燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組黑啟動(dòng)方案探討

余旭翔1 , Denicourt Franck2

（1.通用電氣中國(guó)有限公司全球項(xiàng)目部,上海,201203; 2.通用電氣有限公司全球項(xiàng)目部,貝爾福,法國(guó)）

摘要:不同電廠(chǎng)的黑啟動(dòng)方案由于機(jī)型和系統(tǒng)接線(xiàn)的差異而千差萬(wàn)別。但黑啟動(dòng)過(guò)程設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵因素如黑啟動(dòng)負(fù)荷加載順序、黑啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組選型、死母線(xiàn)合閘、孤島運(yùn)行控制等卻有著原理一致性和可歸納性?；?E機(jī)組的黑啟動(dòng)成功案例，闡述燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)電廠(chǎng)黑啟動(dòng)必須考慮的重要負(fù)荷順序以及黑啟動(dòng)柴油機(jī)的選型計(jì)算過(guò)程。對(duì)死母線(xiàn)合閘、孤島運(yùn)行控制等黑啟動(dòng)方案中關(guān)鍵步驟進(jìn)行原理描述和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，并介紹了優(yōu)化方法和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，提醒需要注意的特殊環(huán)節(jié)，為今后黑啟動(dòng)方案設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：燃?xì)廨啓C(jī);黑啟動(dòng);柴油發(fā)電機(jī)組;死母線(xiàn)合閘;孤島運(yùn)行

中圖分類(lèi)號(hào) ： TM611.24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 ： B 文章編號(hào)：1009-2889（2012）01-0000-00

Discussions on Black Start of Gas Turbine Generator Unit

YU Xu-xiang1, Denicourt Franck2

(1.Global Project Organization ,General Electric China co.LTD, Shanghai 201203，China; 2.Global Project Organization ,General Electric co.LTD,Belfort,France )

Abstract: The Black Start schemes are various depending on different machine types and electrical configurations. However, the key considerations like black start load profile, black start diesel generator sizing, dead bus closure and island operation are commonly applicable with similar philosophy for different projects. Basing on a successful black start case of 9E project, the paper introduces the key load sequence and an example of black start diesel generator sizing process. It also illustrates the philosophy of dead bus closure, island operation control, and other studies relevant to black start procedure. It also shares the valuable optimization practice and site experience, as well as highlights special aspects in order to provide reference for future black start scheme design.

Key words：gas turbine; black start; diesel generator unit; dead bus closure; island operation

黑啟動(dòng)是在黑網(wǎng)或丟失外部電力的情況下以恢復(fù)電站供電的過(guò)程。其作為緊急方案來(lái)給區(qū)域電網(wǎng)恢復(fù)供電。電網(wǎng)的大面積黑電事故使電網(wǎng)對(duì)電廠(chǎng)的黑啟動(dòng)能力日益重視。由于電網(wǎng)在黑啟動(dòng)機(jī)組的啟動(dòng)時(shí)間、加載限制和輔助系統(tǒng)上的額外要求,不是所有的機(jī)型都適合黑啟動(dòng)。

燃?xì)廨啓C(jī)能夠快速啟動(dòng)、寬幅加載和靈敏響應(yīng)，電站設(shè)計(jì)上稍加改進(jìn)就可以成為合格的黑啟動(dòng)電站。在緊急情況下，可由就地的黑啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電來(lái)提供必要廠(chǎng)用電源以實(shí)現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)。

由于燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)型眾多，同一機(jī)型也有單軸多軸等不同配置，同時(shí)系統(tǒng)接線(xiàn)方式也不相同，所以不同電廠(chǎng)的黑啟動(dòng)方案間千差萬(wàn)別而缺少系統(tǒng)性總結(jié)和歸納。但黑啟動(dòng)方案中的關(guān)鍵因素如負(fù)荷清單和加載順序、黑啟動(dòng)柴油機(jī)的選型和計(jì)算、死母線(xiàn)合閘、孤島運(yùn)行控制等卻有著原理一致性和可歸納性。以下逐一闡述幾個(gè)方面。

1 電廠(chǎng)黑啟動(dòng)負(fù)荷

一般的燃?xì)廨啓C(jī)電廠(chǎng)都需要黑啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)在外部黑網(wǎng)時(shí)來(lái)提供電力給輔助電氣設(shè)備以保證燃?xì)廨啓C(jī)的順利啟動(dòng)。考慮到柴油發(fā)電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，不可能所有負(fù)荷都聯(lián)接到黑啟動(dòng)電源上。往往要進(jìn)行篩選而只留下關(guān)鍵負(fù)荷即黑啟動(dòng)負(fù)荷，例如必要的燃料供給和冷卻系統(tǒng)等。

由于機(jī)型和系統(tǒng)配置以及廠(chǎng)用電接線(xiàn)的差異，不同電廠(chǎng)的黑啟動(dòng)負(fù)荷差別很大。例如，有些使用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)燃?xì)鈮嚎s機(jī)的電站,該電動(dòng)機(jī)就占了很大負(fù)荷比重；對(duì)于需要氮清吹和置換的低熱值燃?xì)鈾C(jī)組,需要考慮氮?dú)庀到y(tǒng)負(fù)荷；對(duì)于單軸的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，還要考慮汽輪機(jī)啟動(dòng)時(shí)的冷卻蒸汽系統(tǒng)負(fù)荷等等。

