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康明斯對柴油發(fā)電機(jī)組并機(jī)運(yùn)行的研究
發(fā)布時(shí)間:2021-05-07 23:03:18  ▏閱讀:

 

新聞主題

康明斯對柴油發(fā)電機(jī)組并機(jī)運(yùn)行的研究


摘要:隨著獨(dú)立電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展,在特殊工況領(lǐng)域中多臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行的供電模式受到廣泛應(yīng)用。由于備用型柴油發(fā)電機(jī)組存在并機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)容和不同廠家、不同容量、不同型號并機(jī)問題,以及供電系統(tǒng)中并聯(lián)操作頻繁且對可靠性及穩(wěn)定性要求較高,因此研究多臺(tái)發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行的現(xiàn)實(shí)意義凸顯。

 

一、問題的提出


    隨著社會(huì)時(shí)代信息化、數(shù)據(jù)化的進(jìn)程,跟多的企業(yè)關(guān)注企業(yè)數(shù)據(jù)庫的建立和網(wǎng)絡(luò)信息的互聯(lián),數(shù)據(jù)中心的建設(shè)在進(jìn)幾年的需求呈井噴狀發(fā)展,早今年的數(shù)據(jù)中心建設(shè)的規(guī)模建設(shè)相對較小,多數(shù)早期建設(shè)數(shù)據(jù)中心的后備電源系統(tǒng)呈現(xiàn)擴(kuò)容需求。而數(shù)據(jù)中心大型化、集中化是目前數(shù)據(jù)中心建設(shè)的趨勢,且10kV備用發(fā)電機(jī)組的應(yīng)用在各數(shù)據(jù)中心的使用日趨廣泛,并機(jī)系統(tǒng)終期容量相對較大,容量范圍在10000kW~30000kW之間,若建設(shè)初期投入較多的發(fā)電機(jī)組,對數(shù)據(jù)中心的初步投資成本難以控制,同時(shí)數(shù)據(jù)中心的成本回收期也相對加大,故一般建設(shè)均是前期不認(rèn)投入,待需求增加后再行發(fā)電機(jī)組擴(kuò)容。從上述可以看出,備用發(fā)電機(jī)組的擴(kuò)容是所遇數(shù)據(jù)中心建設(shè)發(fā)展中都面臨的問題。

    備用發(fā)電機(jī)組并機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)容一般采用與原有發(fā)電機(jī)組同型號、同容量的發(fā)電機(jī)組進(jìn)行擴(kuò)容,對后期設(shè)備采購的成本難以實(shí)現(xiàn)最佳性價(jià)比,而不同廠家,不同型號,不同容量的發(fā)電機(jī)組擴(kuò)容在理論上完全可行,但是對于具體的工程實(shí)踐操作還是在試探階段,在電信行業(yè)特別是大型數(shù)據(jù)中心的備用發(fā)電機(jī)組并機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)容方案中不曾采納實(shí)施過。


柴油發(fā)電機(jī)組并機(jī)系統(tǒng)示意圖.png

圖1 柴油發(fā)電機(jī)組并機(jī)系統(tǒng)示意圖

 

 

二、前期研究和準(zhǔn)備


某數(shù)據(jù)中心建設(shè)中面臨了10kV備用發(fā)電機(jī)組的擴(kuò)容問題,在對設(shè)備進(jìn)行招標(biāo)采購之前,對并機(jī)系統(tǒng)現(xiàn)狀及并機(jī)方案進(jìn)行了研究和對比。

1、并機(jī)系統(tǒng)現(xiàn)狀

    某數(shù)據(jù)中心一套10kV備用發(fā)電機(jī)組并機(jī)系統(tǒng)先接入5臺(tái)康明斯備用高壓發(fā)電機(jī)組供電系統(tǒng),系統(tǒng)包含5臺(tái)2000kW/10kV發(fā)電機(jī)組、并機(jī)分配屏、發(fā)電機(jī)組控制屏、啟動(dòng)電池等,構(gòu)成一套并機(jī)系統(tǒng),并機(jī)控制屏安裝于動(dòng)力維護(hù)室系統(tǒng)輸出至高壓油機(jī)供電系統(tǒng),系統(tǒng)終期容量按8臺(tái)發(fā)電機(jī)組16000kW設(shè)計(jì)。發(fā)電機(jī)組的HGM9510控制屏分三種工作模式:自動(dòng)模式、手動(dòng)模式和停止模式

