西門子9F級燃機黑啟動配置方式探討

伍順發

（廣東能源集團永安熱電天然氣有限公司，廣東 肇慶 526000）

1 引言

黑啟動是指在整個電網系統因故障停運后，系統全部停電，處于全“黑”狀態，不依賴別的網絡幫助，通過電網系統中具有自啟動能力的發電機組啟動，帶動無自啟動能力的發電機組，逐漸擴大系統恢復范圍，最終實現整個電網系統的恢復。電網黑啟動成功的關鍵是黑啟動電源，燃氣輪機得益于其功率密度大、輔機功耗小、啟動速度快的特點，在電網故障的情況下作為啟動電源的選擇，燃機運轉后，可在較短時間內帶動其自身的輔機，恢復負荷，恢復電網并啟動其他發電設備。

2 黑啟動的必要性

國內電網由于結構和調度模式，被許多人認為不可能發生大面積停電事故，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號超強臺風“天鴿”正面襲擊廣東珠三角地區導致珠海地區電網大面積停電，證明這些大停電事故距離我們并不遙遠。這些大面積停電事故往往是由于電網內存在潛在的危險因素，在某種誘發因素的作用下引起電網（局部）的瓦解或崩潰所造成。2017年8月23日，第13號超強臺風“天鴿”正面襲擊廣東珠三角地區，并在珠海市金灣區登陸，登陸時最大風力達14級，刷新了1983年臺風“愛倫”以來對珠三角影響最大的臺風強度紀錄，給珠海地區帶來了嚴重的災害，對電力供應造成了巨大沖擊。在狂風造成全網失壓、機組全停的很短時間內，洪灣電廠在6min內成功實現了黑啟動柴油機帶廠用電，實際用時31min成功實現了1臺9E機組的黑啟動，最后成功向珠海屏東站送電，為保障澳門和珠海地區供電作出重大貢獻。

3 某電廠基本情況

某電廠熱電聯產項目建設2臺西門子F級聯合循環發電機組。圖1為其廠用電系統接線示意圖。燃機發電機裝設出口斷路器，每臺機組設1臺高壓廠用變壓器，每臺機組設2段6kV段，6kV段的工作電源從對應機組的高廠變低壓側引接，廠用電負荷按照機組供電。設置高壓備用變壓器，電源取自廠內220kV配電裝置，為2套機組提供事故停機和備用電源。

圖1 廠用電系統接線示意圖

機組的黑啟動負荷在下表1中詳細列出，在所有的負荷中，大部分是6kV負荷，還有小部分是燃機啟動必備的燃氣、油系統、水、盤車等低壓負荷。因此，黑啟動方案考慮設置在6kV側，由6kV段向黑啟動所需每臺機組的6kV負荷和380V負荷供電。

4 黑啟動的基本要求

進行黑啟動的大致步驟如下。第一步：余熱鍋爐上水，余熱鍋爐上水需要的輔機是凝結水泵及高、中壓給水泵，鍋爐上水完成后，進行啟機。黑啟動階段凝結水泵的負荷率40%即可，凝結水泵、高壓給水泵按配置變頻啟動計算。黑啟動電源首次加載的電負荷依此計算。

第二步：啟動燃氣輪機，此階段需要投入其余輔機、SFC以及給凝汽器提供冷卻水的循環水泵（最大容量的電動機）等。機組轉速從0rpm到達500rpm后，燃燒室開始吹掃大約5～10min，吹掃完畢后，開始點火。達到2000rpm左右，SFC退出，由燃燒后的燃氣驅動燃氣輪機達到3000rpm。此時啟動需要的輔機基本全部投入。黑啟動電源應校驗帶負荷起動1臺最大電動機，即700kW的循環水泵電動機的能力。

第三步：與發電機同步后，機組帶5%的負荷并網帶初始負荷，至此黑啟動過程完成。

在鍋爐完全燒干，鍋爐上水耗時大約30min。若鍋爐尚有水，只是補水的話，則鍋爐上水耗時更短。從機組轉速0rpm到3000rpm歷時大約30min。因此，整個黑啟動過程總用時長大約不會超過1h。

經計算，每臺機組的黑啟動計算負荷約為7729.34kW，其中最大1臺啟動電機循環水泵的容量為700kW，如表1所示。

表1 1臺機組黑啟動負荷統計

5 可選黑啟動方案

目前，燃機黑啟動方案有2種可供選擇，分別為設置多臺并聯柴油發電機組方案和設置儲能電池方案，2個方案內容如下。方案一：2臺F級機組設4臺2000kW出口電壓為6kV的中速柴油發電機組，柴油機段為6kV段，引接電源至2套機組的廠用6kV段，為2套機組提供黑啟動電源，柴油發電機組容量按2臺機組分時段黑啟動選取。同時可考慮取消專設的低壓事故停機應急柴油發電機，將1臺黑啟動柴油發電機組兼做事故停機保安電源使用。

