高壓柴油發(fā)電機(jī)組用于電廠黑啟動(dòng)的實(shí)現(xiàn)

包珺 彭佩怡

（中船重工集團(tuán)公司第七一二研究所， 武漢 430064）

1 引言

在一些大型冶煉企業(yè)，為滿足設(shè)備供電的需求和成本考慮，常常擁有企業(yè)自己的自備電廠，這些電廠一般使用汽輪機(jī)發(fā)電，同樣，在一些礦藏豐富而電網(wǎng)電力還未到達(dá)的邊遠(yuǎn)地區(qū)，由于條件限制和成本考慮，也采用汽輪機(jī)發(fā)電的獨(dú)立電站。這些電站的特點(diǎn)是不和外部電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)，只獨(dú)立地為電站內(nèi)的設(shè)備供電。當(dāng)電站在建設(shè)初期或運(yùn)行中因故障和檢修原因停機(jī)后再啟動(dòng)時(shí)，需一套獨(dú)立的電源將汽輪發(fā)電機(jī)輔機(jī)帶起來(lái)，運(yùn)行的輔機(jī)使鍋爐點(diǎn)火，汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電[1]。這種獨(dú)立電源帶輔機(jī)啟動(dòng)方式也稱黑啟動(dòng)，當(dāng)汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電后，獨(dú)立電源退出，輔機(jī)由汽輪發(fā)電機(jī)電力供電運(yùn)行。高壓柴油發(fā)電機(jī)作為一種穩(wěn)定、可靠的獨(dú)立電源，用作電廠黑啟動(dòng)設(shè)備具有明顯優(yōu)勢(shì)，是非常合適的選擇。本文以國(guó)內(nèi)一銅業(yè)公司自備電廠用高壓柴油發(fā)電機(jī)作為黑啟動(dòng)的案例，說(shuō)明高壓發(fā)電機(jī)組的系統(tǒng)組成，控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案，調(diào)試方法和結(jié)論。

2 高壓發(fā)電機(jī)組供電系統(tǒng)組成

圖1為高壓發(fā)電機(jī)組供電系統(tǒng)圖，高壓發(fā)電機(jī)組供電系統(tǒng)由兩臺(tái)額定功率2200 kW，額定電壓10 kV、及與之配套的發(fā)電機(jī)進(jìn)線高壓開關(guān)柜，水電阻負(fù)載柜，冷卻風(fēng)扇變壓器柜，電廠負(fù)載饋線柜、母線 PT柜組成，兩臺(tái)柴油機(jī)選用德國(guó)奔馳公司20 V4000G63，20 缸V 形排列電噴發(fā)動(dòng)機(jī)。高壓發(fā)電機(jī)組的作用是在沒有外部電網(wǎng)供電的情況下，由高壓發(fā)電機(jī)將電廠輔機(jī)帶起來(lái)，使鍋爐點(diǎn)火，汽輪機(jī)發(fā)電。

圖1中，電廠由兩臺(tái)30 MW汽輪發(fā)電機(jī)組成，以供熱、供氣、發(fā)電綜合運(yùn)行。在電廠建設(shè)初期，用外部電網(wǎng)臨時(shí)將輔機(jī)帶起來(lái)，當(dāng)電廠建成后，汽輪發(fā)電機(jī)由柴油發(fā)電機(jī)來(lái)啟動(dòng)，整個(gè)電廠形成一個(gè)完全獨(dú)立的自備電站。圖1中1#、2#汽輪機(jī)可并網(wǎng)工作，也可單機(jī)工作。在兩臺(tái)汽輪機(jī)均停機(jī)情況下，柴油發(fā)電機(jī)組先將其中一臺(tái)汽輪機(jī)啟動(dòng)，另一臺(tái)汽輪機(jī)由已發(fā)電的汽輪機(jī)啟動(dòng)。