簡(jiǎn)而言之，黑啟動(dòng)負(fù)荷的選擇必須因廠(chǎng)而異，其核心標(biāo)準(zhǔn)是必須滿(mǎn)足燃?xì)廨啓C(jī)啟機(jī)時(shí)的工藝和控制要求。

1．1 無(wú)需黑啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)的6B系列燃?xì)廨啓C(jī)

需要特別指出,由于6B系列燃?xì)廨啓C(jī)可配備柴油機(jī)作為起動(dòng)裝置，而且配有蓄電池供電的直流盤(pán)車(chē)棘輪泵、直流潤(rùn)滑油泵、及黑啟動(dòng)逆變器以提供點(diǎn)火器電源；因此，即使在不配備柴油發(fā)電機(jī)的情況下，6B 燃?xì)廨啓C(jī)仍然可以獨(dú)自實(shí)現(xiàn)從低速盤(pán)車(chē)到高速盤(pán)車(chē)一直到點(diǎn)火加速的一系列黑啟動(dòng)過(guò)程。

由于配有蓄電池供電的直流盤(pán)車(chē)棘輪泵，6B 燃?xì)廨啓C(jī)可以在黑網(wǎng)情況下保持低速盤(pán)車(chē)并隨時(shí)啟機(jī)。但在黑啟動(dòng)情況下，必須通過(guò)調(diào)節(jié)直流潤(rùn)滑油泵的可調(diào)勵(lì)磁電阻來(lái)提高油壓，使之高于壓力開(kāi)關(guān)63QT (潤(rùn)滑油壓力低跳閘)。同時(shí)啟動(dòng)程序也必須進(jìn)行相應(yīng)修改，使燃?xì)廨啓C(jī)黑啟動(dòng)依托于應(yīng)急直流潤(rùn)滑油泵，而不是正常的輔助交流潤(rùn)滑油泵。

配備柴油機(jī)作為起動(dòng)裝置的6B系列燃?xì)廨啓C(jī)由于不需要黑啟動(dòng)柴油機(jī)，而使黑啟動(dòng)方案更加經(jīng)濟(jì)和方便。在必要時(shí)該型燃?xì)廨啓C(jī)也可作為黑啟動(dòng)電廠(chǎng)的黑啟動(dòng)電源，以替代大容量的黑啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)。

1．2 黑啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)

除了上文提及的使用柴油機(jī)作為起動(dòng)裝置的6B系列燃?xì)廨啓C(jī)外，其他類(lèi)型燃?xì)廨啓C(jī)都需要黑啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)來(lái)提供電力給中壓?jiǎn)?dòng)裝置和重要的低壓負(fù)荷如潤(rùn)滑油、密封油及必要的風(fēng)機(jī)等實(shí)現(xiàn)黑啟動(dòng)。由于費(fèi)用原因，黑啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)不宜設(shè)計(jì)過(guò)大，但必須滿(mǎn)足重要輔助設(shè)備運(yùn)行要求。

客戶(hù)往往希望燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)能限制某些不必要的燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷如風(fēng)機(jī)等在黑啟動(dòng)過(guò)程運(yùn)行來(lái)減少黑啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)的耗電,從而能使用經(jīng)濟(jì)節(jié)省的柴油發(fā)電機(jī)。但燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)不會(huì)為此而另外設(shè)計(jì)整個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的啟動(dòng)程序。不過(guò)，我們可以人為地或利用DCS來(lái)操控某些負(fù)荷使之成為不同的時(shí)間序列，以避免啟動(dòng)電流的疊加，由此來(lái)減少柴油發(fā)電機(jī)的尖峰負(fù)荷。

1．2．1 負(fù)荷順序表

以下為整個(gè)電廠(chǎng)的負(fù)荷順序表：

　順序 0: 已在線(xiàn)的不受控負(fù)荷，和母線(xiàn)同時(shí)帶電 ；

順序1: 母線(xiàn)帶電后10s內(nèi)投入；

順序2: 母線(xiàn)帶電后10s到1min內(nèi)投入；

順序3: 燃?xì)廨啓C(jī)馬達(dá)控制中心已存在的負(fù)荷，和母線(xiàn)同時(shí)帶電；

順序4: 輪控盤(pán)控制的負(fù)荷，啟動(dòng)令時(shí)立即啟動(dòng)；

順序5: 輪控盤(pán)控制的負(fù)荷，點(diǎn)火時(shí)立即啟動(dòng)；

順序6: 輪控盤(pán)控制的負(fù)荷，轉(zhuǎn)速達(dá)到14HS （95% 滿(mǎn)轉(zhuǎn)速）時(shí)立即啟動(dòng)。