2、并機(jī)方式研究

    目前部分油機(jī)廠家可以實(shí)現(xiàn)不同廠家、不同容量的發(fā)電機(jī)組在同一供電系統(tǒng)并機(jī)工作,工作方式一般有以下幾種:

(1)第三方制造并機(jī)控制柜,即將所有不同廠家、容量的發(fā)電機(jī)組的輸出信號接入并機(jī)柜,并機(jī)柜中的控制器采集所有發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行情況,當(dāng)滿足并機(jī)要求時(shí),實(shí)現(xiàn)多臺(tái)不同廠家、不同容量發(fā)電機(jī)組的并機(jī);

(2)柴發(fā)廠家自帶控制器,通過追蹤已有發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行情況,當(dāng)滿足并機(jī)要求時(shí),將新增發(fā)電機(jī)組接入原有并機(jī)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)多臺(tái)不同廠家、不同容量發(fā)電機(jī)組的并機(jī)。

(3)采用和現(xiàn)有系統(tǒng)相同的并機(jī)控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)不同廠家發(fā)電機(jī)組的并機(jī)控制。

3、并機(jī)存在的問題

    不同廠家、型號容量發(fā)電機(jī)組并機(jī)最關(guān)鍵的問題是廠家控制屏的互聯(lián)互通問題。原有發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵圖紙資料不全,現(xiàn)場電纜的標(biāo)識(shí)褪色模糊,只有對原來的控制信號逐一梳理清楚后,才能在不影響原來發(fā)電機(jī)組待機(jī)的情況下進(jìn)行升級改造。并機(jī)發(fā)電機(jī)組之間最為關(guān)鍵的負(fù)載分配信號,也只能通過現(xiàn)場測量收集。數(shù)據(jù)中心對并機(jī)系統(tǒng)并機(jī)成功輸出的時(shí)間要求嚴(yán)格,控制在90s內(nèi),也是不同廠家油機(jī)系統(tǒng)并機(jī)的難題。


三、并機(jī)實(shí)踐中的問題和解決


    我們選擇和原有發(fā)電機(jī)組相同的并機(jī)控制系統(tǒng),但是軟件版本不同,是相對保守和成功可靠性較高的方式。事實(shí)遠(yuǎn)比想像復(fù)雜,在并機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)容建設(shè)過程中,研究的問題往往涵蓋不了出現(xiàn)的問題,于是我們的問題和解決方法成為最寶貴的工程經(jīng)驗(yàn)。

1、負(fù)載分配

    并機(jī)發(fā)電機(jī)組之間最為關(guān)鍵的負(fù)載分配信號,也只能通過現(xiàn)場測量收集,形成一條功率和控制電壓的關(guān)系曲線,再輸入到我們的智能控制系統(tǒng)進(jìn)行處理,經(jīng)過現(xiàn)場空載和帶載等各種工況的測試驗(yàn)證,已經(jīng)達(dá)到無縫兼容的實(shí)際效果,并且十分穩(wěn)定流暢。

 

發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性分析功角特性曲線圖.png

圖2 發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性分析功角特性曲線圖

 

2、并機(jī)控制的改造

    由于康明斯的HGM9510控制屏程序,觸摸屏源程序和包含參數(shù)地址的MODBUS通訊協(xié)議已無法獲得,只能采用串口程序現(xiàn)場調(diào)測數(shù)據(jù),一個(gè)數(shù)據(jù)包,一個(gè)數(shù)據(jù)地進(jìn)行驗(yàn)證,出現(xiàn)過個(gè)別數(shù)據(jù)格式不符,亂碼,數(shù)據(jù)丟包的現(xiàn)象,甚至還偶爾出現(xiàn)觸摸屏死機(jī)需要重啟復(fù)位的情況,經(jīng)過改進(jìn)和測試,系統(tǒng)才逐步趨向完美,達(dá)到目前的運(yùn)行穩(wěn)定。

