燃氣輪機發(fā)電機組黑啟動(dòng)方案探討

燃氣輪機發(fā)電機組黑啟動(dòng)方案探討

余旭翔1 , Denicourt Franck2

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

摘要:不同電廠(chǎng)的黑啟動(dòng)方案由于機型和系統接線(xiàn)的差異而千差萬(wàn)別。但黑啟動(dòng)過(guò)程設計中的關(guān)鍵因素如黑啟動(dòng)負荷加載順序、黑啟動(dòng)柴油發(fā)電機組選型、死母線(xiàn)合閘、孤島運行控制等卻有著(zhù)原理一致性和可歸納性?；?E機組的黑啟動(dòng)成功案例，闡述燃氣輪機發(fā)電機電廠(chǎng)黑啟動(dòng)必須考慮的重要負荷順序以及黑啟動(dòng)柴油機的選型計算過(guò)程。對死母線(xiàn)合閘、孤島運行控制等黑啟動(dòng)方案中關(guān)鍵步驟進(jìn)行原理描述和經(jīng)驗總結，并介紹了優(yōu)化方法和現場(chǎng)經(jīng)驗，提醒需要注意的特殊環(huán)節，為今后黑啟動(dòng)方案設計提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：燃氣輪機;黑啟動(dòng);柴油發(fā)電機組;死母線(xiàn)合閘;孤島運行

中圖分類(lèi)號 ： TM611.24 文獻標識碼 ： B 文章編號：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電站供電的過(guò)程。其作為緊急方案來(lái)給區域電網(wǎng)恢復供電。電網(wǎng)的大面積黑電事故使電網(wǎng)對電廠(chǎng)的黑啟動(dòng)能力日益重視。由于電網(wǎng)在黑啟動(dòng)機組的啟動(dòng)時(shí)間、加載限制和輔助系統上的額外要求,不是所有的機型都適合黑啟動(dòng)。

燃氣輪機能夠快速啟動(dòng)、寬幅加載和靈敏響應，電站設計上稍加改進(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)電機發(fā)電來(lái)提供必要廠(chǎng)用電源以實(shí)現燃氣輪機啟動(dòng)。

由于燃氣輪機機型眾多，同一機型也有單軸多軸等不同配置，同時(shí)系統接線(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)別而缺少系統性總結和歸納。但黑啟動(dòng)方案中的關(guān)鍵因素如負荷清單和加載順序、黑啟動(dòng)柴油機的選型和計算、死母線(xiàn)合閘、孤島運行控制等卻有著(zhù)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)負荷

一般的燃氣輪機電廠(chǎng)都需要黑啟動(dòng)柴油發(fā)電機在外部黑網(wǎng)時(shí)來(lái)提供電力給輔助電氣設備以保證燃氣輪機的順利啟動(dòng)?？紤]到柴油發(fā)電機組的經(jīng)濟性，不可能所有負荷都聯(lián)接到黑啟動(dòng)電源上。往往要進(jìn)行篩選而只留下關(guān)鍵負荷即黑啟動(dòng)負荷，例如必要的燃料供給和冷卻系統等。

由于機型和系統配置以及廠(chǎng)用電接線(xiàn)的差異，不同電廠(chǎng)的黑啟動(dòng)負荷差別很大。例如，有些使用電動(dòng)機驅動(dòng)燃氣壓縮機的電站,該電動(dòng)機就占了很大負荷比重；對于需要氮清吹和置換的低熱值燃氣機組,需要考慮氮氣系統負荷；對于單軸的燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組，還要考慮汽輪機啟動(dòng)時(shí)的冷卻蒸汽系統負荷等等。

簡(jiǎn)而言之，黑啟動(dòng)負荷的選擇必須因廠(chǎng)而異，其核心標準是必須滿(mǎn)足燃氣輪機啟機時(shí)的工藝和控制要求。

1．1 無(wú)需黑啟動(dòng)柴油發(fā)電機的6B系列燃氣輪機

需要特別指出,由于6B系列燃氣輪機可配備柴油機作為起動(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)電機的情況下，6B 燃氣輪機仍然可以獨自實(shí)現從低速盤(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 燃氣輪機可以在黑網(wǎng)情況下保持低速盤(pán)車(chē)并隨時(shí)啟機。但在黑啟動(dòng)情況下，必須通過(guò)調節直流潤滑油泵的可調勵磁電阻來(lái)提高油壓，使之高于壓力開(kāi)關(guān)63QT (潤滑油壓力低跳閘)。同時(shí)啟動(dòng)程序也必須進(jìn)行相應修改，使燃氣輪機黑啟動(dòng)依托于應急直流潤滑油泵，而不是正常的輔助交流潤滑油泵。