1．2．2黑啟動(dòng)必要的電站負(fù)荷

在燃?xì)廨啓C(jī)所帶的輔助負(fù)荷之外，黑啟動(dòng)還必須考慮必要的電廠(chǎng)輔助負(fù)荷。表1為典型9E多軸聯(lián)合循環(huán)電站的黑啟動(dòng)負(fù)荷（低壓）清單。注意：燃?xì)廨啓C(jī)馬達(dá)控制中心（MCC）提供的負(fù)荷為燃?xì)廨啓C(jī)所帶的輔助負(fù)荷。在該方案中，電廠(chǎng)的必要設(shè)備在燃?xì)廨啓C(jī)MCC受電前先受電。

表1 典型9E多軸聯(lián)合循環(huán)電廠(chǎng)黑啟動(dòng)負(fù)荷清單

 

順序	設(shè)備描述	配備數(shù)量/運(yùn)行數(shù)量	供電方/控制方	功率/kW  *
0	DCS（分布式控制系統(tǒng)） 電源以及電池充電機(jī)	1	電站配電盤(pán)/不受控	60/0.8/20
0	余熱鍋爐閥的配電	1	電站配電盤(pán)/DCS控制	15
0	照明	17	電站配電盤(pán)/不受控	15
0	控制室空調(diào)	2	電站配電盤(pán)/不受控	5
1	開(kāi)式循環(huán)冷卻水泵和風(fēng)機(jī)	2/1	電站配電盤(pán)/DCS控制	500/0.8/6
1	閉式循環(huán)冷卻水泵和風(fēng)機(jī)	2/1	電站配電盤(pán)/DCS控制	100/0.8/6.8
2	燃料為天燃?xì)獾膲嚎s機(jī)	1	電站配電盤(pán)/DCS控制	950/0.8/3.5 （天燃?xì)鈮嚎s機(jī)帶軟啟動(dòng)器 ）
2	擋板門(mén)冷卻風(fēng)機(jī)	2/1	電站配電盤(pán)/DCS控制	22
2	儀表氣	1	電站配電盤(pán)/DCS控制	28
2	消防泵	1	電站配電盤(pán)/DCS控制	3
2	防凍伴熱	1	電站配電盤(pán)/DCS控制	5
3	燃?xì)廨啓C(jī)400/230VAC 配電變壓器	1	燃機(jī)馬達(dá)控制中心/不受控	40/0.8/15
3	二氧化碳裝置	燃機(jī)馬達(dá)控制中心/不受控	2.4
3	必要的加熱器 滑油加熱器23QT, 輔機(jī)間加熱器23HAs, 發(fā)電機(jī)加熱器23HGs 以及管道伴熱	多個(gè)	燃機(jī)馬達(dá)控制中心/不受控	110
3	就地燃?xì)廨啓C(jī)控制室空調(diào)	2/1	燃機(jī)馬達(dá)控制中心/不受控	10
3	燃?xì)廨啓C(jī)蓄電池充電機(jī)	2/1	燃機(jī)馬達(dá)控制中心/不受控	15
4	88QA 輔助潤(rùn)滑油泵電動(dòng)機(jī)	1	燃機(jī)馬達(dá)控制中心/輪控盤(pán)控制	90/0.92/7.9
4	88HQ 輔助液壓油泵電動(dòng)機(jī)	1	燃機(jī)馬達(dá)控制中心/輪控盤(pán)控制	15/0.92/6.5
4	88TG 盤(pán)車(chē)電動(dòng)機(jī) (4% 全轉(zhuǎn)速前運(yùn)行)	1	燃機(jī)馬達(dá)控制中心/輪控盤(pán)控制	30/0.8/6.5
4	88TM 液力變扭器調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)	1	燃機(jī)馬達(dá)控制中心/輪控盤(pán)控制	1.5
4	88QV 油氣分離器電動(dòng)機(jī)	1	燃機(jī)馬達(dá)控制中心/輪控盤(pán)控制	18.5
4	88QB 發(fā)電機(jī)頂軸油泵電動(dòng)機(jī)	2/1	燃機(jī)馬達(dá)控制中心/輪控盤(pán)控制	18.5
4	88VL 燃?xì)饽K通風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)	2/1	燃機(jī)馬達(dá)控制中心/輪控盤(pán)控制	4
4	88BT 輪間冷卻風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)(14HR 0.31% 全轉(zhuǎn)速后運(yùn)行)	2/1	燃機(jī)馬達(dá)控制中心/輪控盤(pán)控制	37/0.87/6.5
5	88VG 齒輪間冷卻風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)	2/1	燃機(jī)馬達(dá)控制中心/輪控盤(pán)控制	18.5
6	88TK 燃?xì)廨啓C(jī)框架冷卻風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)	2/2	燃機(jī)馬達(dá)控制中心/輪控盤(pán)控制	45+45(2號(hào)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)延后幾秒)/0.92 /6.6
6	勵(lì)磁變壓器 (當(dāng)死母線(xiàn)合閘時(shí)去電)	1	燃機(jī)馬達(dá)控制中心/輪控盤(pán)控制	5

注：* 對(duì)于30kW以上負(fù)荷須標(biāo)明功率因數(shù)和啟動(dòng)電流倍數(shù)(PF和 Is/In)
表中未含中壓（6kV）啟動(dòng)電機(jī)88CR負(fù)荷。

