漸下降，其速率和發電機時間常數相關。當發電機電壓降至10%并維持5s 時，控制盤給出報警“機組準備母線合閘”，這時候運行員在操作臺站人機界面（HMI）上按下“合閘”按鈕，合閘并逐漸升壓。如果在去磁28s內發電機電壓未降至10%，該次母線合閘將自動取消。

4 燃機黑啟動電源配置

4.1 黑啟動電源

本工程裝設發電機出口斷路器，每臺燃機設1 臺高壓廠用工作變壓器，采用6.3 MVA 的雙卷變壓器。由于設置發電機出口斷路器,燃機啟動電源由系統直接引接，高壓廠用變壓器采用有載調壓方式，廠用變壓器的電壓為11±8×1.25%/6.3 kV，變壓器電源由發電機出口斷路器外側引接。每臺機組設1 段6 kV工作母線，向本單元燃機及汽機機組廠用負荷供電，6 kV工作母線電源從高廠變低壓側引接。不設啟備變。

2 臺高壓廠用變壓器均可帶全廠正常運行負荷，不設置啟動備用變壓器。當機組正常起動時，燃機發電機組的起動電源是經過主變壓器倒送電至高壓廠用工作變壓器獲得。

本工程黑啟動電源全廠設置一組，擬分別接至2 臺機組6 kV 工作母線，可以滿足任一機組啟動時電源要求，黑啟動電源容量滿足機組啟動負荷要求。

根據DL/T5174-2016《燃氣- 蒸汽聯合循環電廠設計規定》要求，發電容量小于200 MW 的非調峰機組應根據制造廠要求，決定是否設置交流保安電源。根據本工程各主機廠家要求，僅燃機輪機啟動電機（6 kV 供電）在機組停機時需要滿足盤車要求，燃機輪機低壓段重要負荷已經設置UPS 電源，其他負荷無保安電源要求。由于本工程已經設置高壓黑啟動柴油發電機，在滿足黑啟動同時兼具保安電源能力，故本工程不再設置低壓保安柴油發電機與低壓保安段。

4.2 黑啟動電源形式選擇

黑啟動電源可以采用柴油發電機組和電池儲能裝置。下面對兩種形式的黑啟動電源進行比較分析。

4.2.1 電池儲能裝置的供電及監控系統要求 （1） 控制系統的供電要求。并網逆變器的控制系統應采用并網逆變器直接從逆變器直流側和交流側同時取電的雙路冗余供電方式。（2） 控制系統的基本要求。并網逆變器的控制系統應采用高性能DSP 冗余備份的全數字化控制結構以確保控制系統損壞后，逆變器可以安全停機；反饋環節應采用低溫漂、高精度、寬溫度范圍的高品質傳感器（傳感器的帶寬和實際檢測精度必須滿足控制要求）；模數和數模轉換環節應采用高精度的高速AD/DA（如有）；控制系統和為其供電的多路冗余輔助電源應滿足25 年使用壽命的要求[3]。控制系統應能穩定、快速的實現最大功率點跟蹤和輸出波形質量控制，以確保并網逆變器獲得最大的功率輸入并輸出預期的正序正弦波電流。（3） 通信。并網逆變器應提供標準的隔離型RS485標準通信接口或PLC 電力載波接口，并網逆變器應能與光伏電站監控系統或數據采集器通過基于RS485 通信接口的Modbus RTU 協議或PLC 電力載波進行通信。（4） 投標并網逆變器應具有自動與電網側同步的功能。并網逆變器應能根據日出及日落的日照條件，實現自動開機和關機。并網逆變器啟動運行時應確保光伏發電站輸出的有功功率變化率不超過所設定的最大功率變化率。

4.2.2 柴油發電機組的供電及監控系統要求（1） DCS控制，直流和UPS 對DCS 單獨供電。（2） DCS 的基本要求見廠內DCS 的詳細描述。（3） 不需要單獨通訊。（4） 不需要額外增加并網設備,可以有簡單同期裝置。

4.2.3 配置優缺點分析 柴油發電機組相較于電池儲能裝置的優點是：（1） 外集裝箱布置，占地面積小。（2）輸出容量大。（3） 作為黑啟動電源時,反應動作時間快。（4） 電能質量較好控制。（5） 使用壽命長。

4.2.4 小結 根據上述論述，本工程采用柴油發電機組作為黑啟動電源。黑啟動柴油機作為黑啟動動作時的電源供應者，應具有快速的啟動性、高度的可靠性、電力供應的穩定性以及功率的匹配性。

目前黑啟動柴油機有二沖程、四沖程。其中二沖程柴油機多為單機功率為4 000 kW 以上的大型柴油機，四沖程多為單機功率較小的箱式快裝柴油機。考慮本項目在啟動階段，負荷逐漸變化，采用多臺小功率柴油機更能符合啟動負荷變化的需要，且更容易啟動，比如采用壓縮空氣啟動。而采用大功率柴油機可能會使機組在啟動階段更長時間工作在低負荷區域，且啟動相對困難。因此本項目推薦采用四沖程小功率的柴油發電機組。

黑啟動柴油機應具有多機組并聯運行的良好性能，以滿足負荷在峰、谷變化時的自動投入與退出，并保證電壓、頻率的波動在國家技術規定之內，也為啟動設備的安全性提供保證。

4.3 黑啟動負荷計算

黑啟動柴油機出口電源選用6.3 kV，根據黑啟動方案，容量計算見表1。

表1 容量計算

∑P1=2 955 kW

黑啟動的計算負荷為：

Sc=K∑P1=0.95×2 955=2 808 kVA

Pc=Sc×cosφc= 2 808×0.86=2 415 kW

式中：Sc- 黑啟動計算負荷(kVA)；∑P1- 同時運行的最大功率；K- 換算系數，取0.95；Pc- 有功功率(KW)；cosφc - 功率因數，取0.86。

按最大電機啟動1 臺最大電機短時過載容量校驗：

式中：Sc- 黑啟動計算負荷(kVA)；PDm- 最大電機功率，取燃機啟動電機啟動時功率900 kW；Kq- 最大電機啟動電流倍數，由于燃機啟動電機為變頻啟動，取2.5；KOL-柴油發電機短時過負荷系數，取1.5。

計算得到Se=2 931 kVA, Pc=Sc×cosφ= 2 931×0.8=2 345 kW

根據燃機黑啟動負荷計算，本工程推薦黑啟動柴油機總容量為3 000 kW。黑啟動柴油發電機選擇集裝箱式四沖程柴油發電機組，容量為1 500 kW，功率因數0.8，共2 臺。柴油機廠家成套提供高壓開關柜及柴油機控制系統。

5 結論

根據緬甸電力部要求，機組應具備黑啟動能力。本研究通過對黑啟動電源形式分析，以及機組啟動電負荷計算基礎上，合理選擇了2 臺1 500 kW的集裝箱式四沖程黑啟動柴油發電機組。黑啟動柴油機應具有多機組并聯運行的良好性能，能保證電壓、頻率的波動在規定范圍之內，滿足燃機黑啟動設備的安全性要求。