燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)自備電廠黑啟動柴油發(fā)電機(jī)容量選擇

甘景純

( 中國輕工業(yè)長沙工程有限公司，湖南 長沙 410114)

0 引言

輕工造紙行業(yè)的自備電廠在我國煤炭消費(fèi)量中一直占有較大比例[1]。近年來，為落實(shí)綠色發(fā)展理念，燃煤自備電廠已逐步退出歷史舞臺，取而代之的是采用清潔能源的垃圾焚燒、固廢焚燒、以及燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)電廠。隨著造紙行業(yè)逐步邁向國外市場，國內(nèi)大型的造紙企業(yè)逐漸開始在東南亞地區(qū)興建造紙廠，如馬來西亞、印尼等國家。造紙廠除了需求大量電力能源外，蒸汽熱源也是造紙工藝流程中的重要能源消耗，所以燃煤自備電廠的建設(shè)一直都是造紙企業(yè)在新建項(xiàng)目時優(yōu)先重點(diǎn)考慮的。然而國家發(fā)改委在2018 年下發(fā)了《燃煤自備電廠規(guī)范建設(shè)和運(yùn)行專項(xiàng)治理方案(征求意見稿)》，對新建燃煤電廠采取嚴(yán)格限制措施，對已有違規(guī)建設(shè)燃煤自備電廠進(jìn)行清理，限期進(jìn)行環(huán)保及能耗改造，鼓勵發(fā)展清潔能源。燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)電廠在此環(huán)境下應(yīng)運(yùn)而生，不僅能滿足造紙廠電力負(fù)荷，還能產(chǎn)生大量飽和蒸汽，提供造紙生產(chǎn)過程中所需熱量，故在造紙行業(yè)中已逐步取代傳統(tǒng)燃煤電廠。

由于受國外上網(wǎng)政策影響及從用電成本考慮，大部分造紙廠內(nèi)的自備電廠均采用孤網(wǎng)運(yùn)行方式，多為一臺汽機(jī)+多臺燃機(jī)的組合配置模式，不與電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)。這就需要自備電廠穩(wěn)定性及可靠性較高，在機(jī)組出現(xiàn)故障造成全停事故后能夠?qū)㈦娏罢羝?fù)荷盡快恢復(fù)，最大程度地減少損失。聯(lián)合循環(huán)燃機(jī)電廠具有啟動快速、響應(yīng)靈敏等特點(diǎn)，熱態(tài)啟動時1 h 內(nèi)能帶滿負(fù)荷，冷態(tài)啟動時3 h 內(nèi)可帶滿負(fù)荷[2]。在全廠停電事故發(fā)生后，只需要提供必要的廠用電源便能在較短時間啟動燃機(jī)恢復(fù)供電。

1 黑啟動電源選擇

“黑啟動”是指在電網(wǎng)(廠)全停后通過具有自啟動能力發(fā)電機(jī)組或外來電源來帶動無自啟動能力的機(jī)組實(shí)現(xiàn)恢復(fù)供電。對于孤網(wǎng)運(yùn)行的自備電廠，可靠的黑啟動電源是保證自備電廠黑啟動的首要條件。配置黑啟動電源通常采用兩種方案：一種是從電網(wǎng)取備用電源，另一種是配備柴油發(fā)電機(jī)。但綜合國外電網(wǎng)的政策及現(xiàn)狀來看，從電網(wǎng)取得備用電源與配置黑啟動柴油發(fā)電機(jī)相比并不顯得經(jīng)濟(jì)，不僅需要單獨(dú)為此建設(shè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)換變電站，還要上交備用容量申請一次性費(fèi)用，初期投入成本較高，以后即使不使用每月也要上交一定額度的容量備用費(fèi)，而且備電申請手續(xù)十分繁瑣，故大部分造紙自備電廠均以柴油發(fā)電機(jī)做為黑啟動的啟動電源。