1.3 燃?xì)廨啓C(jī)的啟動(dòng)裝置類(lèi)型
一般來(lái)說(shuō) ,6FA、 7FA 、 9E、9FA/B 系列燃?xì)廨啓C(jī)都配備變頻啟動(dòng)器或中壓?jiǎn)?dòng)電機(jī)來(lái)輔助燃?xì)廨啓C(jī)在脫扣前能高速盤(pán)車(chē)，6B系列燃?xì)廨啓C(jī)一般配置中壓?jiǎn)?dòng)電機(jī)或柴油機(jī)作為啟動(dòng)裝置。
具體配備取決于燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和系統(tǒng)的扭矩要求，見(jiàn)表2。

表2 各種機(jī)型啟動(dòng)裝置配置表

 

變頻啟動(dòng)裝置SFC(LCI)	啟動(dòng)電機(jī)
普通6B 系列燃?xì)廨啓C(jī)	√
6FA系列燃?xì)廨啓C(jī)	√
7FA系列燃?xì)廨啓C(jī)	√
9E 系列燃?xì)廨啓C(jī)	√
9E 帶軸驅(qū)動(dòng)的燃?xì)鈮嚎s機(jī)	√
9FA/B系列燃?xì)廨啓C(jī)	√

注：表中“√”為該機(jī)型所配置的起動(dòng)裝置。

燃?xì)廨啓C(jī)的啟動(dòng)裝置負(fù)荷是電站的主要的，往往也是最大的電負(fù)荷，是黑啟動(dòng)柴油機(jī)的考慮重點(diǎn)和選型計(jì)算關(guān)鍵。

1．3．1 中壓?jiǎn)?dòng)電機(jī)88CR

啟動(dòng)電機(jī)88CR 普遍應(yīng)用于 6B 和 9E 型（無(wú)軸驅(qū)動(dòng)的燃?xì)鈮嚎s機(jī)）。

下面以9E燃?xì)廨啓C(jī)為例說(shuō)明啟動(dòng)電機(jī)88CR的工作過(guò)程：在啟動(dòng)電機(jī)88CR和燃?xì)廨啓C(jī)主軸間設(shè)有液力變扭器，通過(guò)調(diào)節(jié)液壓油的壓力及液力變扭器葉輪導(dǎo)角來(lái)調(diào)節(jié)傳送的力矩，變扭器葉輪導(dǎo)角初始位置在扭矩最大狀態(tài)。在88CR帶電兩秒后（延時(shí)目的是使電機(jī)無(wú)載啟動(dòng)），液力變扭器電磁閥20TU–1帶電使油注入液力變扭器，同時(shí)扭力傳送到燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子開(kāi)始拖動(dòng)。當(dāng)達(dá)到清吹轉(zhuǎn)速14HM（10%全轉(zhuǎn)速）時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)變扭器葉輪導(dǎo)角，使燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速提高并維持在清吹轉(zhuǎn)速來(lái)排出熱通道的可燃煙氣。清吹后20TU失電排去部分傳動(dòng)油。當(dāng)轉(zhuǎn)速跌至14HM以下時(shí)20TU再次帶電然后機(jī)組開(kāi)始升速，速度超過(guò)14HM時(shí)開(kāi)始注油和點(diǎn)火。點(diǎn)火成功后，液力變扭器導(dǎo)葉打開(kāi)至合適角度使燃?xì)廨啓C(jī)加速至自持轉(zhuǎn)速（大約為燃?xì)廨啓C(jī)額定轉(zhuǎn)速的60%），此時(shí)，20TU失電液力變扭器泄油使燃?xì)廨啓C(jī)和起動(dòng)系統(tǒng)脫扣，啟動(dòng)電機(jī)退出工作。其余順序不在此詳述，我們主要關(guān)心啟動(dòng)電機(jī)88CR從帶電到脫扣階段的負(fù)荷特性，作為黑啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)選型的重要依據(jù)。圖１為典型的燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)特性曲線(xiàn)圖。

 圖1 燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)特性曲線(xiàn)圖

當(dāng)啟動(dòng)電機(jī)88CR作為啟動(dòng)裝置時(shí)，其在啟動(dòng)階段最高有6.8倍啟動(dòng)電流，功率因數(shù)大約為0.3，3s內(nèi)電機(jī)達(dá)到全轉(zhuǎn)速。由于啟動(dòng)期間的沖擊電流需要電源提供足夠的kVA容量，以維持電壓降不低于額定的80%，否則過(guò)低的電壓將導(dǎo)致扭力不足而無(wú)法啟動(dòng)，并會(huì)致使電機(jī)過(guò)熱，所以88CR啟動(dòng)時(shí)電壓降是重要考慮因素之一。同時(shí),在燃?xì)廨啓C(jī)點(diǎn)火成功暖機(jī)結(jié)束后的加速階段, 啟動(dòng)電機(jī)88CR會(huì)達(dá)到峰值負(fù)荷1450kW。這對(duì)柴油機(jī)也是個(gè)不小的考驗(yàn)。