3、環(huán)流及接地電阻控制邏輯

    通過對接地電阻的控制優(yōu)化以及控制系統(tǒng)相關(guān)無功控制參數(shù)的優(yōu)化,降低了接地環(huán)流,提供了發(fā)電機(jī)組運(yùn)行和供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

    原有系統(tǒng)中性點(diǎn)接地電阻的控制邏輯是與輸出高壓斷路器的合閘、分閘控制信號是聯(lián)動(dòng)的,即只要發(fā)電機(jī)組一合閘,其配套的接地電阻也是同時(shí)跟隨合閘的,這樣勢必在多臺(tái)發(fā)電機(jī)組并機(jī)運(yùn)行時(shí),相應(yīng)臺(tái)數(shù)的發(fā)電機(jī)組的接地電阻都是同時(shí)合閘的,通過接地電阻,所有運(yùn)行發(fā)電機(jī)組的中性點(diǎn)實(shí)際上就相互導(dǎo)通,并聯(lián)接在一起了,容易產(chǎn)生環(huán)流導(dǎo)致誤報(bào)警跳閘,甚至造成發(fā)電機(jī)組故障,影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行,也是發(fā)電機(jī)廠家所明令禁止的。

     通過增加PLC可編程邏輯控制器硬件,優(yōu)化接地電阻合閘程序,高壓斷路器的合閘控制信號不再同時(shí)給接地電阻去控制其合閘,而是將所有斷路器的合閘位置反饋信號輸入PLC可編程邏輯控制器里面,經(jīng)過邏輯處理完成后,再去控制相應(yīng)運(yùn)行發(fā)電機(jī)組的接地電阻合閘,這樣確保不管多少臺(tái)發(fā)電機(jī)組在并聯(lián)合閘運(yùn)行,系統(tǒng)里面始終只有一臺(tái)接地電阻是合閘的,如果合閘位置的那臺(tái)接地電阻對應(yīng)的發(fā)電機(jī)組停機(jī),則接地電阻會(huì)同時(shí)分閘,并自動(dòng)合上正在運(yùn)行且合閘的發(fā)電機(jī)組對應(yīng)的接地電阻,完成接地電阻的同步切換。

4、不同品牌調(diào)速器動(dòng)態(tài)響應(yīng)一致

    康明斯柴油機(jī)采用的是電子調(diào)速器,擴(kuò)容的10kV備用發(fā)電機(jī)組采用的是高壓共軌電噴ECM管理系統(tǒng),二者由于調(diào)速系統(tǒng)方式不同,無法直接握手通訊,為了滿足數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目高比例非線性負(fù)載頻繁大幅變化對調(diào)速系統(tǒng)快速響應(yīng)的要求,采用了國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線-高速CANBUS控制器局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制器間的并機(jī)數(shù)據(jù)傳輸,并且優(yōu)化調(diào)速器本身的PID閉環(huán)控制動(dòng)態(tài)參數(shù),達(dá)到了理想效果。

5、接地開關(guān)與控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互鎖

    一般高壓開關(guān)柜廠家都設(shè)計(jì)了比較完善的“五防”即:防止帶負(fù)荷合閘、防止帶接地線合閘、防止誤入帶電間隔、防止帶電掛接地線、防止帶負(fù)荷拉刀閘。

    以上針對出線柜是沒有問題的,但是用于10kV備用發(fā)電機(jī)組供電系統(tǒng)接入柜時(shí),即高壓開關(guān)柜的接地開關(guān)在位置上位于高壓開關(guān)柜最下面,在電路邏輯上處于可以提供應(yīng)急10kV高壓動(dòng)力電源的電源端,如果在高壓開關(guān)柜接地開關(guān)處于合閘狀態(tài)時(shí),柴油發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)回路沒有被閉鎖,發(fā)生啟動(dòng)并發(fā)電的情況,將造成發(fā)電機(jī)的動(dòng)力輸出直接通過接地開關(guān)短接,更為嚴(yán)重的是由于在發(fā)電機(jī)和接地開關(guān)之間沒有斷路器進(jìn)行保護(hù),后果將不堪設(shè)想。

