燃气—蒸汽联合循环自备电厂黑启动柴油发电机容量选择

甘景纯

( 中国轻工业长沙工程有限公司，湖南 长沙 410114)

0 引言

轻工造纸行业的自备电厂在我国煤炭消费量中一直占有较大比例[1]。近年来，为落实绿色发展理念，燃煤自备电厂已逐步退出历史舞台，取而代之的是采用清洁能源的垃圾焚烧、固废焚烧、以及燃气—蒸汽联合循环电厂。随着造纸行业逐步迈向国外市场，国内大型的造纸企业逐渐开始在东南亚地区兴建造纸厂，如马来西亚、印尼等国家。造纸厂除了需求大量电力能源外，蒸汽热源也是造纸工艺流程中的重要能源消耗，所以燃煤自备电厂的建设一直都是造纸企业在新建项目时优先重点考虑的。然而国家发改委在2018 年下发了《燃煤自备电厂规范建设和运行专项治理方案(征求意见稿)》，对新建燃煤电厂采取严格限制措施，对已有违规建设燃煤自备电厂进行清理，限期进行环保及能耗改造，鼓励发展清洁能源。燃气—蒸汽联合循环电厂在此环境下应运而生，不仅能满足造纸厂电力负荷，还能产生大量饱和蒸汽，提供造纸生产过程中所需热量，故在造纸行业中已逐步取代传统燃煤电厂。

由于受国外上网政策影响及从用电成本考虑，大部分造纸厂内的自备电厂均采用孤网运行方式，多为一台汽机+多台燃机的组合配置模式，不与电网联络。这就需要自备电厂稳定性及可靠性较高，在机组出现故障造成全停事故后能够将电力及蒸汽负荷尽快恢复，最大程度地减少损失。联合循环燃机电厂具有启动快速、响应灵敏等特点，热态启动时1 h 内能带满负荷，冷态启动时3 h 内可带满负荷[2]。在全厂停电事故发生后，只需要提供必要的厂用电源便能在较短时间启动燃机恢复供电。

1 黑启动电源选择

“黑启动”是指在电网(厂)全停后通过具有自启动能力发电机组或外来电源来带动无自启动能力的机组实现恢复供电。对于孤网运行的自备电厂，可靠的黑启动电源是保证自备电厂黑启动的首要条件。配置黑启动电源通常采用两种方案：一种是从电网取备用电源，另一种是配备柴油发电机。但综合国外电网的政策及现状来看，从电网取得备用电源与配置黑启动柴油发电机相比并不显得经济，不仅需要单独为此建设独立的转换变电站，还要上交备用容量申请一次性费用，初期投入成本较高，以后即使不使用每月也要上交一定额度的容量备用费，而且备电申请手续十分繁琐，故大部分造纸自备电厂均以柴油发电机做为黑启动的启动电源。

2 黑启动柴油发电机组容量选择及校核

柴油发电机组的功率是指发电机组端子处为用户输出的功率，不包括基本独立辅助设备所吸收的电功率。根据目前现有设计规范及设计手册，均未提供专用于黑启动柴油发电机组容量选择的详细计算方法，大部分均是根据《火力发电厂厂用电设计技术规程》[3]附录D 中柴油发电机组的选择相关内容进行选择及校核，尽管此部分计算主要针对电厂交流保安负荷柴油发电机的选择计算，但对于黑启动柴油发电机的选择依然具有借鉴和参考意义。

2.1 工程实例计算

以国外某造纸厂燃气—蒸汽联合循环自备电厂1 台15MW 汽机+2 台42MW 燃机项目为实例来说明黑启动柴油发电机组的选择，计算主要依据《火力发电厂厂用电设计技术规程》[3]附录D 中的计算公式及方法并校验结果。

2.1.1 各阶段负荷启动顺序

第一阶段先启动化学水系统，在制水完成后停止相关负荷；

第二阶段启动余热锅炉厂用电负荷，主要为余热锅炉低压给水泵及高压给水泵，在满负荷运行约3 h，锅炉打满水后停泵；

第三阶段启动燃机，其中需要先启动天然气增压机使天然气增压到额定压力时再启动燃机，在燃机启动10 min 内，增压机以约40%负荷运行。然后再启动燃机高压启动电机及相关辅机。需注意并非所有燃机都配置了高压启动电机，实例工程采用的是三菱日立H25 型燃机。

采用三菱日立H25 型燃机黑启动时各阶段负荷启动顺序及负荷计算，如表1 所示。

表1 黑启动各阶段负荷启动顺序及负荷计算表

续表

柴油发电机组负荷计算通常采用换算系数法。换算系数主要基于大量实际运行数据的统计结果，是从实践中统计分析而得的经验数据。规范中的换算系数基本上来自于大容量机组多年运行经验总结，电机数量越多，计算结果相对更为准确[3]。而对小型的自备电厂而言计算结果的准确性较差，计算结果往往偏保守。在选择换算系数时可以参考类似项目经验，也可借鉴需要系数法进行综合考虑。而轴功率法虽然准确程度较高，但相比于换算系数法需要知道电机的轴功率、功率因数、效率值等参数，对于项目前期要收集这些参数较为困难，故在负荷计算时通常采用简单、易算的换算系数法。

在进行负荷计算时，还要根据负荷投运的实际情况，在各阶段错开运行的负荷应分开统计计算，只计算各阶段中同时运行的负荷，取各阶段负荷大者为计算功率。

2.1.2 柴油发电机组的容量选择[3]

式中：Sc为计算负荷，kVA，由表1 可以看出，第三阶段的计算负荷最大为1 740.8 kVA；Pc为计算负荷的有功功率，kW；cosφc为计算负荷的功率因数，取0.86；