配備柴油機作為起動(dòng)裝置的6B系列燃氣輪機由于不需要黑啟動(dòng)柴油機，而使黑啟動(dòng)方案更加經(jīng)濟和方便。在必要時(shí)該型燃氣輪機也可作為黑啟動(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。

1．2 黑啟動(dòng)柴油發(fā)電機

除了上文提及的使用柴油機作為起動(dòng)裝置的6B系列燃氣輪機外，其他類(lèi)型燃氣輪機都需要黑啟動(dòng)柴油發(fā)電機來(lái)提供電力給中壓?jiǎn)?dòng)裝置和重要的低壓負荷如潤滑油、密封油及必要的風(fēng)機等實(shí)現黑啟動(dòng)。由于費用原因，黑啟動(dòng)柴油發(fā)電機不宜設計過(guò)大，但必須滿(mǎn)足重要輔助設備運行要求。

客戶(hù)往往希望燃氣輪機控制系統能限制某些不必要的燃氣輪機負荷如風(fēng)機等在黑啟動(dòng)過(guò)程運行來(lái)減少黑啟動(dòng)柴油發(fā)電機的耗電,從而能使用經(jīng)濟節省的柴油發(fā)電機。但燃氣輪機控制系統不會(huì )為此而另外設計整個(gè)燃氣輪機發(fā)電機組的啟動(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)電機的尖峰負荷。

1．2．1 負荷順序表

以下為整個(gè)電廠(chǎng)的負荷順序表：

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

順序1: 母線(xiàn)帶電后10s內投入；

順序2: 母線(xiàn)帶電后10s到1min內投入；

順序3: 燃氣輪機馬達控制中心已存在的負荷，和母線(xiàn)同時(shí)帶電；

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

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

順序6: 輪控盤(pán)控制的負荷，轉速達到14HS （95% 滿(mǎn)轉速）時(shí)立即啟動(dòng)。

1．2．2黑啟動(dòng)必要的電站負荷

在燃氣輪機所帶的輔助負荷之外，黑啟動(dòng)還必須考慮必要的電廠(chǎng)輔助負荷。表1為典型9E多軸聯(lián)合循環(huán)電站的黑啟動(dòng)負荷（低壓）清單。注意：燃氣輪機馬達控制中心（MCC）提供的負荷為燃氣輪機所帶的輔助負荷。在該方案中，電廠(chǎng)的必要設備在燃氣輪機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)負荷清單

 

順序	設備描述	配備數量/運行數量	供電方/控制方	功率/kW  *
0	DCS（分布式控制系統） 電源以及電池充電機	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	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	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	2/1	電站配電盤(pán)/DCS控制	100/0.8/6.8
2	燃料為天燃氣的壓縮機	1	電站配電盤(pán)/DCS控制	950/0.8/3.5 （天燃氣壓縮機帶軟啟動(dòng)器 ）
2	擋板門(mén)冷卻風(fēng)機	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	燃氣輪機400/230VAC 配電變壓器	1	燃機馬達控制中心/不受控	40/0.8/15
3	二氧化碳裝置	燃機馬達控制中心/不受控	2.4
3	必要的加熱器 滑油加熱器23QT, 輔機間加熱器23HAs, 發(fā)電機加熱器23HGs 以及管道伴熱	多個(gè)	燃機馬達控制中心/不受控	110
3	就地燃氣輪機控制室空調	2/1	燃機馬達控制中心/不受控	10
3	燃氣輪機蓄電池充電機	2/1	燃機馬達控制中心/不受控	15
4	88QA 輔助潤滑油泵電動(dòng)機	1	燃機馬達控制中心/輪控盤(pán)控制	90/0.92/7.9
4	88HQ 輔助液壓油泵電動(dòng)機	1	燃機馬達控制中心/輪控盤(pán)控制	15/0.92/6.5
4	88TG 盤(pán)車(chē)電動(dòng)機 (4% 全轉速前運行)	1	燃機馬達控制中心/輪控盤(pán)控制	30/0.8/6.5
4	88TM 液力變扭器調節電動(dòng)機	1	燃機馬達控制中心/輪控盤(pán)控制	1.5
4	88QV 油氣分離器電動(dòng)機	1	燃機馬達控制中心/輪控盤(pán)控制	18.5
4	88QB 發(fā)電機頂軸油泵電動(dòng)機	2/1	燃機馬達控制中心/輪控盤(pán)控制	18.5
4	88VL 燃氣模塊通風(fēng)機電動(dòng)機	2/1	燃機馬達控制中心/輪控盤(pán)控制	4
4	88BT 輪間冷卻風(fēng)機電動(dòng)機(14HR 0.31% 全轉速后運行)	2/1	燃機馬達控制中心/輪控盤(pán)控制	37/0.87/6.5
5	88VG 齒輪間冷卻風(fēng)機電動(dòng)機	2/1	燃機馬達控制中心/輪控盤(pán)控制	18.5
6	88TK 燃氣輪機框架冷卻風(fēng)機電動(dòng)機	2/2	燃機馬達控制中心/輪控盤(pán)控制	45+45(2號風(fēng)機啟動(dòng)延后幾秒)/0.92 /6.6
6	勵磁變壓器 (當死母線(xiàn)合閘時(shí)去電)	1	燃機馬達控制中心/輪控盤(pán)控制	5