2 黑啟動柴油發(fā)電機(jī)組容量選擇及校核

柴油發(fā)電機(jī)組的功率是指發(fā)電機(jī)組端子處為用戶輸出的功率，不包括基本獨(dú)立輔助設(shè)備所吸收的電功率。根據(jù)目前現(xiàn)有設(shè)計(jì)規(guī)范及設(shè)計(jì)手冊，均未提供專用于黑啟動柴油發(fā)電機(jī)組容量選擇的詳細(xì)計(jì)算方法，大部分均是根據(jù)《火力發(fā)電廠廠用電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》[3]附錄D 中柴油發(fā)電機(jī)組的選擇相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行選擇及校核，盡管此部分計(jì)算主要針對電廠交流保安負(fù)荷柴油發(fā)電機(jī)的選擇計(jì)算，但對于黑啟動柴油發(fā)電機(jī)的選擇依然具有借鑒和參考意義。

2.1 工程實(shí)例計(jì)算

以國外某造紙廠燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)自備電廠1 臺15MW 汽機(jī)+2 臺42MW 燃機(jī)項(xiàng)目為實(shí)例來說明黑啟動柴油發(fā)電機(jī)組的選擇，計(jì)算主要依據(jù)《火力發(fā)電廠廠用電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》[3]附錄D 中的計(jì)算公式及方法并校驗(yàn)結(jié)果。

2.1.1 各階段負(fù)荷啟動順序

第一階段先啟動化學(xué)水系統(tǒng)，在制水完成后停止相關(guān)負(fù)荷；

第二階段啟動余熱鍋爐廠用電負(fù)荷，主要為余熱鍋爐低壓給水泵及高壓給水泵，在滿負(fù)荷運(yùn)行約3 h，鍋爐打滿水后停泵；

第三階段啟動燃機(jī)，其中需要先啟動天然氣增壓機(jī)使天然氣增壓到額定壓力時再啟動燃機(jī)，在燃機(jī)啟動10 min 內(nèi)，增壓機(jī)以約40%負(fù)荷運(yùn)行。然后再啟動燃機(jī)高壓啟動電機(jī)及相關(guān)輔機(jī)。需注意并非所有燃機(jī)都配置了高壓啟動電機(jī)，實(shí)例工程采用的是三菱日立H25 型燃機(jī)。

采用三菱日立H25 型燃機(jī)黑啟動時各階段負(fù)荷啟動順序及負(fù)荷計(jì)算，如表1 所示。

表1 黑啟動各階段負(fù)荷啟動順序及負(fù)荷計(jì)算表

續(xù)表

柴油發(fā)電機(jī)組負(fù)荷計(jì)算通常采用換算系數(shù)法。換算系數(shù)主要基于大量實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，是從實(shí)踐中統(tǒng)計(jì)分析而得的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。規(guī)范中的換算系數(shù)基本上來自于大容量機(jī)組多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，電機(jī)數(shù)量越多，計(jì)算結(jié)果相對更為準(zhǔn)確[3]。而對小型的自備電廠而言計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性較差，計(jì)算結(jié)果往往偏保守。在選擇換算系數(shù)時可以參考類似項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，也可借鑒需要系數(shù)法進(jìn)行綜合考慮。而軸功率法雖然準(zhǔn)確程度較高，但相比于換算系數(shù)法需要知道電機(jī)的軸功率、功率因數(shù)、效率值等參數(shù)，對于項(xiàng)目前期要收集這些參數(shù)較為困難，故在負(fù)荷計(jì)算時通常采用簡單、易算的換算系數(shù)法。

在進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算時，還要根據(jù)負(fù)荷投運(yùn)的實(shí)際情況，在各階段錯開運(yùn)行的負(fù)荷應(yīng)分開統(tǒng)計(jì)計(jì)算，只計(jì)算各階段中同時運(yùn)行的負(fù)荷，取各階段負(fù)荷大者為計(jì)算功率。

2.1.2 柴油發(fā)電機(jī)組的容量選擇[3]

式中：Sc為計(jì)算負(fù)荷，kVA，由表1 可以看出，第三階段的計(jì)算負(fù)荷最大為1 740.8 kVA；Pc為計(jì)算負(fù)荷的有功功率，kW；cosφc為計(jì)算負(fù)荷的功率因數(shù)，取0.86；