在一些情況下，為減小88CR啟動(dòng)時(shí)所需的kVA容量，會(huì)使用軟啟動(dòng)裝置來(lái)限定啟動(dòng)電流倍數(shù)為3～4。然而，啟動(dòng)電流的減小會(huì)降低電機(jī)啟動(dòng)力矩，88CR無(wú)法在3s內(nèi)達(dá)到全速，而需要更長(zhǎng)時(shí)間（一般為5s）。在燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)順序無(wú)任何修改的情況下，20TU的按時(shí)投入會(huì)使啟動(dòng)電機(jī)在未達(dá)全轉(zhuǎn)速時(shí)帶載燃?xì)廨啓C(jī)軸負(fù)荷，從而導(dǎo)致啟動(dòng)電機(jī)無(wú)法提供額定出力而使啟動(dòng)失敗。

解決該問(wèn)題的方法有兩種：一是延后20TU帶電使變扭器稍遲一些注油（2s延為5s），從而使電機(jī)有足夠時(shí)間自起動(dòng)；二是通過(guò)88TM手動(dòng)調(diào)節(jié)變扭器葉輪導(dǎo)角，減小88CR自加速階段的阻力來(lái)幫助其自起動(dòng)。

此外，6B系列燃?xì)廨啓C(jī)只通過(guò)20TU而不設(shè)液力變扭器葉輪導(dǎo)葉調(diào)節(jié)，而使用變頻器啟動(dòng)的6F/7F/9F機(jī)型由于本身為變頻啟動(dòng)而不設(shè)液力變扭器系統(tǒng)。

1.3.2 變頻啟動(dòng)裝置

使用可控硅進(jìn)行整流和逆變，變頻啟動(dòng)裝置（LCI或SFC）能把固定頻率的交流電變?yōu)楦鞣N所需頻率。通過(guò)該裝置給發(fā)電機(jī)倒送電，能把發(fā)電機(jī)當(dāng)作電動(dòng)機(jī)使用從而拖動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)。

燃?xì)廨啓C(jī)速度曲線(xiàn)和圖1一致，所不同的是LCI在90%全轉(zhuǎn)速時(shí)才脫扣，而且LCI尖峰負(fù)荷發(fā)生在40%全轉(zhuǎn)速時(shí)，大約持續(xù)4min時(shí)間。

和88CR啟動(dòng)裝置相比，LCI 本身為變頻啟動(dòng)不需液力變扭器系統(tǒng)，從而節(jié)省了費(fèi)用和維修空間。且沒(méi)有大的啟動(dòng)電流和kVA要求，因此電壓降不是主要因素，此時(shí)LCI尖峰負(fù)荷是設(shè)計(jì)主要依據(jù)。但是，LCI是非線(xiàn)性負(fù)荷會(huì)給系統(tǒng)電源帶來(lái)諧波污染，諧波污染會(huì)導(dǎo)致電機(jī)和變壓器等過(guò)熱，所以在黑啟動(dòng)柴油機(jī)設(shè)計(jì)中諧波污染應(yīng)當(dāng)適當(dāng)考慮。

特別指出的是，因?yàn)長(zhǎng)CI只在燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)的30min內(nèi)使用，所以根據(jù)諧波污染的規(guī)范IEEE 519，諧波畸變率可超出允許值的50%。在此限定下，部分廠(chǎng)家的高脈沖LCI能滿(mǎn)足IEEE 519的限定要求。不能滿(mǎn)足的也不意味著在啟動(dòng)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)故障，這是因?yàn)榇蟛糠挚刂苾x器都由直流或不間斷電源UPS供電，而這些與受到諧波污染的廠(chǎng)用電是相對(duì)隔離的。但與廠(chǎng)用電直接相連的設(shè)備，如充電機(jī)和電機(jī)等,要確保在諧波畸變率20%內(nèi)短時(shí)不至于損壞。

2 電廠(chǎng)黑啟動(dòng)柴油機(jī)設(shè)計(jì)

2.1黑啟動(dòng)柴油機(jī)設(shè)計(jì)選型

1) 柴油機(jī)類(lèi)型

黑啟動(dòng)柴油機(jī)應(yīng)為四沖程，其優(yōu)勢(shì)在于簡(jiǎn)單可靠的潤(rùn)滑油系統(tǒng)。

2) 持續(xù)負(fù)荷

發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定出力應(yīng)高于所供電的持續(xù)連接負(fù)荷。

3) 最大電機(jī)或電機(jī)組啟動(dòng)時(shí)的電壓降要求

黑啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)要保證其電壓必須高于負(fù)荷要求的電壓限制值。電機(jī)的起動(dòng)扭矩與電壓的百分比的平方成正比例關(guān)系。例如，電壓降到80%時(shí)，其啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩只有64%。

2.2 經(jīng)濟(jì)性考慮

由于黑啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組價(jià)格比較昂貴，所以設(shè)計(jì)中盡可能地減小容量和優(yōu)化配置以節(jié)約費(fèi)用，主要途徑有：

1)發(fā)電機(jī)kVA容量盡量大于柴油機(jī)容量

由于柴油機(jī)容量在費(fèi)用上的影響大于發(fā)電機(jī)，而且，在選型中往往柴油機(jī)容量能滿(mǎn)足啟動(dòng)和持續(xù)有功功率要求而發(fā)電機(jī)不能滿(mǎn)足電壓降的kVA要求，我們可以發(fā)電機(jī)kVA容量盡量大于柴油機(jī)容量，而不是標(biāo)準(zhǔn)的配套配置。

