火電廠黑啟動柴油發(fā)電機組容量計算與選型

李世光，李梓萌，高正中，宋森森，肖佳宜

（山東科技大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院，山東　青島　266590）

火電廠黑啟動柴油發(fā)電機組容量計算與選型

李世光，李梓萌，高正中，宋森森，肖佳宜

（山東科技大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院，山東青島266590）

當(dāng)電網(wǎng)系統(tǒng)因故障停運后，通過恰當(dāng)?shù)暮趩臃绞娇梢栽诙虝r間內(nèi)實現(xiàn)該電網(wǎng)系統(tǒng)的恢復(fù)。柴油發(fā)電機組常被選為燃煤發(fā)電廠的黑啟動電源，文章闡述了柴油發(fā)電機的選型要求并對現(xiàn)有技術(shù)規(guī)程中柴油發(fā)電機組的容量選擇公式進(jìn)行歸納，總結(jié)出一套簡潔合理的發(fā)電機容量選擇方案，即計算全部負(fù)載正常運行時的負(fù)荷容量、發(fā)電機短時過負(fù)荷能力及加載時允許的母線電壓降進(jìn)行選型，以校驗尖峰時刻發(fā)電機容量需求及環(huán)境系數(shù)修正進(jìn)行復(fù)核，并結(jié)合實際情況將該方案應(yīng)用于3×150MW燃煤發(fā)電廠柴油發(fā)電機組容量選擇中，驗證了該方案的合理性。

柴油發(fā)電機；黑啟動；母線壓降；尖峰負(fù)荷

0　引言

黑啟動是指整個電網(wǎng)系統(tǒng)因故障停運后，不依賴其他電網(wǎng)絡(luò)的幫助，通過系統(tǒng)中具有自啟動能力機組的啟動，帶動無自啟動能力的機組，逐步擴大電力系統(tǒng)的供電恢復(fù)范圍，最終實現(xiàn)該電力系統(tǒng)恢復(fù)的過程［1］。

黑啟動的關(guān)鍵問題是如何選擇電源，目前，我國水力發(fā)電廠與燃煤發(fā)電廠通常能具備黑啟動能力。其中水輪發(fā)電機組作為水力電廠的黑啟動電源，具有輔助設(shè)備簡易、啟動速度快等優(yōu)點，因而應(yīng)用廣泛。但燃煤發(fā)電機組啟動工藝流程復(fù)雜，輔助設(shè)備功率較大，需要的廠用電量較大，對具有自啟動能力的發(fā)電機組要求非常高［2］。而依靠蓄電池啟動的柴油發(fā)電機組啟動迅速，具有快速帶載能力、一步加載能力強、系統(tǒng)簡單可靠等特點。因此，常選用柴油發(fā)電機組作為燃煤發(fā)電廠的黑啟動電源。

柴油發(fā)電機組的形式選擇需滿足以下要求：首先發(fā)電機組應(yīng)采用快速自啟動的應(yīng)急型，失電后首次恢復(fù)的供電時間應(yīng)為15～20 s；機組應(yīng)當(dāng)具備能夠時刻準(zhǔn)備自啟動工作并能連續(xù)自啟動3次成功投入的能力；柴油機宜采用高速及廢氣渦輪增壓型，啟動方式宜采用蓄電池后備電源啟動，冷卻方式應(yīng)采用閉式循環(huán)水冷卻；此外，發(fā)電機宜采用快速反應(yīng)的勵磁系統(tǒng)，采用星形連接的接線方式，并能引出中性點［3-5］。

使用柴油發(fā)電機作為黑啟動電源的核心問題是如何確定發(fā)電機容量。雖然柴油發(fā)電機作為黑啟動電源已經(jīng)在電力建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用，但其容量的選擇方法卻并不明確，結(jié)合設(shè)計規(guī)程中對于保安負(fù)荷起作用的備用柴油發(fā)電機組容量計算公式、工程實例及文獻(xiàn)報刊中提及的選型方式總結(jié)出一套較為完善簡潔的容量選擇方式。下面以我國西部某工程為例，具體說明該黑啟動柴油發(fā)電機容量的選型方式［6］。

1　黑啟動負(fù)荷啟動順序及啟動容量

某3×150MW工程循環(huán)流化床空冷機組的啟動順序見表1，系統(tǒng)基本情況及符號說明見表2。根據(jù)負(fù)載清單、啟動順序、關(guān)鍵負(fù)載的詳細(xì)參數(shù)等，按照DL/T 5153—2014《火力發(fā)電廠廠用電設(shè)計技術(shù)規(guī)定》計算黑啟動柴油發(fā)電機組的容量，參考理論計算結(jié)果，對整套黑啟動系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，利用優(yōu)化后的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)及性能指標(biāo)對黑啟動方案進(jìn)行校驗，以驗證最終結(jié)果滿足優(yōu)化方案的設(shè)計要求。