代入式(1)計(jì)算后得Pc= 1 497.09 kVA，

發(fā)電機(jī)的容量選擇滿足式(2)、式(3)兩個條件[3]：

式中：Se為發(fā)電機(jī)額定容量，kVA；代入式(2)后得Se≥1 740.8 kVA。

帶負(fù)荷啟動一臺最大容量的電動機(jī)時的短時過負(fù)荷能力：

式中：PDm為最大電動機(jī)的額定功率，kW，由表1 可以看出最大電動機(jī)的額定功率為1 000 kW；Kq為最大電動機(jī)的啟動電流倍數(shù)，本工程實(shí)例最大電動機(jī)采用軟起，啟動電流倍數(shù)取3.5；KOL為柴油發(fā)電機(jī)短時過負(fù)荷系數(shù)，取1.5；K為換算系數(shù)，取0.8。

代入式(3)計(jì)算后得Se≥3 543.87 kVA。

2.1.3 柴油機(jī)輸出功率復(fù)核[3]

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，初選某公司兩臺MGSCN2800HV柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行復(fù)核，主要參數(shù)如下：

電壓等級：11 kV

額定頻率：50 Hz

主用功率：2 000 kW / 2 500 kVA

備用功率：2 200 kW / 2 750 kVA

功率因數(shù)：0.8

發(fā)電機(jī)效率：97.1%

暫態(tài)電抗：X'd=17.4%

1)按實(shí)際使用地點(diǎn)的環(huán)境修正：

式中：Px為實(shí)際輸出功率，kW；Pr為標(biāo)準(zhǔn)使用條件下的輸出功率，kW，取2 臺柴油發(fā)電機(jī)主用功率4 000 kW；a為海拔和空氣濕度綜合修正系數(shù)，本工程實(shí)例取1；

代入式(4)計(jì)算后得Px=4 000 kW。

2)按持續(xù)1 h 運(yùn)行狀態(tài)下輸出功率校驗(yàn)：

式中：ηG為發(fā)電機(jī)效率，取0.971；β為柴油發(fā)電機(jī)組的功率配合系數(shù)，本工程實(shí)例取1.15；

代入式(5)計(jì)算后得Px≥1 611.88 kW。

3)柴油機(jī)的首次加載能力校驗(yàn)：

式中：∑P''eD為初始投入的負(fù)荷額定功率之和，kW，本工程實(shí)例為第一階段投入的電機(jī)額定功率之和627 kW；KQ為啟動負(fù)荷的電流倍數(shù)，取5；cosφQ為啟動負(fù)荷的功率因數(shù)，取0.4。

代入式(6)計(jì)算后得Px≥3 135 kW。

2.1.4 最大電動機(jī)啟動時母線的電壓水平校驗(yàn)

如圖1 所示，電動機(jī)啟動時的母線電壓可列式：

圖1 電動機(jī)啟動時等值電路圖

式中：U0為廠用母線空載電壓標(biāo)幺值，取U0=1；SL為最大電動機(jī)啟動時廠用母線已帶負(fù)荷以柴油發(fā)電機(jī)額定容量為基準(zhǔn)的標(biāo)幺值；Sq為最大電動機(jī)啟動負(fù)荷柴油發(fā)電機(jī)額定容量為基準(zhǔn)的標(biāo)幺值。

由于發(fā)電機(jī)空載啟動電動機(jī)所引起的母線電壓降比有載啟動更為嚴(yán)重，故取嚴(yán)重情況作為校驗(yàn)工況，式(7)可化簡為：

式中：Se為柴油發(fā)電機(jī)額定容量，kVA，為2 500 kVA；X'd為柴油發(fā)電機(jī)的暫態(tài)電抗標(biāo)幺值，X'd=X'd1=X'd2=0.174；cosφmηm為最大電機(jī)動的效率與功率因數(shù)的乘積，取0.8。