2)多機(jī)組并行

黑啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組的費(fèi)用不隨容量的變大呈正比例增長(zhǎng)，而是越大時(shí)增長(zhǎng)越快。所以可以采用小容量多機(jī)組并聯(lián)的方式。而且，小機(jī)組的啟動(dòng)成功率遠(yuǎn)大于大機(jī)組。缺點(diǎn)是要考慮小機(jī)組并行的同期系統(tǒng)和負(fù)荷分配。

3)過(guò)載能力和強(qiáng)勵(lì)

由于交流發(fā)電機(jī)可以短時(shí)過(guò)載運(yùn)行，也能承受短時(shí)高溫，可以采用其過(guò)負(fù)荷能力盡量減小柴油發(fā)電機(jī)組的容量。一般柴油機(jī)在冷機(jī)狀況下有120% 運(yùn)行1h的過(guò)負(fù)荷能力。如果增加柴油機(jī)排氣冷卻器，可以在費(fèi)用增加不多的情況下提高出力50%，也是一個(gè)不錯(cuò)的選擇方案。

另外，使用快速可靠響應(yīng)的勵(lì)磁控制系統(tǒng)，在電壓降落時(shí)快速反應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)勵(lì)，從而改善電壓降和減小發(fā)電機(jī)需要容量，也是很好的經(jīng)濟(jì)型方案。該方案需要軟件模擬以確認(rèn)其暫態(tài)調(diào)節(jié)能力。

2.3 黑啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)案例

使用1.2.1節(jié)的負(fù)荷順序表來(lái)驗(yàn)證9E燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組使用兩臺(tái)1800kW/2250kVA（對(duì)應(yīng)柴油機(jī)/發(fā)電機(jī)）的黑啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組能否滿(mǎn)足燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的啟動(dòng)要求。黑啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組的參數(shù)如下：X’d直軸瞬態(tài)電抗標(biāo)么值為0.20,功率因數(shù)PF=0.80 滯后，過(guò)載能力20s內(nèi)200%，1h內(nèi)110%。突加負(fù)荷限制值為60%。

2.3.1穩(wěn)定負(fù)荷

PG1=a×(P1/η1+ P2/η2+….+ Pn/ηn )/cos ?g= a×Wl/Cos ?g (1)

式中，Cos ?g-柴油發(fā)電機(jī)功率因數(shù)；Wl-所需負(fù)荷的累加值 ，kW；α-考慮的同時(shí)系數(shù) (為1.0)；P -電動(dòng)機(jī)軸功率，kW；η-效率。

當(dāng)88CR 在尖峰負(fù)荷1450kW 時(shí)發(fā)生在暖機(jī)后加速期間, 考慮其余在線(xiàn)負(fù)荷（順序0至順序5負(fù)荷，注意加熱器啟機(jī)前退出，而且88TG在加速期間已退出）累計(jì)為 1973.4kW, 所以PG1=4279kVA（說(shuō)明：柴油發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)為0.80）

結(jié)論：2臺(tái)1800kW/2250kVA滿(mǎn)足要求。

2.3.2電壓降:

由于電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)的差異，所以無(wú)法精確計(jì)算發(fā)生的電壓降。然而可根據(jù)通用的計(jì)算方法如下:

PG2=[(1- ΔE)/ΔE]×X’d× QL (2)

式中，ΔE-發(fā)電機(jī)端允許的電壓降 ，%；X’d -直軸瞬態(tài)電抗標(biāo)么值；QL-啟動(dòng)最大電動(dòng)機(jī)時(shí)所需容量，kVA。

88CR啟動(dòng)瞬間,QL=4.4×1000/0.89=4944　kVA，使用 20% 允許電壓降,根據(jù)起動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)特性曲線(xiàn),20%電壓降時(shí)啟動(dòng)電流倍數(shù)為4.4倍,PG2=3955　kVA。

結(jié)論：2臺(tái)1800kW/2250kVA滿(mǎn)足要求。

由于大型電機(jī)帶電瞬間的過(guò)程比較復(fù)雜,帶電瞬間電機(jī)電抗為直軸超瞬態(tài)電抗(X”d),然后轉(zhuǎn)變?yōu)橹陛S瞬態(tài)電抗(X’d),最后為穩(wěn)定的直軸電抗(Xd),單純用直軸瞬態(tài)電抗(X’d)來(lái)計(jì)算其瞬態(tài)電壓降相對(duì)保守。在柴油發(fā)電機(jī)廠(chǎng)家同意情況下，可以使用(X’d+ X”d)/2來(lái)替代X’d來(lái)進(jìn)行校驗(yàn)計(jì)算，這樣對(duì)柴油發(fā)電機(jī)容量要求可以適當(dāng)降低。

2.3.3最大負(fù)載:

PG3=(ΣW0+QLmaxcos ??)/(Kcos ?g)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(3)