柴油發(fā)電機(jī)組主要負(fù)載為高壓給水泵，高壓循環(huán)水泵、高壓引風(fēng)機(jī)，高壓送風(fēng)機(jī)，高壓負(fù)載根據(jù)工藝要求順序啟動(dòng)，因1000 kW高壓給水泵啟動(dòng)容量較大，在柴油發(fā)電機(jī)已帶部分負(fù)載情況下，啟動(dòng)高壓給水泵會(huì)導(dǎo)致柴油發(fā)電機(jī)組較大的電壓跌落，因此對(duì)高壓給水泵采用變頻器的啟動(dòng)方式，不采用軟起動(dòng)器來(lái)啟動(dòng)是因?yàn)檐浧饎?dòng)器仍需較大起動(dòng)容量，而且啟動(dòng)力矩受限，存在諧波等問(wèn)題，采用變頻器啟動(dòng)容量小，啟動(dòng)力矩大，啟動(dòng)完成后，還可通過(guò)改變變頻器頻率進(jìn)行節(jié)能運(yùn)行[2]。

圖1 高壓發(fā)電組供電系統(tǒng)圖

3 控制系統(tǒng)組成

圖2為發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)總體框圖?？刂葡到y(tǒng)的核心為并車控制系統(tǒng)，由兩臺(tái)5510并車控制器，一臺(tái)5560市電并網(wǎng)控制器，PLC，觸摸屏、上位工控機(jī)等部件構(gòu)成。PLC為整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的核心，PLC接收電廠集控臺(tái)啟動(dòng)信號(hào)，自動(dòng)啟動(dòng)機(jī)組，自動(dòng)分合高壓開關(guān)柜，同時(shí)也可通過(guò)觸摸屏接收用戶的操作信息手動(dòng)完成機(jī)組的啟、停，進(jìn)線柜和輸出柜的合、分閘操作。用戶還可通過(guò)上位工控機(jī)遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組自動(dòng)啟動(dòng)，自動(dòng)并機(jī)，自動(dòng)帶載等功能。

圖2 并車控制系統(tǒng)總體框圖

并車控制器 5510是英國(guó)深海公司（DEEPSEA）生產(chǎn)的一款專用于柴油發(fā)電機(jī)組之間并車控制用的模塊，能夠判斷母線與機(jī)組出口的電壓差，頻率差，相位差，并調(diào)節(jié)機(jī)組的頻率和電壓，在滿足并車條件時(shí)，發(fā)出脈沖合閘信號(hào)。在機(jī)組并車后，5510能夠按不同機(jī)組之間的功率分配狀況調(diào)節(jié)機(jī)組的頻率和電壓來(lái)調(diào)節(jié)各臺(tái)機(jī)組的有功和無(wú)功，使機(jī)組之間負(fù)載均衡，5510對(duì)發(fā)電機(jī)組具有豐富的保護(hù)和報(bào)警功能，包括過(guò)電壓，過(guò)流，過(guò)載，過(guò)頻，低頻，逆功等。電網(wǎng)并車控制器5560也為英國(guó)深海公司產(chǎn)品，其作用是控制兩臺(tái) 5510控制器，實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)發(fā)電機(jī)與汽輪機(jī)并網(wǎng)，控制發(fā)電機(jī)組向汽輪機(jī)電網(wǎng)輸出固定功率，轉(zhuǎn)移發(fā)電機(jī)負(fù)載至電網(wǎng)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(xié)議的485端口和RS232協(xié)議的 9針端口，具有很強(qiáng)的擴(kuò)展能力，PLC和5510、5560之間的通訊采用 RS485（MODIBUS RTU）協(xié)議。Modbus 協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語(yǔ)言。通過(guò)此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)（例如以太網(wǎng)）和其它設(shè)備之間可以通信?？刂破髂茉O(shè)置為兩種傳輸模式（ASCII或RTU）中的任何一種在標(biāo)準(zhǔn)的Modbus網(wǎng)絡(luò)通信[4]。用戶選擇想要的模式，包括串口通信參數(shù)（波特率、校驗(yàn)方式等），在配置每個(gè)控制器的時(shí)候，在一個(gè) Modbus網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備都必須選擇相同的傳輸模式和串口參數(shù)。PLC通過(guò)與5510、5560、上位工控機(jī)的通信，實(shí)現(xiàn)整個(gè)發(fā)電機(jī)供電系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和保護(hù)控制。