表1　黑啟動的負(fù)荷啟動順序及啟動容量

表2　系統(tǒng)基本情況及符號說明

2　黑啟動柴油發(fā)電機組容量選擇

1）計算全部負(fù)載正常運行時的負(fù)荷容量。

式中：Sd為柴油發(fā)電機組的額定容量，kVA。

經(jīng)計算，得Sd=9 918 kVA。黑啟動柴油發(fā)電機組的連續(xù)輸出容量應(yīng)不小于Sd，因此，需要選擇的柴油發(fā)電機組的額定容量Sd≥9 918 kVA。

2）根據(jù)發(fā)電機短時過負(fù)荷能力計算發(fā)電機組容量。以發(fā)電機帶負(fù)荷啟動一臺最大容量電動機的短時過負(fù)荷能力為校驗依據(jù)，校驗要求為：

式中：Se為柴油發(fā)電機組的額定容量，kVA；Sd為全負(fù)載定長運行時的總?cè)萘?，kVA，取式（1）的計算結(jié)果；K為換算系數(shù)，取0.8；KOL為柴油發(fā)電機短時過負(fù)荷系數(shù)。一般情況下，發(fā)電機在熱狀態(tài)下，能承受150%Se，時間為15 s，則可取1.5，當(dāng)制造商有明確數(shù)據(jù)時，可按實際情況選用。在該項目中可取1.5。

項目工程中電動機水泵的啟動方式為啟動電壓偏大的直接啟動，計算所得的容量值較串聯(lián)電抗器、自耦變壓器、軟啟動等降壓啟動方式偏大，因此經(jīng)計算，該工程中需滿足的電動機短時過負(fù)荷容量為Se≥15 545 kVA，在額定功率因數(shù)為0.8的情況下柴油發(fā)電機組的額定功率Pe≥12 436 kW。

3）根據(jù)加載時允許的電壓降來限定柴油發(fā)電機組容量。在整個黑啟動過程中，為使母線段上的運行電動機少受影響，限定最大電動機啟動時的電壓不低于額定電壓的75%為宜，在該項目中要求的系統(tǒng)允許壓降為15%，即啟動時電壓不低于額定電壓的85%。由于發(fā)電機空載啟動電動機所引起的母線電壓降低比有載啟動時更為嚴(yán)重［7］，因此取發(fā)電機空載啟動作為校驗工況。根據(jù)DL/T 5153—2014《火力發(fā)電廠廠用電設(shè)計技術(shù)規(guī)定》，電動機起動時的母線電壓為

式中：X′d為發(fā)電機的暫態(tài)電抗（標(biāo)么值）。

發(fā)電機的暫態(tài)電抗應(yīng)取暫態(tài)電抗與次暫態(tài)電抗的平均值，經(jīng)驗值可以取0.2。經(jīng)計算，在電壓降為15%時，Se=20 000 kVA。事實上，系統(tǒng)啟動這臺最大功率電動機時達(dá)到的是該最大負(fù)載的功率因數(shù)（0.86），而不是系統(tǒng)的平均功率因數(shù)（0.8），因此式（3）是不準(zhǔn)確的，經(jīng)過修正得到：

將式（4）整理：

經(jīng)計算，當(dāng)壓降為15%時所需的發(fā)電機組容量Se=15 814 kVA，因此柴油發(fā)電機組的額定功率需滿足Pe≥12 651 kW。

根據(jù)以上計算，初步制定3種柴油發(fā)電機起動方案，見表3。

3　黑啟動柴油機輸出功率的復(fù)核

由于不同地區(qū)的電廠及變電站所處的自然環(huán)境有所差異，當(dāng)實際使用地點的環(huán)境條件異于標(biāo)準(zhǔn)使用條件時，對柴油機輸出功率應(yīng)按式（6）修正。

式中：Px為實際輸出功率，kW；Pr為標(biāo)準(zhǔn)使用條件（海拔高度0m，空氣溫度20℃）下的輸出功率，kW；α為海拔高度和空氣溫度綜合修正系數(shù)，由產(chǎn)品制造廠提供。

根據(jù)KTA50、QSK60系列柴油發(fā)動機組技術(shù)參數(shù)，修正后的柴發(fā)選型方案容量計算如表4所示。

發(fā)電機起動過程中，一定會出現(xiàn)尖峰負(fù)荷時刻，當(dāng)大功率電動機起動時過大的負(fù)荷會導(dǎo)致系統(tǒng)電壓和頻率降低，為了滿足負(fù)荷的需求，發(fā)電機將會發(fā)生過載現(xiàn)象，因此按尖峰負(fù)荷來校驗發(fā)電機容量是十分必要的。根據(jù)《工業(yè)與民用設(shè)計手冊》中公式［8］：

