黑啟動柴油發(fā)電機(jī)在電站項(xiàng)目的選型及容量計(jì)算

（山東電力建設(shè)第三工程有限公司，山東青島 266100）

0.引言

黑啟動柴油發(fā)電機(jī)為區(qū)域電站提供黑啟動電源。黑啟動作為投標(biāo)電站的一項(xiàng)重大投資，需要在投標(biāo)階段給出明確的型式和容量，以明確EPC投資。

1.黑啟動選型計(jì)算的意義

燃?xì)廨啓C(jī)電站因?yàn)槠鋯訒r輔機(jī)系統(tǒng)容量小，通常在一個區(qū)域電網(wǎng)中承擔(dān)著黑啟動的功能，即當(dāng)整個區(qū)域電網(wǎng)停電時，燃機(jī)電站配備的黑啟動機(jī)組帶動燃機(jī)發(fā)電機(jī)進(jìn)行黑啟動，進(jìn)而帶動整個電網(wǎng)啟動。由于依靠蓄電池/壓縮空氣啟動的柴油發(fā)電機(jī)組具有自動啟動能力，且輕柴油高速發(fā)電機(jī)組起動時間短、帶載速度快、系統(tǒng)簡單，一次投資相對較少，故大多數(shù)的電廠都會優(yōu)先選擇高速柴油發(fā)電機(jī)組作為黑啟動電源，本文主要討論柴油發(fā)電機(jī)作為黑啟動電源的計(jì)算及選型。

2.柴油發(fā)電機(jī)工況定義[1]

目前國內(nèi)國際的柴油機(jī)生產(chǎn)廠家所提供的柴油機(jī)功率及運(yùn)行工況定義皆是根據(jù)ISO-8528-1-2005標(biāo)準(zhǔn)，此標(biāo)準(zhǔn)中對柴油機(jī)不同工況下的額定功率和運(yùn)行時限進(jìn)行了區(qū)別定義。ISO-8528中對柴油機(jī)的工況定義一共有四種，這四種功率主要針對柴油發(fā)電機(jī)制造商而言，使制造商可以根據(jù)不同場景提供不同的柴油機(jī)機(jī)型。發(fā)電機(jī)的額定功率必須包含在制造商的聲明中，用于說明發(fā)電機(jī)組將在商定的安裝和運(yùn)行條件下能夠提供的功率。柴油機(jī)的額定功率以kW定義，同時定義了其功率因數(shù)(cosφ)，通常為0.8滯后。

這四種功率工況在ISO中定義分別為：

2.1 Continuous Power (COP)

連續(xù)功率：以某一恒定負(fù)荷連續(xù)運(yùn)行不受限的最大功率值。

2.2 Prime Power (PRP)

主用功率：以可變負(fù)荷連續(xù)運(yùn)行不受限的最大功率值。

2.3 Limited-Time running Power (LTP)

限時運(yùn)行功率：發(fā)電機(jī)組按照100%負(fù)荷運(yùn)行最長時間（100% 功率，500h，每年。）的最大功率值。

2.4 Emergency Standby Power (ESP)

緊急備用功率：在市電中斷，發(fā)電機(jī)按可變負(fù)荷運(yùn)行每年運(yùn)行時間不超過200h的最大功率。

3.黑啟動柴油機(jī)工況選擇

如果用戶不對柴油機(jī)的使用工況進(jìn)行定義，制造商不了解使用條件，為了提高中標(biāo)率，可能會用同樣功率只能運(yùn)行在ESP或者LTP工況的發(fā)電機(jī)來投標(biāo)需要運(yùn)行在PRP工況下的項(xiàng)目。機(jī)組無法長時間運(yùn)行，用戶到時候發(fā)現(xiàn)機(jī)組無法滿足其使用要求的時候，損失已無法挽回。還有一種情況就是在后期執(zhí)行時，開發(fā)商要求按照最高等級使用工況即COP來選同樣容量的發(fā)電機(jī)，增加了發(fā)電機(jī)的造價。因此需要在投標(biāo)階段明確黑啟動機(jī)組所需要運(yùn)行的工況，黑啟動一次啟動運(yùn)行時間不長，但是由于國外電網(wǎng)普遍比較脆弱，使用頻次會比較高，因此很多業(yè)主都要求：柴油機(jī)組應(yīng)該連續(xù)運(yùn)行并且每12h可以超載10%運(yùn)行1h，不存在過熱損害。從這個規(guī)定可以看出，柴油機(jī)選型需要按照以上所列的四種工況中的PRP進(jìn)行選擇。

表1 負(fù)荷清單啟動順序表

4.黑啟動柴油機(jī)容量計(jì)算

選定了機(jī)組的運(yùn)行工況，接下來計(jì)算黑啟動機(jī)組的運(yùn)行容量，從而選擇合適的機(jī)型作為黑啟動電源。以我司投標(biāo)的一個海外燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)項(xiàng)目的黑啟動柴油機(jī)機(jī)組經(jīng)廠家配合計(jì)算啟動帶載情況，確定黑啟動的投標(biāo)安裝容量。表1是設(shè)計(jì)院根據(jù)項(xiàng)目機(jī)務(wù)提資完成的負(fù)荷清單及啟動順序等數(shù)據(jù)。

