西門(mén)子9F級(jí)燃機(jī)黑啟動(dòng)配置方式探討

伍順發(fā)

（廣東能源集團(tuán)永安熱電天然氣有限公司，廣東 肇慶 526000）

1 引言

黑啟動(dòng)是指在整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)因故障停運(yùn)后，系統(tǒng)全部停電，處于全“黑”狀態(tài)，不依賴別的網(wǎng)絡(luò)幫助，通過(guò)電網(wǎng)系統(tǒng)中具有自啟動(dòng)能力的發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)，帶動(dòng)無(wú)自啟動(dòng)能力的發(fā)電機(jī)組，逐漸擴(kuò)大系統(tǒng)恢復(fù)范圍，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)的恢復(fù)。電網(wǎng)黑啟動(dòng)成功的關(guān)鍵是黑啟動(dòng)電源，燃?xì)廨啓C(jī)得益于其功率密度大、輔機(jī)功耗小、啟動(dòng)速度快的特點(diǎn)，在電網(wǎng)故障的情況下作為啟動(dòng)電源的選擇，燃機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)后，可在較短時(shí)間內(nèi)帶動(dòng)其自身的輔機(jī)，恢復(fù)負(fù)荷，恢復(fù)電網(wǎng)并啟動(dòng)其他發(fā)電設(shè)備。

2 黑啟動(dòng)的必要性

國(guó)內(nèi)電網(wǎng)由于結(jié)構(gòu)和調(diào)度模式，被許多人認(rèn)為不可能發(fā)生大面積停電事故，但是，2005年9月26日的海南省全省停電事故、2017年8月的第13號(hào)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“天鴿”正面襲擊廣東珠三角地區(qū)導(dǎo)致珠海地區(qū)電網(wǎng)大面積停電，證明這些大停電事故距離我們并不遙遠(yuǎn)。這些大面積停電事故往往是由于電網(wǎng)內(nèi)存在潛在的危險(xiǎn)因素，在某種誘發(fā)因素的作用下引起電網(wǎng)（局部）的瓦解或崩潰所造成。2017年8月23日，第13號(hào)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“天鴿”正面襲擊廣東珠三角地區(qū)，并在珠海市金灣區(qū)登陸，登陸時(shí)最大風(fēng)力達(dá)14級(jí)，刷新了1983年臺(tái)風(fēng)“愛(ài)倫”以來(lái)對(duì)珠三角影響最大的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度紀(jì)錄，給珠海地區(qū)帶來(lái)了嚴(yán)重的災(zāi)害，對(duì)電力供應(yīng)造成了巨大沖擊。在狂風(fēng)造成全網(wǎng)失壓、機(jī)組全停的很短時(shí)間內(nèi)，洪灣電廠在6min內(nèi)成功實(shí)現(xiàn)了黑啟動(dòng)柴油機(jī)帶廠用電，實(shí)際用時(shí)31min成功實(shí)現(xiàn)了1臺(tái)9E機(jī)組的黑啟動(dòng)，最后成功向珠海屏東站送電，為保障澳門(mén)和珠海地區(qū)供電作出重大貢獻(xiàn)。

3 某電廠基本情況

某電廠熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目建設(shè)2臺(tái)西門(mén)子F級(jí)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組。圖1為其廠用電系統(tǒng)接線示意圖。燃機(jī)發(fā)電機(jī)裝設(shè)出口斷路器，每臺(tái)機(jī)組設(shè)1臺(tái)高壓廠用變壓器，每臺(tái)機(jī)組設(shè)2段6kV段，6kV段的工作電源從對(duì)應(yīng)機(jī)組的高廠變低壓側(cè)引接，廠用電負(fù)荷按照機(jī)組供電。設(shè)置高壓備用變壓器，電源取自廠內(nèi)220kV配電裝置，為2套機(jī)組提供事故停機(jī)和備用電源。

圖1 廠用電系統(tǒng)接線示意圖

機(jī)組的黑啟動(dòng)負(fù)荷在下表1中詳細(xì)列出，在所有的負(fù)荷中，大部分是6kV負(fù)荷，還有小部分是燃機(jī)啟動(dòng)必備的燃?xì)?、油系統(tǒng)、水、盤(pán)車等低壓負(fù)荷。因此，黑啟動(dòng)方案考慮設(shè)置在6kV側(cè)，由6kV段向黑啟動(dòng)所需每臺(tái)機(jī)組的6kV負(fù)荷和380V負(fù)荷供電。

4 黑啟動(dòng)的基本要求

進(jìn)行黑啟動(dòng)的大致步驟如下。第一步：余熱鍋爐上水，余熱鍋爐上水需要的輔機(jī)是凝結(jié)水泵及高、中壓給水泵，鍋爐上水完成后，進(jìn)行啟機(jī)。黑啟動(dòng)階段凝結(jié)水泵的負(fù)荷率40%即可，凝結(jié)水泵、高壓給水泵按配置變頻啟動(dòng)計(jì)算。黑啟動(dòng)電源首次加載的電負(fù)荷依此計(jì)算。