表3　柴油發(fā)電機組選型方案

表4　修正后的柴油發(fā)電機選型方案

式中：Kj為因尖峰負(fù)荷造成電壓、頻率降低而導(dǎo)致電動機功率下降的系數(shù)，一般取0.9～0.95；KG為發(fā)電機允許短時過載系數(shù)，一般取1.4～1.6；Sm為最大的單臺電動機或成組電動機的啟動容量，kVA；Pm為Sm的有功功率，kW；Qm為Sm的無功功率，kvar。式中Sm僅代表最大的單臺電動機或成組電動機的啟動容量，沒有考慮發(fā)電機需要同時載荷的其他負(fù)荷，因此將該式（7）作為計算尖峰時刻發(fā)電機容量的依據(jù)欠妥。另外，為了給柴油發(fā)電機留有足夠的余量，將其他負(fù)荷單獨劃出，認(rèn)為其處于正常運行狀態(tài)不受發(fā)電機過載現(xiàn)象的影響，最終公式修改為：

式中：∑Sn-m表示除去最大單臺電動機或成組電動機外，其他負(fù)荷總?cè)萘?，需要注意的是該式中Pm代表最大起動負(fù)荷容量，與式（7）中不同，二者為相差啟動電流倍數(shù)的關(guān)系。應(yīng)用到該工程中，得出尖峰負(fù)荷時刻需要的容量不小于16 886 kVA的結(jié)果，因此3種方案都滿足最終條件，但從經(jīng)濟效益上講，由于柴油發(fā)電機價格隨容量的增加遞增非?？?，1.6MW柴油發(fā)電機的價格幾乎為1.2MW的兩倍，具體費用見表4，經(jīng)綜合考量該工程最終選用方案1。

4　結(jié)語

針對目前工程中對黑啟動柴油發(fā)電機組容量選擇方法煩瑣、無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的弊端，通過計算全部負(fù)載正常運行時的負(fù)荷容量、發(fā)電機短時過負(fù)荷能力及加載時允許的母線電壓降進(jìn)行選型，通過校驗尖峰時刻發(fā)電機容量需求及環(huán)境系數(shù)修正進(jìn)行復(fù)核的方式選型，具體柴油發(fā)電機組選型與校驗流程如圖1所示。結(jié)合工程實例，驗證了該方法的合理性，對工程實踐有較好的指導(dǎo)意義。

但每一項工程都有其獨一性，不同的柴油發(fā)電機制造廠所生產(chǎn)的柴油機型號及設(shè)備參數(shù)也有所區(qū)別，因此在計算過程中需要充分了解工程的實際需求，并且參照所選廠家提供的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行計算選型。

圖1　柴油發(fā)電機組選型與校驗流程

［1］熊惠敏，房鑫炎，郁惟慵，等.電力系統(tǒng)全網(wǎng)停電后的恢復(fù)——黑啟動綜述［J］電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，1999，22（3）：12-17.

［2］袁振邦，秦鵬，李漢峰，等.4×150MW燃煤發(fā)電廠黑啟動柴油發(fā)電機組選型研究［J］.廣東電力，2012，25（3）：44-47.

［3］NAGATA T，SASAKI H.A Multi-agent Approach to Power System Restoration［J］.IEEE Trans on Power Systems，2002，l7（2）：457-462.

［4］劉雋，李興源，許秀芳.互聯(lián)電網(wǎng)的黑啟動策略及相關(guān)問題［J］.電力系統(tǒng)自動化，2004，28（5）：93-97.

［5］張強，高明，張力強，等.大同電網(wǎng)利用小火電機組黑啟動方案［J］.電力系統(tǒng)自動化，2003，27（12）：75-77.

［6］DL/T 5153—2014火力發(fā)電廠廠用電設(shè)計技術(shù)規(guī)定［S］.

［7］童西強.黑啟動柴油發(fā)電機組啟動電壓分析及容量的選擇［J］.電力建設(shè)，2007，28（1）：39-42.

［8］中國航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計研究院.工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊（3版）［M］.北京：中國電力出版社，2011.

Capacity Calculation and Selection of Black Start-up Diesel Generator Unit for Coal-fired Power Plant

LIShiguang，LIZimeng，GAO Zhengzhong，SONG Sensen，XIAO Jiayi
（College of Electrical Engineering and Automation，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China）

When the power grid system has been stopped due to the failure the recovery ofwhole power system can be realized through the proper black start-up model.Diesel generator units are often selected as the black start-up power of a coal-fired power plant.In this paper，the selection of the diesel generator is introduced，the capacity of the diesel generator unit is summarized and adjusted in present technical regulations.Finally，the brief and reasonable type-selecting scheme of generator capacity is summarized，which is built on the calculation of the load capacity while normal operation，the short-time overload capacity of generator and the permissible bus voltage drop while loading.The scheme is checked by the capacity requirementof generator in the peak time and the environmental coefficientmodification.Combined with the actual situation，the new scheme is applied to the capacity selection of the diesel generator unit in 3×150MW coal-fired power plant，and the rationality of the scheme is verified.

diesel generator unit；black start-up；bus voltage drop；peak load

TM621.3

A

1007－9904（2016）03－0064－04

2016-01-04

李世光（1962），男，高級工程師，主要研究方向為電力系統(tǒng)、變頻技術(shù)、計算機控制技術(shù)及其在工礦企業(yè)的應(yīng)用。