式中，ΣW0-最大電動(dòng)機(jī)外的其他負(fù)載總和,kW；cos ??- 最大電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的功率因數(shù)，此處為88CR取0.3；cos ?g -柴油發(fā)電機(jī)功率因數(shù)，此處為0.80；K-過(guò)負(fù)荷系數(shù) (1.1)；QLmax-最大電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)容量 ,kVA。

最大負(fù)載88CR 加載發(fā)生在啟動(dòng)令發(fā)出時(shí), 考慮其余在線(xiàn)負(fù)荷（順序0至順序4負(fù)荷，注意加熱器啟機(jī)前退出，而且88TG在88CR啟動(dòng)后退出）。

QLmax Cos??= 1000/0.89×4.4×0.3=1483kW, ΣW0=1955kW（從順序0至4累計(jì)為1955kW），故PG3=3907kVA

結(jié)論：2臺(tái)1800kW/2250kVA滿(mǎn)足要求。

3黑啟動(dòng)過(guò)程中燃?xì)廨啓C(jī)的死母線(xiàn)合閘

3.1 死母線(xiàn)合閘目的

當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)在黑啟動(dòng)柴油機(jī)的供電情況下啟機(jī)并到全速空載時(shí)，由于母線(xiàn)側(cè)依然沒(méi)電所以不能進(jìn)行正常同期操作。在此時(shí)就需要死母線(xiàn)合閘給主變送電并恢復(fù)廠(chǎng)用電，從而替換下黑啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)。

由于主變低壓側(cè)阻抗小，而且在初充時(shí)由于電磁還未建立，所以會(huì)導(dǎo)致巨大的沖擊電流而導(dǎo)致電氣保護(hù)動(dòng)作引起黑啟動(dòng)失敗。

3.2 死母線(xiàn)合閘原理

解決方案是在合發(fā)電機(jī)出口開(kāi)關(guān)（52G）時(shí)去掉發(fā)電機(jī)勵(lì)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(fā)電機(jī)電壓及主變電壓至額定值。

死母線(xiàn)合閘前運(yùn)行人員要確保母線(xiàn)為不帶電狀態(tài)，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(hào)接入DCS后送至燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)作為允許“死母線(xiàn)合閘”的閉鎖信號(hào)。

一旦選擇死母線(xiàn)合閘模式，勵(lì)磁就處于關(guān)斷狀態(tài)，這時(shí)候發(fā)電機(jī)電壓會(huì)逐漸下降，其速率和發(fā)電機(jī)時(shí)間常數(shù)相關(guān)。當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓降至10%并維持5ｓ時(shí)，控制盤(pán)給出報(bào)警“機(jī)組準(zhǔn)備死母線(xiàn)合閘”，這時(shí)候運(yùn)行員在操作臺(tái)站人機(jī)界面（HMI）上按下“合閘”按鈕，52G合閘并逐漸升壓。如果在去磁28ｓ內(nèi)發(fā)電機(jī)電壓未降至10%，該次死母線(xiàn)合閘將自動(dòng)取消。

由于母線(xiàn)是否帶電至關(guān)重要，所以三相都必須有電壓繼電器監(jiān)測(cè),其電壓狀態(tài)信號(hào)連接至輪控盤(pán)參與聯(lián)鎖。

4 燃?xì)廨啓C(jī)黑啟動(dòng)成功后的孤島運(yùn)行

4.1 燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)的孤島運(yùn)行控制

發(fā)電機(jī)出口開(kāi)關(guān)合閘后，廠(chǎng)用電帶電與黑啟動(dòng)柴油機(jī)同期切換，燃?xì)廨啓C(jī)獨(dú)自帶著廠(chǎng)用電運(yùn)行。這時(shí)候發(fā)電機(jī)既不連電網(wǎng)也不連接其他發(fā)電機(jī)組運(yùn)行在孤島方式，若廠(chǎng)用電數(shù)值在燃?xì)廨啓C(jī)額定負(fù)荷的10%～90%，其控制方式為無(wú)差控制方式，以維持機(jī)組運(yùn)行在限定的運(yùn)行轉(zhuǎn)速上而不是電網(wǎng)的頻率。該控制方式使得燃?xì)廨啓C(jī)能夠從電網(wǎng)分開(kāi)并能承擔(dān)小的無(wú)大幅變化的負(fù)荷。在該方式下，無(wú)差控制能自動(dòng)調(diào)節(jié)燃?xì)廨啓C(jī)出力以確保燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行在設(shè)定轉(zhuǎn)速。當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速低于設(shè)定時(shí)，表明出力低于負(fù)荷而需要提高預(yù)選負(fù)荷設(shè)定值，反之若燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速高于設(shè)定時(shí)，表明出力高于負(fù)荷而需要降低預(yù)選負(fù)荷設(shè)定值。

若廠(chǎng)用電數(shù)值在燃?xì)廨啓C(jī)額定負(fù)荷的10%以?xún)?nèi)，其控制方式為廠(chǎng)用電負(fù)荷控制方式。其和無(wú)差調(diào)節(jié)的主要區(qū)別在于用設(shè)定好的負(fù)荷點(diǎn)燃料值來(lái)穩(wěn)定和維持高壓開(kāi)關(guān)打開(kāi)后的孤島轉(zhuǎn)速，而不是無(wú)差調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)速跟蹤。由于該狀態(tài)下廠(chǎng)用電負(fù)荷較小，燃?xì)廨啓C(jī)有足夠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和調(diào)節(jié)能力使其孤島轉(zhuǎn)速維持在不大的波動(dòng)范圍內(nèi)。

