新聞主題	柴油發(fā)電機組的黑啟動原理

 

所謂黑啟動，是指在重大系統(tǒng)故障或全系統(tǒng)范圍停電的情況下，在沒有電網(wǎng)支持的情況下重啟無自啟動能力的發(fā)電機組，逐漸擴大系統(tǒng)恢復(fù)范圍，最終實現(xiàn)整個系統(tǒng)的恢復(fù)。簡單來講黑啟動的目的就是以最快速度啟動更多發(fā)電電源，從而恢復(fù)更多的發(fā)電能力。業(yè)內(nèi)部分人士將“黑啟動”形象的比喻為電網(wǎng)的“打火機”。

 

一、保安電源

 

發(fā)電廠按使用能源劃分有下述基本類型：火力發(fā)電廠（火電廠）、水力發(fā)電廠以（水電站）及核能發(fā)電廠（核電站）等等。火力發(fā)電廠的發(fā)電機組按照原動機的形式，又可分成燃煤的汽輪發(fā)電機組、燃氣輪機發(fā)電機組，兩者優(yōu)點的高效率的燃氣輪機-汽輪機聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組。由于600MW級及1000MW級的超臨界燃煤汽輪發(fā)電機組的國產(chǎn)化技術(shù)成熟，效率明顯高于300MW級及以下的小功率發(fā)電機組，相應(yīng)排放也優(yōu)于小功率發(fā)電機組，國家出臺了燃煤火力發(fā)電廠“上大壓小”的政策，按照該政策，除非是分布式能源配套項目、熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電機組或者鋼鐵廠等用電大戶的自備電廠等項目，新建的燃煤火力發(fā)電廠只核建600MW級及以上汽輪發(fā)電機組。

另外，隨著環(huán)境壓力的日益嚴(yán)峻，新建的燃煤火力發(fā)電廠需要同步配套建設(shè)脫硫、脫硝以及除塵等環(huán)保設(shè)施，國家電廠上網(wǎng)電價政策中，也考慮到了電廠的環(huán)保成本并進行相應(yīng)補貼。我國煤炭資源豐富，因此火力發(fā)電廠占有發(fā)電市場絕大部分份額，近年來隨著太陽能板價格的下降帶來發(fā)電成本的下降，新能源發(fā)電競爭力的提高，以及國家對節(jié)能減排和環(huán)保問題的重視，將大力發(fā)展清潔能源和可再生能源，燃煤火力發(fā)電廠的份額持續(xù)下降，而燃氣火力發(fā)電廠，水力發(fā)電廠，核能發(fā)電廠以及其他可再生能源類型的發(fā)電廠，包括地?zé)岚l(fā)電廠、潮汐發(fā)電廠和太陽能發(fā)電廠等占有的發(fā)電市場份額在不斷提高。其中，火力發(fā)電廠，水力發(fā)電廠，核能發(fā)電廠由于事關(guān)人身安全和設(shè)備安全的設(shè)備眾多，相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)一直都有配套后備保安柴油發(fā)電機組的要求，特別是2011年日本大地震引發(fā)海嘯導(dǎo)致的福島第一核電站事故，對電廠保安柴油發(fā)電機組的重要性敲響了警鐘，各國對保安柴油發(fā)電機組的重視程度空前提高，在國內(nèi)核電站的安全應(yīng)對措施中有一個PF項目（Post Fukushima nuclear power plant accident），其中很重要的一項就包括對核電站配套的后備柴油發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)形式、冗余備份程度、機動能力和容量進行重新評估，在原來已經(jīng)配置的機房安裝的固定式后備柴油發(fā)電機組和大容量儲能蓄電池的基礎(chǔ)上，增加移動式后備柴油發(fā)電機組以及集中存放，具備直升機投放、快速機動能力的移動式后備柴油發(fā)電機組。

現(xiàn)階段火力發(fā)電廠、水力發(fā)電廠、核能發(fā)電廠針對保安柴油發(fā)電機組分別出臺了相關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)，包括適用于火力發(fā)電廠的《GB 50660-2011大中型火力發(fā)電廠設(shè)計規(guī)范》、《DL／T5153-2014火力發(fā)電廠廠用電設(shè)計技術(shù)規(guī)程》，適用于水力發(fā)電廠的《NB／T 35044-2014水力發(fā)電廠廠用電設(shè)計規(guī)程》和適用于核能發(fā)電廠的《EJ／T625-2004核電廠備用電源用柴油發(fā)電機組準(zhǔn)則》、《GB／T 12788-2000核電廠安全級電力系統(tǒng)準(zhǔn)則》以及《EJ／T639-1992核電廠安全級電力系統(tǒng)及設(shè)備保護準(zhǔn)則》，對不同類型發(fā)電廠的保安柴油發(fā)電機組的技術(shù)指標(biāo)、控制功能、容量和選型都提出了具體的要求。

 

保安電源柴油發(fā)電機組系統(tǒng)圖

 

 

二、黑啟動的定義

 

除配置前述的保安柴油發(fā)電機組外，在一些電網(wǎng)調(diào)度指定的個別需要具備黑啟動功能的發(fā)電廠，還需要配置黑啟動柴油發(fā)電機組，當(dāng)然也可以通過優(yōu)化電氣主接線，將上述保安柴油發(fā)電機組和黑啟動柴油發(fā)電機組合二為一，統(tǒng)一考慮容量及選型，合并設(shè)置一臺具備黑啟動能力的保安柴油發(fā)電機組。

