火电厂黑启动柴油发电机组容量计算与选型

李世光，李梓萌，高正中，宋森森，肖佳宜

（山东科技大学 电气与自动化工程学院，山东　青岛　266590）

火电厂黑启动柴油发电机组容量计算与选型

李世光，李梓萌，高正中，宋森森，肖佳宜

（山东科技大学 电气与自动化工程学院，山东青岛266590）

当电网系统因故障停运后，通过恰当的黑启动方式可以在短时间内实现该电网系统的恢复。柴油发电机组常被选为燃煤发电厂的黑启动电源，文章阐述了柴油发电机的选型要求并对现有技术规程中柴油发电机组的容量选择公式进行归纳，总结出一套简洁合理的发电机容量选择方案，即计算全部负载正常运行时的负荷容量、发电机短时过负荷能力及加载时允许的母线电压降进行选型，以校验尖峰时刻发电机容量需求及环境系数修正进行复核，并结合实际情况将该方案应用于3×150MW燃煤发电厂柴油发电机组容量选择中，验证了该方案的合理性。

柴油发电机；黑启动；母线压降；尖峰负荷

0　引言

黑启动是指整个电网系统因故障停运后，不依赖其他电网络的帮助，通过系统中具有自启动能力机组的启动，带动无自启动能力的机组，逐步扩大电力系统的供电恢复范围，最终实现该电力系统恢复的过程［1］。

黑启动的关键问题是如何选择电源，目前，我国水力发电厂与燃煤发电厂通常能具备黑启动能力。其中水轮发电机组作为水力电厂的黑启动电源，具有辅助设备简易、启动速度快等优点，因而应用广泛。但燃煤发电机组启动工艺流程复杂，辅助设备功率较大，需要的厂用电量较大，对具有自启动能力的发电机组要求非常高［2］。而依靠蓄电池启动的柴油发电机组启动迅速，具有快速带载能力、一步加载能力强、系统简单可靠等特点。因此，常选用柴油发电机组作为燃煤发电厂的黑启动电源。

柴油发电机组的形式选择需满足以下要求：首先发电机组应采用快速自启动的应急型，失电后首次恢复的供电时间应为15～20 s；机组应当具备能够时刻准备自启动工作并能连续自启动3次成功投入的能力；柴油机宜采用高速及废气涡轮增压型，启动方式宜采用蓄电池后备电源启动，冷却方式应采用闭式循环水冷却；此外，发电机宜采用快速反应的励磁系统，采用星形连接的接线方式，并能引出中性点［3-5］。

使用柴油发电机作为黑启动电源的核心问题是如何确定发电机容量。虽然柴油发电机作为黑启动电源已经在电力建设中得到广泛应用，但其容量的选择方法却并不明确，结合设计规程中对于保安负荷起作用的备用柴油发电机组容量计算公式、工程实例及文献报刊中提及的选型方式总结出一套较为完善简洁的容量选择方式。下面以我国西部某工程为例，具体说明该黑启动柴油发电机容量的选型方式［6］。

1　黑启动负荷启动顺序及启动容量

某3×150MW工程循环流化床空冷机组的启动顺序见表1，系统基本情况及符号说明见表2。根据负载清单、启动顺序、关键负载的详细参数等，按照DL/T 5153—2014《火力发电厂厂用电设计技术规定》计算黑启动柴油发电机组的容量，参考理论计算结果，对整套黑启动系统进行优化，利用优化后的关键技术参数及性能指标对黑启动方案进行校验，以验证最终结果满足优化方案的设计要求。

表1　黑启动的负荷启动顺序及启动容量

表2　系统基本情况及符号说明

2　黑启动柴油发电机组容量选择

1）计算全部负载正常运行时的负荷容量。

式中：Sd为柴油发电机组的额定容量，kVA。

经计算，得Sd=9 918 kVA。黑启动柴油发电机组的连续输出容量应不小于Sd，因此，需要选择的柴油发电机组的额定容量Sd≥9 918 kVA。

2）根据发电机短时过负荷能力计算发电机组容量。以发电机带负荷启动一台最大容量电动机的短时过负荷能力为校验依据，校验要求为：

式中：Se为柴油发电机组的额定容量，kVA；Sd为全负载定长运行时的总容量，kVA，取式（1）的计算结果；K为换算系数，取0.8；KOL为柴油发电机短时过负荷系数。一般情况下，发电机在热状态下，能承受150%Se，时间为15 s，则可取1.5，当制造商有明确数据时，可按实际情况选用。在该项目中可取1.5。

项目工程中电动机水泵的启动方式为启动电压偏大的直接启动，计算所得的容量值较串联电抗器、自耦变压器、软启动等降压启动方式偏大，因此经计算，该工程中需满足的电动机短时过负荷容量为Se≥15 545 kVA，在额定功率因数为0.8的情况下柴油发电机组的额定功率Pe≥12 436 kW。

3）根据加载时允许的电压降来限定柴油发电机组容量。在整个黑启动过程中，为使母线段上的运行电动机少受影响，限定最大电动机启动时的电压不低于额定电压的75%为宜，在该项目中要求的系统允许压降为15%，即启动时电压不低于额定电压的85%。由于发电机空载启动电动机所引起的母线电压降低比有载启动时更为严重［7］，因此取发电机空载启动作为校验工况。根据DL/T 5153—2014《火力发电厂厂用电设计技术规定》，电动机起动时的母线电压为

式中：X′d为发电机的暂态电抗（标么值）。

发电机的暂态电抗应取暂态电抗与次暂态电抗的平均值，经验值可以取0.2。经计算，在电压降为15%时，Se=20 000 kVA。事实上，系统启动这台最大功率电动机时达到的是该最大负载的功率因数（0.86），而不是系统的平均功率因数（0.8），因此式（3）是不准确的，经过修正得到：