以上兩種控制方式由電廠(chǎng)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)信號(hào)啟動(dòng)。由于各電廠(chǎng)電氣單線(xiàn)圖不一樣，所以決定是否“孤島”的開(kāi)關(guān)也不相同。典型方案里，我們定義發(fā)電機(jī)中壓出口開(kāi)關(guān)閉合而主變高壓側(cè)出口開(kāi)關(guān)打開(kāi)為孤島啟動(dòng)信號(hào)。

燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)一旦接受到該啟動(dòng)信號(hào)，便自動(dòng)切換到孤島運(yùn)行控制方式，根據(jù)轉(zhuǎn)速來(lái)匹配負(fù)荷出力。而一旦遠(yuǎn)方開(kāi)關(guān)合上，啟動(dòng)信號(hào)消失，燃?xì)廨啓C(jī)便切換到與電網(wǎng)并聯(lián)時(shí)使用的有差調(diào)節(jié)方式。

4.2 孤島時(shí)的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制

在孤島運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)的負(fù)荷特性取決于廠(chǎng)用電負(fù)荷本身，所以不能使用功率因數(shù)控制方式，而應(yīng)使用電壓調(diào)節(jié)方式，其根據(jù)實(shí)測(cè)電壓與設(shè)定電壓的偏差動(dòng)態(tài)調(diào)整勵(lì)磁，使電壓水平維持在設(shè)定范圍內(nèi)。需要注意的是，如果電廠(chǎng)中聯(lián)結(jié)有大的容性負(fù)荷可能會(huì)引起發(fā)電機(jī)自激磁而導(dǎo)致過(guò)電壓，這時(shí)建議使用手動(dòng)勵(lì)磁控制并投入系統(tǒng)穩(wěn)定器以防止自激振蕩。

5.其他的一些注意事項(xiàng)

電廠(chǎng)設(shè)計(jì)黑啟動(dòng)方案時(shí)，必須有完善的實(shí)施程序，并且通過(guò)對(duì)黑啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)控制、發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)使用軟件建模進(jìn)行模擬驗(yàn)證該過(guò)程。黑啟動(dòng)電廠(chǎng)對(duì)系統(tǒng)充電的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)過(guò)程分析，條件許可的情況下也應(yīng)通過(guò)模擬驗(yàn)證。應(yīng)包含如下內(nèi)容：

- 電壓的控制和仿真

- 送電線(xiàn)路容性電流帶載分析

- 燃?xì)廨啓C(jī)出力和負(fù)荷匹配

- 潮流分布研究

- 電網(wǎng)規(guī)范的確認(rèn)

- 系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS仿真

當(dāng)電廠(chǎng)往黑電的送電線(xiàn)路送電時(shí)，較大的容性負(fù)荷會(huì)起發(fā)電機(jī)自激磁而導(dǎo)致過(guò)電壓和系統(tǒng)振蕩，建議在開(kāi)始時(shí)候投入感性電抗，使用手動(dòng)勵(lì)磁控制并投入系統(tǒng)穩(wěn)定器。這些措施可有效幫助發(fā)電機(jī)迅速穩(wěn)定從而成功地給系統(tǒng)送電。

在操作流程方面,在黑啟動(dòng)中啟動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)前要確認(rèn)燃?xì)廨啓C(jī)所配蓄電池是否已充電完畢。在未完全充電的情況下，若啟動(dòng)失敗或燃?xì)廨啓C(jī)跳閘，直流系統(tǒng)將無(wú)法滿(mǎn)足安全停機(jī)要求而造成燃?xì)廨啓C(jī)損害。

6 結(jié)語(yǔ)

電廠(chǎng)的黑啟動(dòng)能力日益受到重視,而燃?xì)廨啓C(jī)由于其有利的啟動(dòng)加載和控制特性上的優(yōu)勢(shì),尤其是豐富的黑啟動(dòng)經(jīng)驗(yàn)和可靠性,成為黑啟動(dòng)電廠(chǎng)的主力機(jī)型。

文中主要工作為電廠(chǎng)的黑啟動(dòng)系統(tǒng)包括柴油發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算、死母線(xiàn)合閘及孤島運(yùn)行機(jī)制，闡述和解釋相關(guān)問(wèn)題。由于現(xiàn)代仿真的日益進(jìn)步，很多步驟可使用仿真軟件進(jìn)行驗(yàn)證及計(jì)算。具體的仿真過(guò)程不在此詳述，仿真所采用的正確模型為無(wú)差控制而非有差控制，電壓調(diào)節(jié)而非功率因數(shù)調(diào)節(jié)，PSS模型也需要考慮等等。

電廠(chǎng)孤島運(yùn)行后向電網(wǎng)充電的“系統(tǒng)黑啟動(dòng)”過(guò)程有待進(jìn)一步研究與完善。

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