4 發(fā)電機(jī)并車帶載過(guò)程

PLC在接受電廠集控臺(tái)的啟動(dòng)指令后，發(fā)啟動(dòng)指令給 5560控制器，由 5560控制兩臺(tái) 5510并車控制器同時(shí)啟動(dòng)兩臺(tái)發(fā)電機(jī)，兩臺(tái)發(fā)電機(jī)中先達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的發(fā)電機(jī) 5510控制器首先判斷發(fā)電機(jī)母排電壓是否為零，若母排電壓為零，則直接合與之對(duì)應(yīng)的發(fā)電機(jī)出口開關(guān)，此時(shí)發(fā)電機(jī)母排帶電。另一臺(tái)發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行后，則與已合閘的發(fā)電機(jī)進(jìn)行同期控制，同期的條件是：1）發(fā)電機(jī)組出線側(cè)頻率高于母線頻率并在 0.3 Hz以內(nèi)。2）發(fā)電機(jī)組出線側(cè)電壓與發(fā)電機(jī)組額定電壓10000 V壓差在5%以內(nèi)。3）發(fā)電機(jī)組出線側(cè)電壓相位和母線電壓相位差在5°內(nèi)。當(dāng)電壓、頻率、相位滿足同步要求后，合與之對(duì)應(yīng)的發(fā)電機(jī)出口開關(guān)，兩臺(tái)發(fā)電機(jī)空載并車，當(dāng)兩臺(tái)發(fā)電機(jī)并車成功后，柴油發(fā)電機(jī)組并車控制器控制負(fù)載開關(guān)柜合閘，柴油發(fā)電機(jī)組開始帶負(fù)載運(yùn)行并進(jìn)行負(fù)載均衡控制[5]。5510控制器實(shí)時(shí)檢測(cè)兩臺(tái)機(jī)組所帶功率，并調(diào)節(jié)兩臺(tái)機(jī)組的調(diào)速器，使兩臺(tái)機(jī)組所帶功率大致相等，5510控制器還控制調(diào)壓器輸出，使兩臺(tái)機(jī)組輸出無(wú)功功率相等。但為了避免過(guò)頻繁操作，使機(jī)組發(fā)生功率振蕩，5510設(shè)置了死區(qū)調(diào)節(jié)，即兩臺(tái)機(jī)組的功率差在死區(qū)范圍內(nèi)5510不會(huì)調(diào)節(jié)機(jī)組的轉(zhuǎn)速。

4 發(fā)電機(jī)組解列過(guò)程

當(dāng)汽輪機(jī)開始發(fā)電后，電網(wǎng)并車控制器5560判斷市電電網(wǎng)有電，控制已帶載的兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組5510控制器調(diào)整兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組電壓、頻率和相位，當(dāng)發(fā)電機(jī)母排與汽輪機(jī)電網(wǎng)達(dá)到同期要求后，控制汽輪機(jī)電網(wǎng)開關(guān)合閘，并網(wǎng)成功后，5560控制柴油發(fā)電機(jī)組按固定功率模式為負(fù)載供電，此時(shí)剩余部分負(fù)載由汽輪機(jī)饋電，若需將全部負(fù)載轉(zhuǎn)移至汽輪機(jī)，則由PLC發(fā)指令給5560控制器，5560控制器將控制5510轉(zhuǎn)移全部負(fù)載至汽輪機(jī)，分發(fā)電機(jī)組電廠負(fù)載饋線柜，停兩臺(tái)發(fā)電機(jī)。

