高壓柴油發電機組在港口項目中的應用

柴治國，汪作凡

（中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣州510230）

1 引言

隨著水運港口行業的快速發展，以及高自動化用電設備的應用，對供電可靠性的要求不斷提高，特別是針對國外項目，如非洲、東南亞等基礎設施相對落后的地域，社會電網相對匱乏，無法滿足港口碼頭設備用電需求。因此，為滿足作業設備的可靠性供電需求，越來越多的碼頭項目中需要設置柴油發電機組。

碼頭10kV進線電源一般引自同一變電站，滿足不了系統雙回路電源供電的可靠性，而從不同變電站引入雙回路電源十分困難且造價高。考慮到設備成本及施工便捷性等因素，小型油碼頭、重件配套碼頭等用電設備較少的工程主要采用低壓柴油發電機組，大型工業園、自貿區以及集裝箱碼頭等項目中，用電設備較大且作業頻繁，應考慮采用高壓柴油發電機組作為備用電源系統。

本文結合巴基斯坦瓜達爾自由區起步區項目的工程實踐，討論在水運港口項目中使用高壓柴油發電機組的可行性，進而推廣高壓柴油發電機組在水運港口項目中的應用。

2 發電機系統容量選擇

發電機系統容量是柴油發電機組供電系統的核心環節，需要考慮的因素較多，如要滿足消防負荷容量需求、滿足電機啟動時電流沖擊、滿足季節性負荷運行需求等，這些都需要進行準確的負荷計算才能確定。另外，柴油發電機組功能不同，選擇容量時參考的數據亦不相同，如柴油發電機組作為消防電源備用電源時，僅需考慮消防時消防負荷以及重要負荷即可，消防時需要切除的負荷不需要考慮；柴油發電機組作為常用電源時，則需要考慮系統所有用電負荷。

2.1 柴油發電機組容量選擇的原則

根據本工程實際情況，暫無外部電源作為本工程用電電源，即本工程柴油電機組系統是常用電源。在選擇確定柴油發電機組容量時，應遵循以下原則：

1）柴油發電機組的容量應根據用電負荷大小、投入順序及單臺發電機組最大啟動容量等因素綜合考慮【1】。

2）校驗發電機的短時過載能力時，應選用發電機組最大視在功率。

3）不考慮短時不連續運行的負荷。

4）啟動時母線電壓不低于額定電壓的75%。

2.2 發電機系統容量計算確定

不同計算方式得出的發電機系統容量不同，具體如下：1）按照供電系統穩定負荷計算，見式（1）：

式中，pε為總負荷，kW；ηε為所帶負荷的綜合效率，一般取0.82～0.88；cosψ為功率因數，一般取0.8。

2）按尖峰電流計算，見式（2）：

式中，Kj為電動機功率下降的系數，一般取0.9～0.95；S0為Smax投入運行前已投入運行的負荷容量，kV·A；Smax為最大單臺電動機或成組電動機的啟動容量，kV·A；Kg為發電機允許的短時過載系數，一般取1.4～1.6。

3）按母線允許壓降計算，見式（3）：

巴基斯坦瓜達爾自由區起步區項目中，輸入各項用電負荷，通過計算得：Sc1=7 932kV·A，Sc2=3 637kV·A，Sc3=4 849kV·A。故選擇的發電機組總容量＞7 932kV·A即可。

考慮到發電機組并機問題，選擇的發電機臺數越少，系統運行故障率越低，可靠性越高，故應選擇單臺大容量發電機組。通過對比單臺發電機的各項參數，如發電機耗油量、機組尺寸等，同時考慮經濟性，柴油發電機組的主用功率選擇為1 250kW/1600kV·A，數量為5用1備。

3 發電機系統并機設計

本工程共有6臺高壓柴油發電機，并機系統是此發電機系統的重要環節，發電機系統有自同期和準同期2種并列方法。準同期并列法在發電機并機系統中被廣泛采用，其有手動、半自動及自動3種實現方式。在本工程中，采用的是自動準同期并列法。

本工程選用全自動并機控制屏，可與選定的柴油發電機組配套使用，控制多臺發電機組實現全自動并機運行。自動并機控制屏具有機組自動同步并車、自動負載分配、并機自動裝卸載、逆功保護、油機各故障保護、負載過載保護等一系列功能[2]。自動并機控制屏選用智能控制器，采用西門子工業PLC編程控制。全自動并機控制屏可實現以下功能。

3.1 自動并機

機組啟動成功后，并機柜受電；需要并機時，由同步器檢測信號，將需要并機機組的頻率和相位自動調節與母線一致，發出信號，完成并機。

3.2 自動分配負荷

當多臺機組并列運行，負荷分配器將作用控制器，根據機組以及用電負荷的功率平均分配每臺機組所帶負荷。

3.3 調峰

當多臺機組并聯運行時，可根據供電系統負荷率的大小，增減發電機機組的臺數，并根據用戶需求自行設定單臺機組負荷率。本工程設定為：若負荷率＜35%時，機組解列；若負荷率＞80%，增加機組，以使機組運行在最經濟的狀態。

4 發電機系統差動保護整定計算

本工程采用獨立的發電機系統作為整個工業園區的電源系統，發電機的安全穩定運行至關重要，決定整個工業園區用戶用電質量。為保證發電機系統運行的可靠性，同時降低發電機故障率，設置發動機差動保護。差動保護能否可靠動作取決于差動保護整定計算。如表1所示為發電機出廠參數。

表1 發電機性能參數表

根據發電機性能參數，結合本工程所在地環境以及當地電力系統一般運行規定，本工程發電機系統差動保護計算如下。

4.1 比率制動系數

比率制動系數Kz整定原則：應按躲過三相短路時產生的最大不平衡電流來整定。通常，對發電機差動保護0.3≤Kz≤0.5，根據實際情況，本工程取0.42。

4.2 差動保護啟動電流

啟動電流Iq整定原則：按照躲過正常工況下最大不平衡電路來整定；差動保護裝置中通道回路的調整誤差以及兩側電流互感器的變比誤差都會產生保護不平衡電流。本工程取

Iq=1.1A。

靈敏度校驗：靈敏系數Ksen為按照發電機端兩相短路時，短路電流與差動保護動作電流的比值，要求Ksen≥2【3】。經校驗，本工程Ksen=15≥2，靈敏度滿足要求。

4.3 拐點電流

差動保護開始產生制動作用的電流取決于拐點電流Ig的大小。本工程取Ig=1.94A，經校驗，Ksen=9.5≥2，靈敏度滿足要求。

4.4 差動速斷保護

差動速斷保護，應按躲過三相短路時最大不平衡差流來整定。為保證可靠，一般取差動速斷倍數為3～12，本工程取3。故速斷差動電流Is=8.3A，取8A；經校驗，Ksen=2.1≥2，靈敏度滿足要求。

表2所示為發電機差動保護整定值計算表，現場柴油發電機組及高低壓開關柜安裝完成后，可根據此整定值計算表進行校驗定值。

表2 發電機差動保護整定值計算表

5 結語

通過對11kV高壓發電機機組容量確定、設備選型、并機系統設計、差動保護整定計算等，完成了巴基斯坦瓜達爾自由區起步區項目中11kV高壓發電機獨立供電系統的設計。目前該項目已完成施工，通過現場試驗調試，結果表明發電機供電系統保證自貿區滿負荷供電，6臺發電機可以實現自動并機并且可以自動分配負荷，實現了本工程供電系統的預期功能。隨著高壓柴油發電機技術的不斷改進完善，相信高壓柴油發電機組在水運港口領域的應用會越來越廣泛。