注：* 對于30kW以上負荷須標明功率因數和啟動(dòng)電流倍數(PF和 Is/In)
表中未含中壓（6kV）啟動(dòng)電機88CR負荷。

1.3 燃氣輪機的啟動(dòng)裝置類(lèi)型
一般來(lái)說(shuō) ,6FA、 7FA 、 9E、9FA/B 系列燃氣輪機都配備變頻啟動(dòng)器或中壓?jiǎn)?dòng)電機來(lái)輔助燃氣輪機在脫扣前能高速盤(pán)車(chē)，6B系列燃氣輪機一般配置中壓?jiǎn)?dòng)電機或柴油機作為啟動(dòng)裝置。
具體配備取決于燃氣輪機的轉動(dòng)慣量和系統的扭矩要求，見(jiàn)表2。

表2 各種機型啟動(dòng)裝置配置表

 

變頻啟動(dòng)裝置SFC(LCI)	啟動(dòng)電機
普通6B 系列燃氣輪機	√
6FA系列燃氣輪機	√
7FA系列燃氣輪機	√
9E 系列燃氣輪機	√
9E 帶軸驅動(dòng)的燃氣壓縮機	√
9FA/B系列燃氣輪機	√

注：表中“√”為該機型所配置的起動(dòng)裝置。

燃氣輪機的啟動(dòng)裝置負荷是電站的主要的，往往也是最大的電負荷，是黑啟動(dòng)柴油機的考慮重點(diǎn)和選型計算關(guān)鍵。

1．3．1 中壓?jiǎn)?dòng)電機88CR

啟動(dòng)電機88CR 普遍應用于 6B 和 9E 型（無(wú)軸驅動(dòng)的燃氣壓縮機）。

下面以9E燃氣輪機為例說(shuō)明啟動(dòng)電機88CR的工作過(guò)程：在啟動(dòng)電機88CR和燃氣輪機主軸間設有液力變扭器，通過(guò)調節液壓油的壓力及液力變扭器葉輪導角來(lái)調節傳送的力矩，變扭器葉輪導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)扭力傳送到燃氣輪機轉子開(kāi)始拖動(dòng)。當達到清吹轉速14HM（10%全轉速）時(shí)，通過(guò)調節變扭器葉輪導角，使燃氣輪機轉速提高并維持在清吹轉速來(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。當轉速跌至14HM以下時(shí)20TU再次帶電然后機組開(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，液力變扭器導葉打開(kāi)至合適角度使燃氣輪機加速至自持轉速（大約為燃氣輪機額定轉速的60%），此時(shí)，20TU失電液力變扭器泄油使燃氣輪機和起動(dòng)系統脫扣，啟動(dòng)電機退出工作。其余順序不在此詳述，我們主要關(guān)心啟動(dòng)電機88CR從帶電到脫扣階段的負荷特性，作為黑啟動(dòng)柴油發(fā)電機選型的重要依據。圖１為典型的燃氣輪機啟動(dòng)特性曲線(xiàn)圖。

 圖1 燃氣輪機啟動(dòng)特性曲線(xiàn)圖

當啟動(dòng)電機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，功率因數大約為0.3，3s內電機達到全轉速。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)低的電壓將導致扭力不足而無(wú)法啟動(dòng)，并會(huì )致使電機過(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),在燃氣輪機點(diǎn)火成功暖機結束后的加速階段, 啟動(dòng)電機88CR會(huì )達到峰值負荷1450kW。這對柴油機也是個(gè)不小的考驗。

