燃機電站黑啟動系統(tǒng)方案設(shè)計探討

于 青，聶 巖，安 琳

（1.山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250013；2.國核電力規(guī)劃設(shè)計研究院，北京 100095）

0 引言

黑啟動，是指某個獨立的電網(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)中具有自啟動能力的發(fā)電機組的啟動，帶動無自啟動能力的發(fā)電機組，逐漸擴大系統(tǒng)恢復(fù)范圍，最終實現(xiàn)整個系統(tǒng)的恢復(fù)和供電的過程［1］。對于電站黑啟動而言，既可以指其利用外來電源進行自身啟動的情況，也可以指利用自身系統(tǒng)內(nèi)的可自啟動的電源進行的主發(fā)電機組的啟動。

輕柴油高速發(fā)電機組一次投資成本較少，啟動時間短，運行穩(wěn)定，不需要外部電源啟動，是目前黑啟動電源使用較多的設(shè)備［2］。電廠黑啟動系統(tǒng)簡單、運行可靠，黑啟動機組短時抗沖擊能力強、能適應(yīng)短時間高負(fù)載運行。

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

1 黑啟動系統(tǒng)接線方式

黑啟動系統(tǒng)可為廠內(nèi)一臺或多臺機組提供啟動電源，故需要與主機組的中壓母線段相連，柴油發(fā)電機的出口電壓應(yīng)與電廠中壓系統(tǒng)電壓相同，多臺柴油發(fā)電機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 黑啟動系統(tǒng)典型接線

2 柴油發(fā)電機組容量選擇

柴油發(fā)電機組的容量應(yīng)能滿足一臺主機組啟動要求。由于目前國內(nèi)沒有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對黑啟動柴油發(fā)電機容量選擇做出明確規(guī)定，工程設(shè)計中柴油發(fā)電機容量選擇計算主要參考文獻［3］附錄“柴油發(fā)電機組的選擇”。柴油發(fā)電機組容量的選擇時同時滿足以下三個條件：1）滿足機組啟動時持續(xù)的負(fù)荷要求；2）滿足電動機啟動時發(fā)電機瞬時壓降；3）滿足柴油發(fā)電機沖擊峰值功率。

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

黑啟動柴油發(fā)電機容量應(yīng)能滿足主機組啟動的要求，就需要多臺柴油發(fā)電機組并聯(lián)運行。多臺并機運行要求機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，極易導(dǎo)致整個系統(tǒng)崩潰。所以，在確保成功啟動主機組的前提下，要求盡量減少并聯(lián)機組臺數(shù)、簡化系統(tǒng)，以提高黑啟動系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。并且，黑啟動系統(tǒng)并非長期連續(xù)運行，僅要求其容量能滿足主機組啟動過程即可，因此沒有必要考慮較大的計算裕量。按照文獻［3］中的常規(guī)計算方法，所需容量較大，因此可以在保證燃機啟動要求的前提下，進行優(yōu)化計算，降低總?cè)萘?，從而?jié)省工程投資。

3 黑啟動系統(tǒng)的控制

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

4 工程實例

4.1 工程概況

工程新建4臺單循環(huán)燃機，采用西門子公司的SGT6－5000F型燃氣輪發(fā)電機組，中壓系統(tǒng)電壓為4.16 kV，低壓系統(tǒng)電壓為460 V。每臺機組設(shè)置1臺高壓廠用工作變壓器、一段4 kV廠用母線，4臺機組設(shè)置1臺高壓備用變壓器。

4.2 黑啟動系統(tǒng)接線

黑啟動系統(tǒng)由5臺柴油發(fā)電機組成，分別與4臺機組的中壓母線相連，可為任一臺機組提供啟動電源，實現(xiàn)機組的啟動，系統(tǒng)接線如圖2所示。

4.3 機組啟動負(fù)荷

機組啟動負(fù)荷統(tǒng)計如表1所示。

表1 系統(tǒng)啟動負(fù)載統(tǒng)計表

圖2 黑啟動系統(tǒng)接線

圖3 現(xiàn)場實測柴油機組啟動曲線

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

4.4 柴油機組容量選擇

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

在設(shè)備招標(biāo)階段，針對本工程的負(fù)荷特點，制造廠對柴油機和發(fā)電機性能進行優(yōu)化，從而提高了柴油發(fā)電機組的啟動性能、抗電壓降能力、短時過負(fù)荷能力等，以達到容量優(yōu)化的目的，最終確定優(yōu)化配置方案。

單機功率：1800 kW

機組數(shù)量：5臺

單機一次加載功率：1350 kW

圖3為機組調(diào)試階段測得的燃機啟動電機啟動過程中系統(tǒng)電壓、頻率曲線，由現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)可見，本工程配置5臺1800 kW柴油發(fā)電機組的優(yōu)化方案完全滿足機組啟動要求，并達到簡化系統(tǒng)、提高系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性的目的。

4.5 柴油發(fā)電機組的控制

西門子的燃機控制系統(tǒng)有兩種不同的運行模式：正常運行模式、黑啟動運行模式。在燃機啟動前需要首先確定燃氣輪機的運行模式。

只有當(dāng)所有燃氣輪機均處在停止?fàn)顟B(tài)時，其中的一臺燃氣輪機才能選擇黑啟動模式，其它燃氣輪機必須采用正常啟動模式。

在黑啟動之前首先要確認(rèn)電網(wǎng)是沒有電的，否則燃氣輪機就不可以選擇黑啟動運行模式，啟動之前需確定主變高壓側(cè)開關(guān)打開、高廠變低壓側(cè)進線開關(guān)打開，這時廠用電由黑啟動系統(tǒng)供電。

5 結(jié)語

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

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

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

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