将式（4）整理：

经计算，当压降为15%时所需的发电机组容量Se=15 814 kVA，因此柴油发电机组的额定功率需满足Pe≥12 651 kW。

根据以上计算，初步制定3种柴油发电机起动方案，见表3。

3　黑启动柴油机输出功率的复核

由于不同地区的电厂及变电站所处的自然环境有所差异，当实际使用地点的环境条件异于标准使用条件时，对柴油机输出功率应按式（6）修正。

式中：Px为实际输出功率，kW；Pr为标准使用条件（海拔高度0m，空气温度20℃）下的输出功率，kW；α为海拔高度和空气温度综合修正系数，由产品制造厂提供。

根据KTA50、QSK60系列柴油发动机组技术参数，修正后的柴发选型方案容量计算如表4所示。

发电机起动过程中，一定会出现尖峰负荷时刻，当大功率电动机起动时过大的负荷会导致系统电压和频率降低，为了满足负荷的需求，发电机将会发生过载现象，因此按尖峰负荷来校验发电机容量是十分必要的。根据《工业与民用设计手册》中公式［8］：

表3　柴油发电机组选型方案

表4　修正后的柴油发电机选型方案

式中：Kj为因尖峰负荷造成电压、频率降低而导致电动机功率下降的系数，一般取0.9～0.95；KG为发电机允许短时过载系数，一般取1.4～1.6；Sm为最大的单台电动机或成组电动机的启动容量，kVA；Pm为Sm的有功功率，kW；Qm为Sm的无功功率，kvar。式中Sm仅代表最大的单台电动机或成组电动机的启动容量，没有考虑发电机需要同时载荷的其他负荷，因此将该式（7）作为计算尖峰时刻发电机容量的依据欠妥。另外，为了给柴油发电机留有足够的余量，将其他负荷单独划出，认为其处于正常运行状态不受发电机过载现象的影响，最终公式修改为：

式中：∑Sn-m表示除去最大单台电动机或成组电动机外，其他负荷总容量，需要注意的是该式中Pm代表最大起动负荷容量，与式（7）中不同，二者为相差启动电流倍数的关系。应用到该工程中，得出尖峰负荷时刻需要的容量不小于16 886 kVA的结果，因此3种方案都满足最终条件，但从经济效益上讲，由于柴油发电机价格随容量的增加递增非常快，1.6MW柴油发电机的价格几乎为1.2MW的两倍，具体费用见表4，经综合考量该工程最终选用方案1。

4　结语

针对目前工程中对黑启动柴油发电机组容量选择方法烦琐、无统一标准的弊端，通过计算全部负载正常运行时的负荷容量、发电机短时过负荷能力及加载时允许的母线电压降进行选型，通过校验尖峰时刻发电机容量需求及环境系数修正进行复核的方式选型，具体柴油发电机组选型与校验流程如图1所示。结合工程实例，验证了该方法的合理性，对工程实践有较好的指导意义。

但每一项工程都有其独一性，不同的柴油发电机制造厂所生产的柴油机型号及设备参数也有所区别，因此在计算过程中需要充分了解工程的实际需求，并且参照所选厂家提供的技术参数进行计算选型。

图1　柴油发电机组选型与校验流程

［1］熊惠敏，房鑫炎，郁惟慵，等.电力系统全网停电后的恢复——黑启动综述［J］电力系统及其自动化学报，1999，22（3）：12-17.

［2］袁振邦，秦鹏，李汉峰，等.4×150MW燃煤发电厂黑启动柴油发电机组选型研究［J］.广东电力，2012，25（3）：44-47.

［3］NAGATA T，SASAKI H.A Multi-agent Approach to Power System Restoration［J］.IEEE Trans on Power Systems，2002，l7（2）：457-462.

［4］刘隽，李兴源，许秀芳.互联电网的黑启动策略及相关问题［J］.电力系统自动化，2004，28（5）：93-97.

［5］张强，高明，张力强，等.大同电网利用小火电机组黑启动方案［J］.电力系统自动化，2003，27（12）：75-77.

［6］DL/T 5153—2014火力发电厂厂用电设计技术规定［S］.

［7］童西强.黑启动柴油发电机组启动电压分析及容量的选择［J］.电力建设，2007，28（1）：39-42.

［8］中国航空工业规划设计研究院.工业与民用配电设计手册（3版）［M］.北京：中国电力出版社，2011.

Capacity Calculation and Selection of Black Start-up Diesel Generator Unit for Coal-fired Power Plant

LIShiguang，LIZimeng，GAO Zhengzhong，SONG Sensen，XIAO Jiayi
（College of Electrical Engineering and Automation，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China）

When the power grid system has been stopped due to the failure the recovery ofwhole power system can be realized through the proper black start-up model.Diesel generator units are often selected as the black start-up power of a coal-fired power plant.In this paper，the selection of the diesel generator is introduced，the capacity of the diesel generator unit is summarized and adjusted in present technical regulations.Finally，the brief and reasonable type-selecting scheme of generator capacity is summarized，which is built on the calculation of the load capacity while normal operation，the short-time overload capacity of generator and the permissible bus voltage drop while loading.The scheme is checked by the capacity requirementof generator in the peak time and the environmental coefficientmodification.Combined with the actual situation，the new scheme is applied to the capacity selection of the diesel generator unit in 3×150MW coal-fired power plant，and the rationality of the scheme is verified.

diesel generator unit；black start-up；bus voltage drop；peak load

TM621.3

A

1007－9904（2016）03－0064－04

2016-01-04

李世光（1962），男，高级工程师，主要研究方向为电力系统、变频技术、计算机控制技术及其在工矿企业的应用。