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)電流倍數為3～4。然而，啟動(dòng)電流的減小會(huì )降低電機啟動(dòng)力矩，88CR無(wú)法在3s內達到全速，而需要更長(cháng)時(shí)間（一般為5s）。在燃氣輪機啟動(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)電機在未達全轉速時(shí)帶載燃氣輪機軸負荷，從而導致啟動(dòng)電機無(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），從而使電機有足夠時(shí)間自起動(dòng)；二是通過(guò)88TM手動(dòng)調節變扭器葉輪導角，減小88CR自加速階段的阻力來(lái)幫助其自起動(dòng)。

此外，6B系列燃氣輪機只通過(guò)20TU而不設液力變扭器葉輪導葉調節，而使用變頻器啟動(dòng)的6F/7F/9F機型由于本身為變頻啟動(dòng)而不設液力變扭器系統。

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)電機倒送電，能把發(fā)電機當作電動(dòng)機使用從而拖動(dòng)燃氣輪機啟動(dòng)。

燃氣輪機速度曲線(xiàn)和圖1一致，所不同的是LCI在90%全轉速時(shí)才脫扣，而且LCI尖峰負荷發(fā)生在40%全轉速時(shí)，大約持續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，從而節省了費用和維修空間。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尖峰負荷是設計主要依據。但是，LCI是非線(xiàn)性負荷會(huì )給系統電源帶來(lái)諧波污染，諧波污染會(huì )導致電機和變壓器等過(guò)熱，所以在黑啟動(dòng)柴油機設計中諧波污染應當適當考慮。

特別指出的是，因為L(cháng)CI只在燃氣輪機啟動(dòng)的30min內使用，所以根據諧波污染的規范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(zhù)在啟動(dòng)過(guò)程中會(huì )出現故障，這是因為大部分控制儀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)用電是相對隔離的。但與廠(chǎng)用電直接相連的設備，如充電機和電機等,要確保在諧波畸變率20%內短時(shí)不至于損壞。

2 電廠(chǎng)黑啟動(dòng)柴油機設計

2.1黑啟動(dòng)柴油機設計選型

1) 柴油機類(lèi)型

黑啟動(dòng)柴油機應為四沖程，其優(yōu)勢在于簡(jiǎn)單可靠的潤滑油系統。

2) 持續負荷

發(fā)電機的穩定出力應高于所供電的持續連接負荷。

3) 最大電機或電機組啟動(dòng)時(shí)的電壓降要求

黑啟動(dòng)柴油發(fā)電機要保證其電壓必須高于負荷要求的電壓限制值。電機的起動(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)轉矩只有64%。

2.2 經(jīng)濟性考慮

由于黑啟動(dòng)柴油發(fā)電機組價(jià)格比較昂貴，所以設計中盡可能地減小容量和優(yōu)化配置以節約費用，主要途徑有：

1)發(fā)電機kVA容量盡量大于柴油機容量

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

2)多機組并行

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

3)過(guò)載能力和強勵

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

另外，使用快速可靠響應的勵磁控制系統，在電壓降落時(shí)快速反應進(jìn)行強勵，從而改善電壓降和減小發(fā)電機需要容量，也是很好的經(jīng)濟型方案。該方案需要軟件模擬以確認其暫態(tài)調節能力。

2.3 黑啟動(dòng)柴油發(fā)電機組設計案例

使用1.2.1節的負荷順序表來(lái)驗證9E燃氣輪機發(fā)電機組使用兩臺1800kW/2250kVA（對應柴油機/發(fā)電機）的黑啟動(dòng)柴油發(fā)電機組能否滿(mǎn)足燃氣輪機發(fā)電機組的啟動(dòng)要求。黑啟動(dòng)柴油發(fā)電機組的參數如下：X’d直軸瞬態(tài)電抗標么值為0.20,功率因數PF=0.80 滯后，過(guò)載能力20s內200%，1h內110%。突加負荷限制值為60%。

2.3.1穩定負荷

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

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

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

結論：2臺1800kW/2250kVA滿(mǎn)足要求。

2.3.2電壓降:

由于電壓調節系統的差異，所以無(wú)法精確計算發(fā)生的電壓降。然而可根據通用的計算方法如下:

PG2=[(1- ΔE)/ΔE]×X’d× QL (2)