第二步：?jiǎn)?dòng)燃?xì)廨啓C(jī)，此階段需要投入其余輔機(jī)、SFC以及給凝汽器提供冷卻水的循環(huán)水泵（最大容量的電動(dòng)機(jī)）等。機(jī)組轉(zhuǎn)速?gòu)?rpm到達(dá)500rpm后，燃燒室開(kāi)始吹掃大約5～10min，吹掃完畢后，開(kāi)始點(diǎn)火。達(dá)到2000rpm左右，SFC退出，由燃燒后的燃?xì)怛?qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)達(dá)到3000rpm。此時(shí)啟動(dòng)需要的輔機(jī)基本全部投入。黑啟動(dòng)電源應(yīng)校驗(yàn)帶負(fù)荷起動(dòng)1臺(tái)最大電動(dòng)機(jī)，即700kW的循環(huán)水泵電動(dòng)機(jī)的能力。

第三步：與發(fā)電機(jī)同步后，機(jī)組帶5%的負(fù)荷并網(wǎng)帶初始負(fù)荷，至此黑啟動(dòng)過(guò)程完成。

在鍋爐完全燒干，鍋爐上水耗時(shí)大約30min。若鍋爐尚有水，只是補(bǔ)水的話，則鍋爐上水耗時(shí)更短。從機(jī)組轉(zhuǎn)速0rpm到3000rpm歷時(shí)大約30min。因此，整個(gè)黑啟動(dòng)過(guò)程總用時(shí)長(zhǎng)大約不會(huì)超過(guò)1h。

經(jīng)計(jì)算，每臺(tái)機(jī)組的黑啟動(dòng)計(jì)算負(fù)荷約為7729.34kW，其中最大1臺(tái)啟動(dòng)電機(jī)循環(huán)水泵的容量為700kW，如表1所示。

表1 1臺(tái)機(jī)組黑啟動(dòng)負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

5 可選黑啟動(dòng)方案

目前，燃機(jī)黑啟動(dòng)方案有2種可供選擇，分別為設(shè)置多臺(tái)并聯(lián)柴油發(fā)電機(jī)組方案和設(shè)置儲(chǔ)能電池方案，2個(gè)方案內(nèi)容如下。方案一：2臺(tái)F級(jí)機(jī)組設(shè)4臺(tái)2000kW出口電壓為6kV的中速柴油發(fā)電機(jī)組，柴油機(jī)段為6kV段，引接電源至2套機(jī)組的廠用6kV段，為2套機(jī)組提供黑啟動(dòng)電源，柴油發(fā)電機(jī)組容量按2臺(tái)機(jī)組分時(shí)段黑啟動(dòng)選取。同時(shí)可考慮取消專設(shè)的低壓事故停機(jī)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)，將1臺(tái)黑啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組兼做事故停機(jī)保安電源使用。

方案二：蓄電池。2臺(tái)F級(jí)機(jī)組配置1套集裝箱鋰電池電網(wǎng)級(jí)電儲(chǔ)能系統(tǒng)。采用一拖二形式接入2套機(jī)組的廠用6kV母線段，為2套機(jī)組提供黑啟動(dòng)電源，儲(chǔ)能容量按2臺(tái)機(jī)組分時(shí)段黑啟動(dòng)選取。

2個(gè)方案均需在首次加載的設(shè)備配套變頻啟動(dòng)裝置啟用，以防止黑啟動(dòng)時(shí)最大1臺(tái)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)母線上的電壓水平降低超過(guò)規(guī)定值。

5．1 多臺(tái)并聯(lián)柴油機(jī)方案

1臺(tái)西門(mén)子F級(jí)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組燃機(jī)黑啟動(dòng)電源容量需要校核。在對(duì)柴油機(jī)的選型校驗(yàn)中，進(jìn)行了帶負(fù)荷起動(dòng)最大1臺(tái)電動(dòng)機(jī)時(shí)柴油發(fā)電機(jī)過(guò)負(fù)荷能力校驗(yàn)；起動(dòng)最大電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)母線上的電壓水平校驗(yàn)；實(shí)際使用地點(diǎn)的環(huán)境條件不同于標(biāo)準(zhǔn)使用條件時(shí)，對(duì)柴油機(jī)輸出功率的修正；持續(xù)1h運(yùn)行狀態(tài)下輸出功率校驗(yàn)以及柴油機(jī)的首次加載的負(fù)荷校驗(yàn)。由于每臺(tái)機(jī)組黑啟動(dòng)計(jì)算負(fù)荷約為7729.34kW，因此可選用4臺(tái)2000 kW的柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)進(jìn)行黑啟動(dòng)。并聯(lián)柴油發(fā)電機(jī)組黑啟動(dòng)接線方案，如圖2所示。