5 高壓發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的調(diào)試

高壓發(fā)電機(jī)首先進(jìn)行單機(jī)調(diào)試，在開機(jī)之前，需對(duì)發(fā)電機(jī)5510，5560控制器參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)對(duì)高壓開關(guān)柜耐壓進(jìn)行測(cè)試，對(duì)其保護(hù)參數(shù)進(jìn)行模擬調(diào)整，對(duì)發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)值進(jìn)行模擬調(diào)試，在以上設(shè)置完成后，空載起動(dòng)發(fā)電機(jī)，觀察發(fā)電機(jī)各機(jī)械、電氣參數(shù)的正確性。在發(fā)電機(jī)空載測(cè)試正常后，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速器、發(fā)電機(jī)調(diào)壓器的下垂特性進(jìn)行單機(jī)帶載設(shè)置和校正。在1#5510控制器上空載手動(dòng)啟動(dòng) 1#機(jī)組，合其出口開關(guān)，在2#5510控制器上空載手動(dòng)啟動(dòng)2#機(jī)組，合其出口開關(guān)，此時(shí)觀測(cè)兩臺(tái)發(fā)電機(jī)并機(jī)是否正常，是否存在較大環(huán)流。在以上正確的基礎(chǔ)上，做兩臺(tái)發(fā)電機(jī)并機(jī)帶水電阻進(jìn)行帶載測(cè)試，觀測(cè)兩臺(tái)發(fā)電機(jī)并機(jī)帶載時(shí)負(fù)載分配的均衡性。在兩臺(tái)發(fā)電機(jī)并機(jī)帶載正常后，模擬發(fā)電機(jī)和市電反并網(wǎng)控制系統(tǒng)功能，將一臺(tái)發(fā)電機(jī)啟動(dòng)模擬電網(wǎng)，另一臺(tái)發(fā)電機(jī)帶水電阻負(fù)載，觀測(cè)兩臺(tái)發(fā)電機(jī)之間負(fù)載轉(zhuǎn)移和固定功率輸出的正確性。將兩臺(tái)發(fā)電機(jī)由并車控制器啟動(dòng)，由5560控制器控制兩臺(tái)發(fā)電機(jī)和汽輪機(jī)電網(wǎng)進(jìn)行正并網(wǎng)，觀測(cè)發(fā)電機(jī)是否按設(shè)定的功率和功率因素輸出。在以上調(diào)試完成后。進(jìn)行實(shí)際黑啟動(dòng)試驗(yàn)，由電廠集控臺(tái)發(fā)啟動(dòng)指令，并車控制器自動(dòng)啟動(dòng)機(jī)組，自動(dòng)分合高壓開關(guān)柜，自動(dòng)帶負(fù)載，實(shí)際運(yùn)行中，整個(gè)黑啟動(dòng)歷時(shí)9小時(shí)，汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)從靜止到發(fā)電，一次啟動(dòng)成功。高壓柴油發(fā)電機(jī)組在多臺(tái)高壓電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，能保證頻率、電壓跌落在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，兩臺(tái)發(fā)電機(jī)有功、無(wú)功分配均衡，整個(gè)控制系統(tǒng)畫面清晰，控制穩(wěn)定可靠，完全達(dá)到實(shí)現(xiàn)電廠黑啟動(dòng)的要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

由于環(huán)境限制和成本考慮，單個(gè)獨(dú)立供電的發(fā)電廠在逐漸增加，用高壓柴油發(fā)電機(jī)組作為電廠黑啟動(dòng)的需求也隨之增加。文中對(duì)黑啟動(dòng)整體結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)、調(diào)試方法及試驗(yàn)結(jié)果的描述，希望對(duì)其他類似電廠的黑啟動(dòng)有一定參考作用。

[1] 許珉主編. 發(fā)電廠電氣主系統(tǒng). 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2006.1.

[2] 佟純厚主編. 近代交流調(diào)速. 北京:冶金工業(yè)出版社2004.9

[3] 英國(guó)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(cè).

[5] 賴廣顯主編. 新型柴油發(fā)電機(jī)組. 北京:人民郵電出版社. 1999.