式中，ΔE-發(fā)電機端允許的電壓降 ，%；X’d -直軸瞬態(tài)電抗標么值；QL-啟動(dòng)最大電動(dòng)機時(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,根據起動(dòng)電機啟動(dòng)特性曲線(xiàn),20%電壓降時(shí)啟動(dòng)電流倍數為4.4倍,PG2=3955　kVA。

結論：2臺1800kW/2250kVA滿(mǎn)足要求。

由于大型電機帶電瞬間的過(guò)程比較復雜,帶電瞬間電機電抗為直軸超瞬態(tài)電抗(X”d),然后轉變?yōu)橹陛S瞬態(tài)電抗(X’d),最后為穩定的直軸電抗(Xd),單純用直軸瞬態(tài)電抗(X’d)來(lái)計算其瞬態(tài)電壓降相對保守。在柴油發(fā)電機廠(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)行校驗計算，這樣對柴油發(fā)電機容量要求可以適當降低。

2.3.3最大負載:

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

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

最大負載88CR 加載發(fā)生在啟動(dòng)令發(fā)出時(shí), 考慮其余在線(xiàn)負荷（順序0至順序4負荷，注意加熱器啟機前退出，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累計為1955kW），故PG3=3907kVA

結論：2臺1800kW/2250kVA滿(mǎn)足要求。

3黑啟動(dòng)過(guò)程中燃氣輪機的死母線(xiàn)合閘

3.1 死母線(xiàn)合閘目的

當燃氣輪機在黑啟動(dòng)柴油機的供電情況下啟機并到全速空載時(shí)，由于母線(xiàn)側依然沒(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廠(chǎng)用電，從而替換下黑啟動(dòng)柴油發(fā)電機。

由于主變低壓側阻抗小，而且在初充時(shí)由于電磁還未建立，所以會(huì )導致巨大的沖擊電流而導致電氣保護動(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)電機出口開(kāi)關(guān)（52G）時(shí)去掉發(fā)電機勵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)電機電壓及主變電壓至額定值。

死母線(xiàn)合閘前運行人員要確保母線(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接入DCS后送至燃氣輪機控制系統作為允許“死母線(xiàn)合閘”的閉鎖信號。

一旦選擇死母線(xiàn)合閘模式，勵磁就處于關(guān)斷狀態(tài)，這時(shí)候發(fā)電機電壓會(huì )逐漸下降，其速率和發(fā)電機時(shí)間常數相關(guān)。當發(fā)電機電壓降至10%并維持5ｓ時(shí)，控制盤(pán)給出報警“機組準備死母線(xiàn)合閘”，這時(shí)候運行員在操作臺站人機界面（HMI）上按下“合閘”按鈕，52G合閘并逐漸升壓。如果在去磁28ｓ內發(fā)電機電壓未降至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測,其電壓狀態(tài)信號連接至輪控盤(pán)參與聯(lián)鎖。

4 燃氣輪機黑啟動(dòng)成功后的孤島運行

4.1 燃氣輪機發(fā)電機的孤島運行控制

發(fā)電機出口開(kāi)關(guān)合閘后，廠(chǎng)用電帶電與黑啟動(dòng)柴油機同期切換，燃氣輪機獨自帶著(zhù)廠(chǎng)用電運行。這時(shí)候發(fā)電機既不連電網(wǎng)也不連接其他發(fā)電機組運行在孤島方式，若廠(chǎng)用電數值在燃氣輪機額定負荷的10%～90%，其控制方式為無(wú)差控制方式，以維持機組運行在限定的運行轉速上而不是電網(wǎng)的頻率。該控制方式使得燃氣輪機能夠從電網(wǎng)分開(kāi)并能承擔小的無(wú)大幅變化的負荷。在該方式下，無(wú)差控制能自動(dòng)調節燃氣輪機出力以確保燃氣輪機運行在設定轉速。當燃氣輪機轉速低于設定時(shí)，表明出力低于負荷而需要提高預選負荷設定值，反之若燃氣輪機轉速高于設定時(shí)，表明出力高于負荷而需要降低預選負荷設定值。

若廠(chǎng)用電數值在燃氣輪機額定負荷的10%以?xún)?，其控制方式為廠(chǎng)用電負荷控制方式。其和無(wú)差調節的主要區別在于用設定好的負荷點(diǎn)燃料值來(lái)穩定和維持高壓開(kāi)關(guān)打開(kāi)后的孤島轉速，而不是無(wú)差調節的轉速跟蹤。由于該狀態(tài)下廠(chǎng)用電負荷較小，燃氣輪機有足夠轉動(dòng)慣量和調節能力使其孤島轉速維持在不大的波動(dòng)范圍內。

