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柴油發(fā)電機(jī)組的黑啟動(dòng)原理
發(fā)布時(shí)間:2023-05-08 17:00:15  ▏閱讀:

 

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柴油發(fā)電機(jī)組的黑啟動(dòng)原理

 

所謂黑啟動(dòng),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(dòng)能力的發(fā)電機(jī)組,逐漸擴(kuò)大系統(tǒng)恢復(fù)范圍,最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的恢復(fù)。簡(jiǎn)單來講黑啟動(dòng)的目的就是以最快速度啟動(dòng)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(dòng)”形象的比喻為電網(wǎng)的“打火機(jī)”。

 

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?;鹆Πl(fā)電廠的發(fā)電機(jī)組按照原動(dòng)機(jī)的形式,又可分成燃煤的汽輪發(fā)電機(jī)組、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組,兩者優(yōu)點(diǎn)的高效率的燃?xì)廨啓C(jī)-汽輪機(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組。由于600MW級(jí)及1000MW級(jí)的超臨界燃煤汽輪發(fā)電機(jī)組的國產(chǎn)化技術(shù)成熟,效率明顯高于300MW級(jí)及以下的小功率發(fā)電機(jī)組,相應(yīng)排放也優(yōu)于小功率發(fā)電機(jī)組,國家出臺(tái)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(xiàng)目、熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電機(jī)組或者鋼鐵廠等用電大戶的自備電廠等項(xiàng)目,新建的燃煤火力發(fā)電廠只核建600MW級(jí)及以上汽輪發(fā)電機(jī)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(jià)政策中,也考慮到了電廠的環(huán)保成本并進(jìn)行相應(yīng)補(bǔ)貼。我國煤炭資源豐富,因此火力發(fā)電廠占有發(fā)電市場(chǎng)絕大部分份額,近年來隨著太陽能板價(jià)格的下降帶來發(fā)電成本的下降,新能源發(fā)電競(jìng)爭(zhēng)力的提高,以及國家對(duì)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?xì)饣鹆Πl(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(chǎng)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(jī)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(duì)電廠保安柴油發(fā)電機(jī)組的重要性敲響了警鐘,各國對(duì)保安柴油發(fā)電機(jī)組的重視程度空前提高,在國內(nèi)核電站的安全應(yīng)對(duì)措施中有一個(gè)PF項(xiàng)目(Post Fukushima nuclear power plant accident),其中很重要的一項(xiàng)就包括對(duì)核電站配套的后備柴油發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)形式、冗余備份程度、機(jī)動(dòng)能力和容量進(jìn)行重新評(píng)估,在原來已經(jīng)配置的機(jī)房安裝的固定式后備柴油發(fā)電機(jī)組和大容量儲(chǔ)能蓄電池的基礎(chǔ)上,增加移動(dòng)式后備柴油發(fā)電機(jī)組以及集中存放,具備直升機(jī)投放、快速機(jī)動(dòng)能力的移動(dòng)式后備柴油發(fā)電機(jī)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(duì)保安柴油發(fā)電機(jī)組分別出臺(tái)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(jì)規(guī)范》、《DL/T5153-2014火力發(fā)電廠廠用電設(shè)計(jì)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(jì)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(jī)組準(zhǔn)則》、《GB/T 12788-2000核電廠安全級(jí)電力系統(tǒng)準(zhǔn)則》以及《EJ/T639-1992核電廠安全級(jí)電力系統(tǒng)及設(shè)備保護(hù)準(zhǔn)則》,對(duì)不同類型發(fā)電廠的保安柴油發(fā)電機(jī)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(jī)組系統(tǒng)圖.png

保安電源柴油發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)圖

 

 

二、黑啟動(dòng)的定義

 

除配置前述的保安柴油發(fā)電機(jī)組外,在一些電網(wǎng)調(diào)度指定的個(gè)別需要具備黑啟動(dòng)功能的發(fā)電廠,還需要配置黑啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)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(jī)組和黑啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組合二為一,統(tǒng)一考慮容量及選型,合并設(shè)置一臺(tái)具備黑啟動(dòng)能力的保安柴油發(fā)電機(jī)組。

所謂黑啟動(dòng),是指大面積停電后的系統(tǒng)自恢復(fù),整個(gè)系統(tǒng)因故障停運(yùn)后,系統(tǒng)全部停電(不排除孤立小電網(wǎng)仍維持運(yùn)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(dòng)能力的發(fā)電機(jī)組啟動(dòng),帶動(dòng)無自啟動(dòng)能力的發(fā)電機(jī)組,逐漸擴(kuò)大系統(tǒng)恢復(fù)范圍,最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的恢復(fù)。由于燃煤發(fā)電廠啟動(dòng)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(duì)具有自啟動(dòng)能力的發(fā)電機(jī)組要求非常高,因此常采用柴油發(fā)電機(jī)組作為燃煤發(fā)電廠的黑啟動(dòng)電源。發(fā)電機(jī)組具有黑啟動(dòng)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(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組技術(shù).png

黑啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組技術(shù)

柴油發(fā)電機(jī)組黑啟動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng).png

柴油發(fā)電機(jī)組黑啟動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)

 

 

三、黑啟動(dòng)發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)選型

 