代入式(8)計(jì)算后得Um= 86.8%。

電動機(jī)的啟動扭矩與輸入電壓的平方成正比，為保證電機(jī)的正常啟動，電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩必須大于電機(jī)的阻轉(zhuǎn)矩。故在最大電動機(jī)啟動時，應(yīng)保證母線電壓不低于額定電壓的75%，考慮到由黑啟動柴油發(fā)電機(jī)母線段至黑啟動負(fù)荷電纜壓降損失[4]，宜不低于額定電壓的80%。選擇兩臺2 000 kW 柴油發(fā)電機(jī)滿足黑啟動負(fù)荷要求。

3 計(jì)算結(jié)果分析及優(yōu)化措施

3.1 主要影響因素

經(jīng)過工程實(shí)例的計(jì)算可以看出，影響柴油發(fā)電機(jī)容量選擇的主要因素有：

1)電動機(jī)的啟動方式對柴油發(fā)電機(jī)組容量的選擇造成直接影響；

2)黑啟動負(fù)荷必須要滿足燃?xì)鈾C(jī)組在啟機(jī)過程中的工藝要求；

3)最大電動機(jī)啟動時母線的壓降水平。

3.2 優(yōu)化措施

1)電機(jī)直接啟動時的啟動容量倍數(shù)為6～8倍；采用軟啟動時可以減小到2 ～3.5 倍；采用變頻啟動甚至可以減小到1 ～2 倍。在選擇柴油發(fā)電機(jī)時要根據(jù)具體情況分析，是考慮軟啟動或變頻啟動選擇較小容量的發(fā)電機(jī)，還是采用直接啟動選擇較大容量的發(fā)電機(jī)，要在進(jìn)行經(jīng)濟(jì)及技術(shù)對比后來最終確定；

2)黑啟動中燃機(jī)負(fù)荷的順序是按燃機(jī)啟動的要求確定的，但可以對一部分公用的負(fù)荷啟動順序進(jìn)行優(yōu)化。考慮將啟動容量大的電機(jī)優(yōu)先啟動，減少在同一時間內(nèi)啟動的電機(jī)數(shù)量，從而降低負(fù)荷啟動的峰值功率[5]，最大程度減小柴油發(fā)電機(jī)的計(jì)算容量；

3)在電動機(jī)啟動瞬間，母線電壓會因在發(fā)電機(jī)本身暫態(tài)電抗中產(chǎn)生損失而降低[6]，此時發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)還來不及調(diào)整。為使電動機(jī)能正常啟動，加載的電動機(jī)端子電壓至少應(yīng)保證能克服啟動轉(zhuǎn)矩，同時不影響柴油發(fā)電機(jī)母線上已帶負(fù)荷，規(guī)范要求母線壓降小于25%。為此，如前所述一方面調(diào)整電動機(jī)啟動方式；另一方面選擇暫態(tài)電抗較小，過負(fù)荷能力強(qiáng)的柴油發(fā)電機(jī)。此外，在計(jì)算過程中，考慮的為空載時最嚴(yán)重的情況，實(shí)際在最大電機(jī)啟動時，由于所接負(fù)載基本為旋轉(zhuǎn)電機(jī)，亦能向大負(fù)荷供給啟動電流，電源容量比選定值稍大，計(jì)算結(jié)果相對保守。建議在條件允許的情況進(jìn)行仿真分析，能更為準(zhǔn)確地選擇柴油發(fā)電機(jī)容量。

4 結(jié)語

黑啟動柴油發(fā)電機(jī)的選擇對于孤網(wǎng)運(yùn)行的燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)自備電廠來說非常重要，是保證電廠能夠在全停條件下迅速恢復(fù)供電的先決條件，從而減少企業(yè)因停電造成的經(jīng)濟(jì)損失。為此在設(shè)計(jì)過程中不僅要參照規(guī)范的計(jì)算方法詳細(xì)復(fù)核，同時在選擇柴油發(fā)電機(jī)時應(yīng)選取多個廠商的設(shè)備參數(shù)進(jìn)行對比，擇優(yōu)選擇能夠滿足黑啟動負(fù)荷條件的廠商。