所謂黑啟動，是指大面積停電后的系統(tǒng)自恢復(fù)，整個系統(tǒng)因故障停運后，系統(tǒng)全部停電（不排除孤立小電網(wǎng)仍維持運行），處于全“黑”狀態(tài)，不依賴別的網(wǎng)絡(luò)幫助，通過系統(tǒng)中具有自啟動能力的發(fā)電機組啟動，帶動無自啟動能力的發(fā)電機組，逐漸擴大系統(tǒng)恢復(fù)范圍，最終實現(xiàn)整個系統(tǒng)的恢復(fù)。由于燃煤發(fā)電廠啟動工藝流程復(fù)雜，輔助設(shè)備功率較大，需要的廠用電量較大，對具有自啟動能力的發(fā)電機組要求非常高，因此常采用柴油發(fā)電機組作為燃煤發(fā)電廠的黑啟動電源。發(fā)電機組具有黑啟動功能不僅是電站在全廠失電情況下安全生產(chǎn)自救的必要措施，也是電網(wǎng)發(fā)展的需要。

 

 

黑啟動柴油發(fā)電機組技術(shù)

柴油發(fā)電機組黑啟動監(jiān)控系統(tǒng)

 

 

三、黑啟動發(fā)電機組設(shè)計選型

 

1、 發(fā)電機組類型

黑啟動柴油機應(yīng)為四沖程，其優(yōu)勢在于簡單可靠的潤滑油系統(tǒng)。

2、建議采用并機模式

發(fā)電機的穩(wěn)定穩(wěn)定可靠經(jīng)濟性好。

3、發(fā)電機組動力源可靠性

選擇發(fā)電機組廠家，有做過發(fā)電機組黑啟動的作為首先推薦。因為黑啟動電源一般都是高壓發(fā)電機組。必須經(jīng)過高壓測試。而當(dāng)前發(fā)電機組制造商水平層次不齊。

 

四、黑啟動機組配置類型

 

由于黑啟動柴油發(fā)電機組價格比較昂貴，所以設(shè)計中盡可能地減小容量和優(yōu)化配置以節(jié)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足啟動和持續(xù)有功功率要求而發(fā)電機不能滿足電壓降的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(biāo)準(zhǔn)的配套配置。

2、多發(fā)電機組并行

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

3、過載能力和強勵

由于交流發(fā)電機可以短時過載運行，也能承受短時高溫，可以采用其過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%，也是一個不錯的選擇方案。

另外，使用快速可靠響應(yīng)的勵磁控制系統(tǒng)（建議采用永磁機發(fā)電機組），在電壓降落時快速反應(yīng)進行強勵，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(diào)節(jié)能力。

 

 

五、電廠使用黑啟動的原因

 

1、為什么大規(guī)模停電要持續(xù)很久不能修復(fù)呢？很久是多久，24小時恢復(fù)60%算不算久呢?

因為這些火電發(fā)電機組其實是要邊發(fā)電邊用電的，尤其是發(fā)電機組一旦停轉(zhuǎn)，啟動過程可從幾十分鐘到幾個小時不等，這個過程中無法供應(yīng)電量。

（1）一旦大停電事故，系統(tǒng)會開始分割并形成小的電力孤島；

（2）然后各類黑啟動服務(wù)商：發(fā)電機組開始發(fā)力，使各個電力孤島開始內(nèi)部運轉(zhuǎn)，讓區(qū)域內(nèi)更多的負載亮起來；

（3）以及非黑啟動發(fā)電機組通過從孤島電網(wǎng)獲得電力并重啟系統(tǒng)頻率回到穩(wěn)定區(qū)間；

（4）更多的分布式發(fā)電機組也開始發(fā)力多個孤島系統(tǒng)開啟連接，最后回到大電網(wǎng)穩(wěn)定運行的狀態(tài)。

2、黑啟動發(fā)電機組案例

在電網(wǎng)大面積停電后，采取電網(wǎng)黑啟動措施，將大大減少電網(wǎng)停電時間，盡快恢復(fù)電網(wǎng)的正常運行。

（1）案例一

某電廠由兩臺30MW汽輪發(fā)電機組成，以供熱、供氣、發(fā)電綜合運行。在電廠建設(shè)初期，用外部電網(wǎng)臨時將輔機帶起來，當(dāng)電廠建成后，汽輪發(fā)電機由柴油發(fā)電機來啟動，整個電廠形成一個完全獨立的自備電站。

 

柴油發(fā)電機組主要負載為高壓給水泵，高壓循環(huán)水泵、高壓引風(fēng)機，高壓送風(fēng)機，高壓負載根據(jù)工藝要求順序啟動，因1000kW高壓給水泵啟動容量較大，在柴油發(fā)電機已帶部分負載情況下，啟動高壓給水泵會導(dǎo)致柴油發(fā)電機組較大的電壓跌落，因此對高壓給水泵采用變頻器的啟動方式，不采用軟起動器來啟動是因為軟起動器仍需較大起動容量，而且啟動力矩受限，存在諧波等問題，采用變頻器啟動容量小，啟動力矩大，啟動完成后，還可通過改變變頻器頻率進行節(jié)能運行。

（2）案例二

 

2005年9月26日，受第18號臺風(fēng)“達維”的影響，海南省發(fā)生了罕見的全省范圍大面積停電，當(dāng)時負責(zé)運營處于孤島運行的海南電網(wǎng)的廣東電網(wǎng)公司子公司海南電網(wǎng)公司立即實施了黑啟動方案，這是國內(nèi)當(dāng)時第一次實戰(zhàn)的“黑啟動”。在正式下達“黑啟動”命令后僅1h25min，就有電廠宣告“黑啟動”成功，系統(tǒng)開始逐步恢復(fù)供電。

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