1、 發(fā)電機(jī)組類型

黑啟動(dòng)柴油機(jī)應(yīng)為四沖程,其優(yōu)勢(shì)在于簡(jiǎn)單可靠的潤滑油系統(tǒng)。

2、建議采用并機(jī)模式

發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定穩(wěn)定可靠經(jīng)濟(jì)性好。

3、發(fā)電機(jī)組動(dòng)力源可靠性

選擇發(fā)電機(jī)組廠家,有做過發(fā)電機(jī)組黑啟動(dòng)的作為首先推薦。因?yàn)楹趩?dòng)電源一般都是高壓發(fā)電機(jī)組。必須經(jīng)過高壓測(cè)試。而當(dāng)前發(fā)電機(jī)組制造商水平層次不齊。

 

四、黑啟動(dòng)機(jī)組配置類型

 

由于黑啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組價(jià)格比較昂貴,所以設(shè)計(jì)中盡可能地減小容量和優(yōu)化配置以節(jié)約費(fèi)用,主要途徑有:

1、發(fā)電機(jī)kVA容量盡量大于柴油機(jī)容量

由于柴油機(jī)容量在費(fèi)用上的影響大于發(fā)電機(jī),而且,在選型中往往柴油機(jī)容量能滿足啟動(dòng)和持續(xù)有功功率要求而發(fā)電機(jī)不能滿足電壓降的kVA要求,我們可以發(fā)電機(jī)kVA容量盡量大于柴油機(jī)容量,而不是標(biāo)準(zhǔn)的配套配置。

2、多發(fā)電機(jī)組并行

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

3、過載能力和強(qiáng)勵(lì)

由于交流發(fā)電機(jī)可以短時(shí)過載運(yùn)行,也能承受短時(shí)高溫,可以采用其過負(fù)荷能力盡量減小柴油發(fā)電機(jī)組的容量。一般柴油機(jī)在冷機(jī)狀況下有120% 運(yùn)行1h的過負(fù)荷能力。如果增加柴油機(jī)排氣冷卻器,可以在費(fèi)用增加不多的情況下提高出力50%,也是一個(gè)不錯(cuò)的選擇方案。

另外,使用快速可靠響應(yīng)的勵(lì)磁控制系統(tǒng)(建議采用永磁機(jī)發(fā)電機(jī)組),在電壓降落時(shí)快速反應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)勵(lì),從而改善電壓降和減小發(fā)電機(jī)需要容量,也是很好的經(jīng)濟(jì)型方案。該方案需要軟件模擬以確認(rèn)其暫態(tài)調(diào)節(jié)能力。

 

 

五、電廠使用黑啟動(dòng)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(shí)恢復(fù)60%算不算久呢?

因?yàn)檫@些火電發(fā)電機(jī)組其實(shí)是要邊發(fā)電邊用電的,尤其是發(fā)電機(jī)組一旦停轉(zhuǎn),啟動(dòng)過程可從幾十分鐘到幾個(gè)小時(shí)不等,這個(gè)過程中無法供應(yīng)電量。

(1)一旦大停電事故,系統(tǒng)會(huì)開始分割并形成小的電力孤島;

(2)然后各類黑啟動(dòng)服務(wù)商:發(fā)電機(jī)組開始發(fā)力,使各個(gè)電力孤島開始內(nèi)部運(yùn)轉(zhuǎn),讓區(qū)域內(nèi)更多的負(fù)載亮起來;

(3)以及非黑啟動(dòng)發(fā)電機(jī)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(jī)組也開始發(fā)力多個(gè)孤島系統(tǒng)開啟連接,最后回到大電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)。

2、黑啟動(dòng)發(fā)電機(jī)組案例

在電網(wǎng)大面積停電后,采取電網(wǎng)黑啟動(dòng)措施,將大大減少電網(wǎng)停電時(shí)間,盡快恢復(fù)電網(wǎng)的正常運(yùn)行。

(1)案例一

某電廠由兩臺(tái)30MW汽輪發(fā)電機(jī)組成,以供熱、供氣、發(fā)電綜合運(yùn)行。在電廠建設(shè)初期,用外部電網(wǎng)臨時(shí)將輔機(jī)帶起來,當(dāng)電廠建成后,汽輪發(fā)電機(jī)由柴油發(fā)電機(jī)來啟動(dòng),整個(gè)電廠形成一個(gè)完全獨(dú)立的自備電站。

 

柴油發(fā)電機(jī)組主要負(fù)載為高壓給水泵,高壓循環(huán)水泵、高壓引風(fēng)機(jī),高壓送風(fēng)機(jī),高壓負(fù)載根據(jù)工藝要求順序啟動(dòng),因1000kW高壓給水泵啟動(dòng)容量較大,在柴油發(fā)電機(jī)已帶部分負(fù)載情況下,啟動(dòng)高壓給水泵會(huì)導(dǎo)致柴油發(fā)電機(jī)組較大的電壓跌落,因此對(duì)高壓給水泵采用變頻器的啟動(dòng)方式,不采用軟起動(dòng)器來啟動(dòng)是因?yàn)檐浧饎?dòng)器仍需較大起動(dòng)容量,而且啟動(dòng)力矩受限,存在諧波等問題,采用變頻器啟動(dòng)容量小,啟動(dòng)力矩大,啟動(dòng)完成后,還可通過改變變頻器頻率進(jìn)行節(jié)能運(yùn)行。

(2)案例二

 

2005年9月26日,受第18號(hào)臺(tái)風(fēng)“達(dá)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(shí)負(fù)責(zé)運(yùn)營處于孤島運(yùn)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(shí)施了黑啟動(dòng)方案,這是國內(nèi)當(dāng)時(shí)第一次實(shí)戰(zhàn)的“黑啟動(dòng)”。在正式下達(dá)“黑啟動(dòng)”命令后僅1h25min,就有電廠宣告“黑啟動(dòng)”成功,系統(tǒng)開始逐步恢復(fù)供電。



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