以上兩種控制方式由電廠(chǎng)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)信號啟動(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)電機中壓出口開(kāi)關(guān)閉合而主變高壓側出口開(kāi)關(guān)打開(kāi)為孤島啟動(dòng)信號。

燃氣輪機控制系統一旦接受到該啟動(dòng)信號，便自動(dòng)切換到孤島運行控制方式，根據轉速來(lái)匹配負荷出力。而一旦遠方開(kāi)關(guān)合上，啟動(dòng)信號消失，燃氣輪機便切換到與電網(wǎng)并聯(lián)時(shí)使用的有差調節方式。

4.2 孤島時(shí)的燃氣輪機發(fā)電機勵磁控制

在孤島運行時(shí)，發(fā)電機的負荷特性取決于廠(chǎng)用電負荷本身，所以不能使用功率因數控制方式，而應使用電壓調節方式，其根據實(shí)測電壓與設定電壓的偏差動(dòng)態(tài)調整勵磁，使電壓水平維持在設定范圍內。需要注意的是，如果電廠(chǎng)中聯(lián)結有大的容性負荷可能會(huì )引起發(fā)電機自激磁而導致過(guò)電壓，這時(shí)建議使用手動(dòng)勵磁控制并投入系統穩定器以防止自激振蕩。

5.其他的一些注意事項

電廠(chǎng)設計黑啟動(dòng)方案時(shí)，必須有完善的實(shí)施程序，并且通過(guò)對黑啟動(dòng)柴油發(fā)電機、燃氣輪機控制、發(fā)電機控制系統使用軟件建模進(jìn)行模擬驗證該過(guò)程。黑啟動(dòng)電廠(chǎng)對系統充電的暫態(tài)和穩態(tài)過(guò)程分析，條件許可的情況下也應通過(guò)模擬驗證。應包含如下內容：

- 電壓的控制和仿真

- 送電線(xiàn)路容性電流帶載分析

- 燃氣輪機出力和負荷匹配

- 潮流分布研究

- 電網(wǎng)規范的確認

- 系統穩定器PSS仿真

當電廠(chǎng)往黑電的送電線(xiàn)路送電時(shí)，較大的容性負荷會(huì )起發(fā)電機自激磁而導致過(guò)電壓和系統振蕩，建議在開(kāi)始時(shí)候投入感性電抗，使用手動(dòng)勵磁控制并投入系統穩定器。這些措施可有效幫助發(fā)電機迅速穩定從而成功地給系統送電。

在操作流程方面,在黑啟動(dòng)中啟動(dòng)燃氣輪機前要確認燃氣輪機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)失敗或燃氣輪機跳閘，直流系統將無(wú)法滿(mǎn)足安全停機要求而造成燃氣輪機損害。

6 結語(yǔ)

電廠(chǎng)的黑啟動(dòng)能力日益受到重視,而燃氣輪機由于其有利的啟動(dòng)加載和控制特性上的優(yōu)勢,尤其是豐富的黑啟動(dòng)經(jīng)驗和可靠性,成為黑啟動(dòng)電廠(chǎng)的主力機型。

文中主要工作為電廠(chǎng)的黑啟動(dòng)系統包括柴油發(fā)電機設計計算、死母線(xiàn)合閘及孤島運行機制，闡述和解釋相關(guān)問(wèn)題。由于現代仿真的日益進(jìn)步，很多步驟可使用仿真軟件進(jìn)行驗證及計算。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，電壓調節而非功率因數調節，PSS模型也需要考慮等等。

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

參考文獻：

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[2]IEEE STD 446:1995 Recommended Practice for Emergency and Standby Power Systems for Industrial and Commercial Applications.

[3]IEEE STD 519:1992 Recommended Practice and Requirements for Harmonic Control in Electrical System.

[4]Ivan V.W. Hunt. DIESEL ENGINE GENERATORS FOR BLACK START AND SUPPLY EMERGENCIES[J]. Electrical Engineers Association Annual Conference, Auckland, ,2000,6:16- 17.

[5]IEEE 399-1997, Recommended Practice for Industrial and Commercial Power Systems Analysis chapter 9 Motor-starting studies.

全文下載：燃氣輪機發(fā)電機組黑啟動(dòng)方案探討.doc

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