圖2 并聯(lián)柴油發(fā)電機(jī)組黑啟動(dòng)接線方案

5．2 儲(chǔ)能電池黑啟動(dòng)方案

儲(chǔ)能電池功率需滿足：（1）暫態(tài)峰值功率：廠用輔機(jī)設(shè)備包含大量的感性沖擊負(fù)載，如變壓器或工頻水泵，啟動(dòng)瞬間造成沖擊，引起電壓跌落；（2）穩(wěn)態(tài)峰值功率：SFC拖動(dòng)過(guò)程，整體用電功率達(dá)到最大，但變化相對(duì)平穩(wěn)。根據(jù)表1可知，循環(huán)水泵為最大功率輔機(jī)。循環(huán)水泵工頻啟動(dòng)過(guò)程中引起6～8倍啟動(dòng)電流，考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)等值阻抗較大，可按6倍額定電流考慮，另需考慮20%裕度。同時(shí)電池容量還需滿足單臺(tái)機(jī)組1次冷態(tài)啟動(dòng)不成功，另加1次熱態(tài)啟動(dòng)的電量需求。結(jié)合同類型容量電廠儲(chǔ)能項(xiàng)目可選用配置額定容量為20MW的儲(chǔ)能系統(tǒng)。該項(xiàng)目?jī)?chǔ)能電池黑啟動(dòng)接線方案，如圖3所示。

圖3 儲(chǔ)能電池黑啟動(dòng)接線方案

（1）通過(guò)4回路電纜接入廠側(cè)2套機(jī)組的A/B段母線，同時(shí)增加廠側(cè)母線段母聯(lián)開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)黑啟動(dòng)過(guò)程電源一體化；

（2）可實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)分別投入2套機(jī)組，同時(shí)提供輔助調(diào)頻服務(wù)；

（3）采用鈦酸鋰電池與磷酸鐵鋰電池組合方式，利用鈦酸鋰長(zhǎng)壽命特性，提供調(diào)頻過(guò)程大部分的電量貢獻(xiàn)率，降低鐵鋰電池磨損，從而延長(zhǎng)系統(tǒng)壽命。

儲(chǔ)能電池通過(guò)死母線合閘方式進(jìn)行黑啟動(dòng)。啟機(jī)過(guò)程如下：電池儲(chǔ)能系統(tǒng)零起升壓方式恢復(fù)廠用電，恢復(fù)范圍為機(jī)組 6kV 母線及 380V 母線。燃機(jī)按正常方式啟動(dòng)、升轉(zhuǎn)速至額定后，選擇死母線方式合燃機(jī)發(fā)電機(jī)GCB，燃機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)對(duì)燃機(jī)發(fā)電機(jī)、燃機(jī)主變、高廠變整體零起升壓至額定。完成上述工作后，同期方式合6kV母線工作電源開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)燃機(jī)與儲(chǔ)能系統(tǒng)并列運(yùn)行。同期方式：廠側(cè)6kV母線進(jìn)線開(kāi)關(guān)新增同期裝置，通過(guò)光纖下送同期調(diào)整信號(hào)，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電源自動(dòng)跟蹤燃機(jī)電源電壓，達(dá)到并網(wǎng)條件后指令合閘。

6 黑啟動(dòng)方案技術(shù)對(duì)比

方案一：4臺(tái)6kV 2000 kW的中速柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)進(jìn)行黑啟動(dòng)，方案可行。且可將其中1臺(tái)黑啟動(dòng)柴油機(jī)設(shè)置為快速啟動(dòng)柴油機(jī)，取消專設(shè)事故停機(jī)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)。

方案二：1套由10個(gè)2MW/2MWh儲(chǔ)能單元組成的20MW/20MWh集裝箱鋰電池電網(wǎng)級(jí)電儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行黑啟動(dòng)，方案可行。技術(shù)重點(diǎn)在于控制策略。通過(guò)合理的電池控制策略，可以實(shí)現(xiàn)恒壓恒頻放電，可以在負(fù)載功率因數(shù)較低的情況下消除諧振尖峰，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行；也可以通過(guò)功率分配策略實(shí)現(xiàn)PCS（儲(chǔ)能變流器）之間的功率均分。

7 結(jié)語(yǔ)

柴油機(jī)及鋰電池2種方案技術(shù)均可行。在電網(wǎng)全“黑”狀態(tài)時(shí)，進(jìn)行機(jī)組自啟動(dòng)，帶動(dòng)無(wú)自啟動(dòng)能力的機(jī)組，逐漸擴(kuò)大系統(tǒng)恢復(fù)范圍，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的恢復(fù)。配置的20MW/MWh儲(chǔ)能集裝箱鋰電池除了作為黑啟動(dòng)備用電源，在正常情況下也可用于聯(lián)合機(jī)組AGC調(diào)頻，電池功率/電量大小可以滿足調(diào)頻儲(chǔ)能需求。如果僅只考慮黑啟動(dòng)性能，柴油機(jī)比鋰電池投資更低，但設(shè)備利用率低，維護(hù)成本高，且使用重油燃料，污染重、噪音大、配套環(huán)保措施成本更高、投資收益低；如果統(tǒng)籌考慮項(xiàng)目黑啟動(dòng)兼調(diào)頻蓄能，儲(chǔ)能系統(tǒng)可在緊急情況下充當(dāng)黑啟動(dòng)備用電源，平時(shí)參與調(diào)頻輔助服務(wù)賺取收益，投資收益高。