代入式(1)计算后得Pc= 1 497.09 kVA，

发电机的容量选择满足式(2)、式(3)两个条件[3]：

式中：Se为发电机额定容量，kVA；代入式(2)后得Se≥1 740.8 kVA。

带负荷启动一台最大容量的电动机时的短时过负荷能力：

式中：PDm为最大电动机的额定功率，kW，由表1 可以看出最大电动机的额定功率为1 000 kW；Kq为最大电动机的启动电流倍数，本工程实例最大电动机采用软起，启动电流倍数取3.5；KOL为柴油发电机短时过负荷系数，取1.5；K为换算系数，取0.8。

代入式(3)计算后得Se≥3 543.87 kVA。

2.1.3 柴油机输出功率复核[3]

根据计算结果，初选某公司两台MGSCN2800HV柴油发电机组进行复核，主要参数如下：

电压等级：11 kV

额定频率：50 Hz

主用功率：2 000 kW / 2 500 kVA

备用功率：2 200 kW / 2 750 kVA

功率因数：0.8

发电机效率：97.1%

暂态电抗：X'd=17.4%

1)按实际使用地点的环境修正：

式中：Px为实际输出功率，kW；Pr为标准使用条件下的输出功率，kW，取2 台柴油发电机主用功率4 000 kW；a为海拔和空气湿度综合修正系数，本工程实例取1；

代入式(4)计算后得Px=4 000 kW。

2)按持续1 h 运行状态下输出功率校验：

式中：ηG为发电机效率，取0.971；β为柴油发电机组的功率配合系数，本工程实例取1.15；

代入式(5)计算后得Px≥1 611.88 kW。

3)柴油机的首次加载能力校验：

式中：∑P''eD为初始投入的负荷额定功率之和，kW，本工程实例为第一阶段投入的电机额定功率之和627 kW；KQ为启动负荷的电流倍数，取5；cosφQ为启动负荷的功率因数，取0.4。

代入式(6)计算后得Px≥3 135 kW。

2.1.4 最大电动机启动时母线的电压水平校验

如图1 所示，电动机启动时的母线电压可列式：

图1 电动机启动时等值电路图

式中：U0为厂用母线空载电压标幺值，取U0=1；SL为最大电动机启动时厂用母线已带负荷以柴油发电机额定容量为基准的标幺值；Sq为最大电动机启动负荷柴油发电机额定容量为基准的标幺值。

由于发电机空载启动电动机所引起的母线电压降比有载启动更为严重，故取严重情况作为校验工况，式(7)可化简为：

式中：Se为柴油发电机额定容量，kVA，为2 500 kVA；X'd为柴油发电机的暂态电抗标幺值，X'd=X'd1=X'd2=0.174；cosφmηm为最大电机动的效率与功率因数的乘积，取0.8。

代入式(8)计算后得Um= 86.8%。

电动机的启动扭矩与输入电压的平方成正比，为保证电机的正常启动，电动机的电磁转矩必须大于电机的阻转矩。故在最大电动机启动时，应保证母线电压不低于额定电压的75%，考虑到由黑启动柴油发电机母线段至黑启动负荷电缆压降损失[4]，宜不低于额定电压的80%。选择两台2 000 kW 柴油发电机满足黑启动负荷要求。

3 计算结果分析及优化措施

3.1 主要影响因素

经过工程实例的计算可以看出，影响柴油发电机容量选择的主要因素有：

1)电动机的启动方式对柴油发电机组容量的选择造成直接影响；

2)黑启动负荷必须要满足燃气机组在启机过程中的工艺要求；

3)最大电动机启动时母线的压降水平。

3.2 优化措施

1)电机直接启动时的启动容量倍数为6～8倍；采用软启动时可以减小到2 ～3.5 倍；采用变频启动甚至可以减小到1 ～2 倍。在选择柴油发电机时要根据具体情况分析，是考虑软启动或变频启动选择较小容量的发电机，还是采用直接启动选择较大容量的发电机，要在进行经济及技术对比后来最终确定；

2)黑启动中燃机负荷的顺序是按燃机启动的要求确定的，但可以对一部分公用的负荷启动顺序进行优化。考虑将启动容量大的电机优先启动，减少在同一时间内启动的电机数量，从而降低负荷启动的峰值功率[5]，最大程度减小柴油发电机的计算容量；

3)在电动机启动瞬间，母线电压会因在发电机本身暂态电抗中产生损失而降低[6]，此时发电机励磁系统还来不及调整。为使电动机能正常启动，加载的电动机端子电压至少应保证能克服启动转矩，同时不影响柴油发电机母线上已带负荷，规范要求母线压降小于25%。为此，如前所述一方面调整电动机启动方式；另一方面选择暂态电抗较小，过负荷能力强的柴油发电机。此外，在计算过程中，考虑的为空载时最严重的情况，实际在最大电机启动时，由于所接负载基本为旋转电机，亦能向大负荷供给启动电流，电源容量比选定值稍大，计算结果相对保守。建议在条件允许的情况进行仿真分析，能更为准确地选择柴油发电机容量。

4 结语

黑启动柴油发电机的选择对于孤网运行的燃气—蒸汽联合循环自备电厂来说非常重要，是保证电厂能够在全停条件下迅速恢复供电的先决条件，从而减少企业因停电造成的经济损失。为此在设计过程中不仅要参照规范的计算方法详细复核，同时在选择柴油发电机时应选取多个厂商的设备参数进行对比，择优选择能够满足黑启动负荷条件的厂商。