方案二：蓄電池。2臺F級機組配置1套集裝箱鋰電池電網級電儲能系統。采用一拖二形式接入2套機組的廠用6kV母線段，為2套機組提供黑啟動電源，儲能容量按2臺機組分時段黑啟動選取。

2個方案均需在首次加載的設備配套變頻啟動裝置啟用，以防止黑啟動時最大1臺電機啟動時母線上的電壓水平降低超過規定值。

5．1 多臺并聯柴油機方案

1臺西門子F級燃氣-蒸汽聯合循環機組燃機黑啟動電源容量需要校核。在對柴油機的選型校驗中，進行了帶負荷起動最大1臺電動機時柴油發電機過負荷能力校驗；起動最大電動機起動時母線上的電壓水平校驗；實際使用地點的環境條件不同于標準使用條件時，對柴油機輸出功率的修正；持續1h運行狀態下輸出功率校驗以及柴油機的首次加載的負荷校驗。由于每臺機組黑啟動計算負荷約為7729.34kW，因此可選用4臺2000 kW的柴油發電機組并聯進行黑啟動。并聯柴油發電機組黑啟動接線方案，如圖2所示。

圖2 并聯柴油發電機組黑啟動接線方案

5．2 儲能電池黑啟動方案

儲能電池功率需滿足：（1）暫態峰值功率：廠用輔機設備包含大量的感性沖擊負載，如變壓器或工頻水泵，啟動瞬間造成沖擊，引起電壓跌落；（2）穩態峰值功率：SFC拖動過程，整體用電功率達到最大，但變化相對平穩。根據表1可知，循環水泵為最大功率輔機。循環水泵工頻啟動過程中引起6～8倍啟動電流，考慮儲能系統等值阻抗較大，可按6倍額定電流考慮，另需考慮20%裕度。同時電池容量還需滿足單臺機組1次冷態啟動不成功，另加1次熱態啟動的電量需求。結合同類型容量電廠儲能項目可選用配置額定容量為20MW的儲能系統。該項目儲能電池黑啟動接線方案，如圖3所示。

圖3 儲能電池黑啟動接線方案

（1）通過4回路電纜接入廠側2套機組的A/B段母線，同時增加廠側母線段母聯開關，實現黑啟動過程電源一體化；

（2）可實現儲能系統分別投入2套機組，同時提供輔助調頻服務；

（3）采用鈦酸鋰電池與磷酸鐵鋰電池組合方式，利用鈦酸鋰長壽命特性，提供調頻過程大部分的電量貢獻率，降低鐵鋰電池磨損，從而延長系統壽命。

儲能電池通過死母線合閘方式進行黑啟動。啟機過程如下：電池儲能系統零起升壓方式恢復廠用電，恢復范圍為機組 6kV 母線及 380V 母線。燃機按正常方式啟動、升轉速至額定后，選擇死母線方式合燃機發電機GCB，燃機勵磁系統對燃機發電機、燃機主變、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母線工作電源開關，實現燃機與儲能系統并列運行。同期方式：廠側6kV母線進線開關新增同期裝置，通過光纖下送同期調整信號，實現儲能電源自動跟蹤燃機電源電壓，達到并網條件后指令合閘。

6 黑啟動方案技術對比

方案一：4臺6kV 2000 kW的中速柴油發電機組并聯進行黑啟動，方案可行。且可將其中1臺黑啟動柴油機設置為快速啟動柴油機，取消專設事故停機應急柴油發電機。

方案二：1套由10個2MW/2MWh儲能單元組成的20MW/20MWh集裝箱鋰電池電網級電儲能系統進行黑啟動，方案可行。技術重點在于控制策略。通過合理的電池控制策略，可以實現恒壓恒頻放電，可以在負載功率因數較低的情況下消除諧振尖峰，保證系統穩定運行；也可以通過功率分配策略實現PCS（儲能變流器）之間的功率均分。

7 結語

柴油機及鋰電池2種方案技術均可行。在電網全“黑”狀態時，進行機組自啟動，帶動無自啟動能力的機組，逐漸擴大系統恢復范圍，最終實現整個系統的恢復。配置的20MW/MWh儲能集裝箱鋰電池除了作為黑啟動備用電源，在正常情況下也可用于聯合機組AGC調頻，電池功率/電量大小可以滿足調頻儲能需求。如果僅只考慮黑啟動性能，柴油機比鋰電池投資更低，但設備利用率低，維護成本高，且使用重油燃料，污染重、噪音大、配套環保措施成本更高、投資收益低；如果統籌考慮項目黑啟動兼調頻蓄能，儲能系統可在緊急情況下充當黑啟動備用電源，平時參與調頻輔助服務賺取收益，投資收益高。