燃机电站黑启动系统方案设计探讨

于 青，聂 岩，安 琳

（1.山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013；2.国核电力规划设计研究院，北京 100095）

0 引言

黑启动，是指某个独立的电网系统因故障全部停电后，不依靠外部网络帮助，通过系统中具有自启动能力的发电机组的启动，带动无自启动能力的发电机组，逐渐扩大系统恢复范围，最终实现整个系统的恢复和供电的过程［1］。对于电站黑启动而言，既可以指其利用外来电源进行自身启动的情况，也可以指利用自身系统内的可自启动的电源进行的主发电机组的启动。

轻柴油高速发电机组一次投资成本较少，启动时间短，运行稳定，不需要外部电源启动，是目前黑启动电源使用较多的设备［2］。电厂黑启动系统简单、运行可靠，黑启动机组短时抗冲击能力强、能适应短时间高负载运行。

黑启动系统的设计，主要包括黑启动系统的电气接线方案、柴油发电机组容量选择、黑启动系统的控制方式。

1 黑启动系统接线方式

黑启动系统可为厂内一台或多台机组提供启动电源，故需要与主机组的中压母线段相连，柴油发电机的出口电压应与电厂中压系统电压相同，多台柴油发电机组并接后与高压厂用工作母线或备用母线连接，其接线方式如图1所示。

图1 黑启动系统典型接线

2 柴油发电机组容量选择

柴油发电机组的容量应能满足一台主机组启动要求。由于目前国内没有相关的标准规范对黑启动柴油发电机容量选择做出明确规定，工程设计中柴油发电机容量选择计算主要参考文献［3］附录“柴油发电机组的选择”。柴油发电机组容量的选择时同时满足以下三个条件：1）满足机组启动时持续的负荷要求；2）满足电动机启动时发电机瞬时压降；3）满足柴油发电机冲击峰值功率。

但是，规程中的容量计算是基于一般化的柴油发电机组的各项性能指标进行的，计算公式中建议的机组参数，一般都有很大余量。而各个厂商生产的柴油发电机，各项性能指标差异较大，故在设备招标阶段有可能对柴油发电机组的容量进行优化。

黑启动柴油发电机容量应能满足主机组启动的要求，就需要多台柴油发电机组并联运行。多台并机运行要求机组间具备高度的一致性和协调性。否则，当负载急剧变化时，极易导致整个系统崩溃。所以，在确保成功启动主机组的前提下，要求尽量减少并联机组台数、简化系统，以提高黑启动系统的可靠性和稳定性。并且，黑启动系统并非长期连续运行，仅要求其容量能满足主机组启动过程即可，因此没有必要考虑较大的计算裕量。按照文献［3］中的常规计算方法，所需容量较大，因此可以在保证燃机启动要求的前提下，进行优化计算，降低总容量，从而节省工程投资。

3 黑启动系统的控制

黑启动柴油发电机组自配一套控制系统，设备供货商成套提供控制柜，可实现就地手动及远方启动柴油发电机组，并自动建立电压、频率，直至达到额定值具备带载条件，然后机组的高压厂用电系统由柴油发电机组供电，但主机组的启动仍然在机组控制系统中完成。故需要机组控制系统和黑启动控制系统协调配合，实现电厂内某台机组的启动。

4 工程实例

4.1 工程概况

工程新建4台单循环燃机，采用西门子公司的SGT6－5000F型燃气轮发电机组，中压系统电压为4.16 kV，低压系统电压为460 V。每台机组设置1台高压厂用工作变压器、一段4 kV厂用母线，4台机组设置1台高压备用变压器。

4.2 黑启动系统接线

黑启动系统由5台柴油发电机组成，分别与4台机组的中压母线相连，可为任一台机组提供启动电源，实现机组的启动，系统接线如图2所示。

4.3 机组启动负荷

机组启动负荷统计如表1所示。

表1 系统启动负载统计表

图2 黑启动系统接线

图3 现场实测柴油机组启动曲线

由表1可看出，项目黑启动系统的负载总容量只有3197 kW，但最大负荷，即燃机启动电机，其额定功率为2205 kW，该启动电机突出特点是其为锯齿形负载。

4.4 柴油机组容量选择

设计阶段按照文献［3］附录“柴油发电机组的选择”中的计算方法，计算得柴油发电机组总容量应大于15110 kW，故需要配置7台容量为2200 kW的柴油发电机组。

在设备招标阶段，针对本工程的负荷特点，制造厂对柴油机和发电机性能进行优化，从而提高了柴油发电机组的启动性能、抗电压降能力、短时过负荷能力等，以达到容量优化的目的，最终确定优化配置方案。

单机功率：1800 kW

机组数量：5台

单机一次加载功率：1350 kW

图3为机组调试阶段测得的燃机启动电机启动过程中系统电压、频率曲线，由现场实测数据可见，本工程配置5台1800 kW柴油发电机组的优化方案完全满足机组启动要求，并达到简化系统、提高系统可靠性和稳定性的目的。

4.5 柴油发电机组的控制

西门子的燃机控制系统有两种不同的运行模式：正常运行模式、黑启动运行模式。在燃机启动前需要首先确定燃气轮机的运行模式。

只有当所有燃气轮机均处在停止状态时，其中的一台燃气轮机才能选择黑启动模式，其它燃气轮机必须采用正常启动模式。

在黑启动之前首先要确认电网是没有电的，否则燃气轮机就不可以选择黑启动运行模式，启动之前需确定主变高压侧开关打开、高厂变低压侧进线开关打开，这时厂用电由黑启动系统供电。

5 结语

黑启动系统解决方案的制定，应充分立足于燃机主机的系统工艺，对柴油发电机组所带负载的启动顺序和负载特性进行详细分析，在保证系统的可靠性及稳定性的前提下，对柴油发电机组容量选择进行优化，尽量减少柴油发电机组并联台数，既可以简化系统接线，又能降低工程造价。

［1］张继泉.电厂黑启动电源的设计［J］.电工技术，2010（4）：16－18.

［2］袁振邦，李小龙.150 MW燃煤发电厂黑启动柴油机组选型研究［J］.广东电力设计，（51）：88－93.

［3］DL／T 5153－2002 火力发电厂厂用电设计技术规定［S］.北京:中国电力出版社，2002.