火電廠黑啟動柴油發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 電氣與自動化工程學院，山東　青島　266590）

火電廠黑啟動柴油發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 電氣與自動化工程學院，山東青島266590）

當電網系統因故障停運后，通過恰當的黑啟動方式可以在短時間內實現該電網系統的恢復。柴油發電機組常被選為燃煤發電廠的黑啟動電源，文章闡述了柴油發電機的選型要求并對現有技術規程中柴油發電機組的容量選擇公式進行歸納，總結出一套簡潔合理的發電機容量選擇方案，即計算全部負載正常運行時的負荷容量、發電機短時過負荷能力及加載時允許的母線電壓降進行選型，以校驗尖峰時刻發電機容量需求及環境系數修正進行復核，并結合實際情況將該方案應用于3×150MW燃煤發電廠柴油發電機組容量選擇中，驗證了該方案的合理性。

柴油發電機；黑啟動；母線壓降；尖峰負荷

0　引言

黑啟動是指整個電網系統因故障停運后，不依賴其他電網絡的幫助，通過系統中具有自啟動能力機組的啟動，帶動無自啟動能力的機組，逐步擴大電力系統的供電恢復范圍，最終實現該電力系統恢復的過程［1］。

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

柴油發電機組的形式選擇需滿足以下要求：首先發電機組應采用快速自啟動的應急型，失電后首次恢復的供電時間應為15～20 s；機組應當具備能夠時刻準備自啟動工作并能連續自啟動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，冷卻方式應采用閉式循環水冷卻；此外，發電機宜采用快速反應的勵磁系統，采用星形連接的接線方式，并能引出中性點［3-5］。

使用柴油發電機作為黑啟動電源的核心問題是如何確定發電機容量。雖然柴油發電機作為黑啟動電源已經在電力建設中得到廣泛應用，但其容量的選擇方法卻并不明確，結合設計規程中對于保安負荷起作用的備用柴油發電機組容量計算公式、工程實例及文獻報刊中提及的選型方式總結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電機容量的選型方式［6］。

1　黑啟動負荷啟動順序及啟動容量

某3×150MW工程循環流化床空冷機組的啟動順序見表1，系統基本情況及符號說明見表2。根據負載清單、啟動順序、關鍵負載的詳細參數等，按照DL/T 5153—2014《火力發電廠廠用電設計技術規定》計算黑啟動柴油發電機組的容量，參考理論計算結果，對整套黑啟動系統進行優化，利用優化后的關鍵技術參數及性能指標對黑啟動方案進行校驗，以驗證最終結果滿足優化方案的設計要求。

表1　黑啟動的負荷啟動順序及啟動容量

表2　系統基本情況及符號說明

2　黑啟動柴油發電機組容量選擇

1）計算全部負載正常運行時的負荷容量。

式中：Sd為柴油發電機組的額定容量，kVA。

經計算，得Sd=9 918 kVA。黑啟動柴油發電機組的連續輸出容量應不小于Sd，因此，需要選擇的柴油發電機組的額定容量Sd≥9 918 kVA。

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

式中：Se為柴油發電機組的額定容量，kVA；Sd為全負載定長運行時的總容量，kVA，取式（1）的計算結果；K為換算系數，取0.8；KOL為柴油發電機短時過負荷系數。一般情況下，發電機在熱狀態下，能承受150%Se，時間為15 s，則可取1.5，當制造商有明確數據時，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電抗器、自耦變壓器、軟啟動等降壓啟動方式偏大，因此經計算，該工程中需滿足的電動機短時過負荷容量為Se≥15 545 kVA，在額定功率因數為0.8的情況下柴油發電機組的額定功率Pe≥12 436 kW。

3）根據加載時允許的電壓降來限定柴油發電機組容量。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允許壓降為15%，即啟動時電壓不低于額定電壓的85%。由于發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重［7］，因此取發電機空載啟動作為校驗工況。根據DL/T 5153—2014《火力發電廠廠用電設計技術規定》，電動機起動時的母線電壓為

式中：X′d為發電機的暫態電抗（標么值）。

發電機的暫態電抗應取暫態電抗與次暫態電抗的平均值，經驗值可以取0.2。經計算，在電壓降為15%時，Se=20 000 kVA。事實上，系統啟動這臺最大功率電動機時達到的是該最大負載的功率因數（0.86），而不是系統的平均功率因數（0.8），因此式（3）是不準確的，經過修正得到：

將式（4）整理：

經計算，當壓降為15%時所需的發電機組容量Se=15 814 kVA，因此柴油發電機組的額定功率需滿足Pe≥12 651 kW。

根據以上計算，初步制定3種柴油發電機起動方案，見表3。

3　黑啟動柴油機輸出功率的復核

由于不同地區的電廠及變電站所處的自然環境有所差異，當實際使用地點的環境條件異于標準使用條件時，對柴油機輸出功率應按式（6）修正。

式中：Px為實際輸出功率，kW；Pr為標準使用條件（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，由產品制造廠提供。

根據KTA50、QSK60系列柴油發動機組技術參數，修正后的柴發選型方案容量計算如表4所示。

發電機起動過程中，一定會出現尖峰負荷時刻，當大功率電動機起動時過大的負荷會導致系統電壓和頻率降低，為了滿足負荷的需求，發電機將會發生過載現象，因此按尖峰負荷來校驗發電機容量是十分必要的。根據《工業與民用設計手冊》中公式［8］：

表3　柴油發電機組選型方案

表4　修正后的柴油發電機選型方案

式中：Kj為因尖峰負荷造成電壓、頻率降低而導致電動機功率下降的系數，一般取0.9～0.95；KG為發電機允許短時過載系數，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，沒有考慮發電機需要同時載荷的其他負荷，因此將該式（7）作為計算尖峰時刻發電機容量的依據欠妥。另外，為了給柴油發電機留有足夠的余量，將其他負荷單獨劃出，認為其處于正常運行狀態不受發電機過載現象的影響，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，其他負荷總容量，需要注意的是該式中Pm代表最大起動負荷容量，與式（7）中不同，二者為相差啟動電流倍數的關系。應用到該工程中，得出尖峰負荷時刻需要的容量不小于16 886 kVA的結果，因此3種方案都滿足最終條件，但從經濟效益上講，由于柴油發電機價格隨容量的增加遞增非常快，1.6MW柴油發電機的價格幾乎為1.2MW的兩倍，具體費用見表4，經綜合考量該工程最終選用方案1。

4　結語

針對目前工程中對黑啟動柴油發電機組容量選擇方法煩瑣、無統一標準的弊端，通過計算全部負載正常運行時的負荷容量、發電機短時過負荷能力及加載時允許的母線電壓降進行選型，通過校驗尖峰時刻發電機容量需求及環境系數修正進行復核的方式選型，具體柴油發電機組選型與校驗流程如圖1所示。結合工程實例，驗證了該方法的合理性，對工程實踐有較好的指導意義。

但每一項工程都有其獨一性，不同的柴油發電機制造廠所生產的柴油機型號及設備參數也有所區別，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參數進行計算選型。

圖1　柴油發電機組選型與校驗流程

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

［2］袁振邦，秦鵬，李漢峰，等.4×150MW燃煤發電廠黑啟動柴油發電機組選型研究［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.互聯電網的黑啟動策略及相關問題［J］.電力系統自動化，2004，28（5）：93-97.

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

［6］DL/T 5153—2014火力發電廠廠用電設計技術規定［S］.

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

［8］中國航空工業規劃設計研究院.工業與民用配電設計手冊（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、變頻技術、計算機控制技術及其在工礦企業的應用。