表2 模擬黑啟動負(fù)荷加載計(jì)算結(jié)果

接下來我們要計(jì)算一下實(shí)際需要的啟動容量，由于目前國內(nèi)沒有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對黑啟動柴油發(fā)電機(jī)容量選擇作出明確規(guī)定，工程設(shè)計(jì)中柴油發(fā)電機(jī)容量選擇計(jì)算主要參考《火力發(fā)電廠廠用電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》DL/T5153-2002附錄“柴油發(fā)電機(jī)組的選擇”[2]，柴油機(jī)的選擇需要滿足以下要求：（1）滿足機(jī)組啟動時持續(xù)的負(fù)荷要求；（2）滿足柴油發(fā)電機(jī)沖擊峰值功率；（3）滿足電動機(jī)啟動時柴油發(fā)電機(jī)瞬時壓降。我們將這個表格提交給廠家進(jìn)行模擬啟動加載計(jì)算，廠家根據(jù)啟動順序分批加載，模擬需要根據(jù)以上的規(guī)范要求進(jìn)行，表2是廠家根據(jù)其計(jì)算軟件模擬所得的加載過程中的頻率變化、電壓變化、瞬態(tài)峰值容量和穩(wěn)態(tài)累計(jì)容量：

以上負(fù)荷計(jì)算書是按照1～5步的加載順序依次啟動運(yùn)行，后一負(fù)荷在前一負(fù)荷啟動完成后再啟動，一些計(jì)算參數(shù)由于表格限制，已經(jīng)省略。

由廠家的計(jì)算書可以得出：

（1）黑啟動的峰值容量大約是15229kVA，最終穩(wěn)定運(yùn)行容量是5460.8kVA，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行額定功率經(jīng)計(jì)算為4437kW。

（2）同時考慮其最大峰值負(fù)荷15229.0kVA。

為保證其電壓降與頻率降滿足保護(hù)設(shè)定值，柴油機(jī)廠家給出如下解決方案：

機(jī)組配置：6×1800kW機(jī)組。

備用功率：2000kW （2500kVA）

主用功率：1800kW（2250kVA）

功率因數(shù)：0.8lagging

轉(zhuǎn)速：1500rpm

頻率：50Hz

額定電壓：6kV

1800kW機(jī)型由于其體積小、運(yùn)行靈活、可靠性高、性價比高，通常作為黑啟動電源的首選機(jī)型。當(dāng)設(shè)定的系統(tǒng)電壓降為20%時，查柴油機(jī)參數(shù)表，得柴油發(fā)電機(jī)的啟動容量為：2970kVA。我們已經(jīng)選定既定的機(jī)型，接下來需要進(jìn)行校驗(yàn)，看是不是滿足機(jī)組黑啟動要求。

經(jīng)校驗(yàn)滿足要求。

5.結(jié)論

可以采用6臺運(yùn)行于PRP工況的1800kW的高速輕柴油發(fā)電機(jī)組作為此燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)項(xiàng)目在投標(biāo)階段的黑啟動電源。

以上計(jì)算給出了柴油機(jī)的機(jī)型選擇和投標(biāo)容量的常規(guī)計(jì)算，是基于一般化的柴油發(fā)電機(jī)組的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行的。由于投標(biāo)階段所有輸入比較粗略，同時，計(jì)算公式及負(fù)荷清單中的參數(shù)一般都有較大的余量，而各個廠商生產(chǎn)的柴油發(fā)電機(jī)，各項(xiàng)性能指標(biāo)有很大差異，因此本選型計(jì)算主要針對的是投標(biāo)階段的黑啟動容量計(jì)算，作為投標(biāo)時的計(jì)算依據(jù)，在后期執(zhí)行階段，一些參數(shù)可以進(jìn)行優(yōu)化。例如本工程中，容量最大的負(fù)載為燃機(jī)主機(jī)的啟動變頻器SFC，該啟動負(fù)荷突出特點(diǎn)是其為鋸齒形負(fù)載，針對其特點(diǎn)，通過對柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)調(diào)壓系統(tǒng)及發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的優(yōu)化，提高三個系統(tǒng)的控制精度、反應(yīng)速度及三者之間的匹配性，從而可以實(shí)現(xiàn)黑啟動計(jì)算容量的優(yōu)化。更詳細(xì)的計(jì)算和優(yōu)化在項(xiàng)目真正開始詳細(xì)設(shè)計(jì)之后進(jìn)行，本計(jì)算僅用來在投標(biāo)階段選擇合適的機(jī)型和粗略的黑啟動柴油機(jī)組容量。