    通過完善控制回路,實(shí)現(xiàn)當(dāng)接地開關(guān)處于合閘位置即系統(tǒng)接地時(shí),發(fā)電機(jī)組不能開機(jī)運(yùn)行,如果正在運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組檢測到接地開關(guān)狀態(tài)變換到合閘,也會(huì)立即保護(hù)停機(jī),杜絕帶接地開關(guān)啟動(dòng)運(yùn)行的可能。

6、60秒鐘內(nèi)并機(jī)帶載

    由于發(fā)電機(jī)組并機(jī)系統(tǒng)最多支持32臺(tái)并機(jī),并機(jī)的方式是接到啟動(dòng)信號,同時(shí)啟動(dòng),誰最先穩(wěn)定誰即作為首臺(tái)發(fā)電機(jī)組,立即合閘到無壓母排,后續(xù)發(fā)電機(jī)組采取同時(shí)與母排電壓即首臺(tái)合閘發(fā)電機(jī)組的電壓信號進(jìn)行跟蹤同步的方式進(jìn)行同步控制,理論上增加3臺(tái)發(fā)電機(jī)組不會(huì)增加并機(jī)所需要的時(shí)間。這個(gè)優(yōu)于并機(jī)時(shí)間疊加的傳統(tǒng)的排隊(duì)并機(jī)模式。

    通過現(xiàn)場調(diào)試及參數(shù)優(yōu)化,并通過反復(fù)并機(jī)測試,改造后8臺(tái)發(fā)電機(jī)組總的并機(jī)時(shí)間比原來5臺(tái)并機(jī)的時(shí)間還要短。

7、液晶屏顯示界面

    考慮到擴(kuò)容3臺(tái)發(fā)電機(jī)組是先進(jìn)的高壓共軌電噴發(fā)電機(jī)組,通過柴油機(jī)機(jī)帶電腦板ECM,發(fā)電機(jī)微處理器數(shù)字式調(diào)壓器BE2000E和控制器RS485通訊所能夠提供的參數(shù)要比原來5臺(tái)發(fā)電機(jī)組的多得多,為了運(yùn)行值班人員全面掌握了解實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù),在觸摸屏界面增加了大量實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)比如發(fā)電機(jī)三相定子繞組的實(shí)時(shí)溫度顯示,柴油機(jī)的進(jìn)氣壓力,增壓壓力和溫度,中冷器水溫和壓力等等監(jiān)測數(shù)據(jù)。

    在項(xiàng)目實(shí)施過程中,由于前面5臺(tái)已經(jīng)作為備用電源在網(wǎng)待機(jī),申請進(jìn)行改造及測試的時(shí)間窗口非常有限,凡是需要?jiǎng)拥皆瓉?臺(tái)發(fā)電機(jī)組控制屏的時(shí)候都面臨不少風(fēng)險(xiǎn),因此系統(tǒng)性的策劃和事無巨細(xì)的實(shí)施方案編制顯得尤為重要,為了保障實(shí)施的安全性,方案實(shí)施前準(zhǔn)備了極為細(xì)致的書面方案,并采用實(shí)物或者現(xiàn)場演示等方式向相關(guān)各方進(jìn)行演示說明。詳細(xì)說明各時(shí)間節(jié)點(diǎn)需要哪些相關(guān)方面配合到場,順利與失敗的各種應(yīng)對措施,比如怎么恢復(fù)出廠設(shè)置,恢復(fù)未改造前的初始狀態(tài),需要準(zhǔn)備什么預(yù)案來保障數(shù)據(jù)中心的供電保障等等。

 

柴油發(fā)電機(jī)組控制器硬件系統(tǒng)框圖.png

圖3 柴油發(fā)電機(jī)組控制器硬件系統(tǒng)框圖

 

8、遺留百葉窗

    原來百葉窗控制是分手動(dòng)及自動(dòng)二種模式,在自動(dòng)模式下,百葉窗的開窗和關(guān)窗受控制屏的干觸點(diǎn)自動(dòng)控制,完全無須人工干預(yù),在手動(dòng)模式下,百葉窗的開窗和關(guān)窗都是通過百葉窗控制箱上面的開窗和關(guān)窗選擇開關(guān)實(shí)現(xiàn)的,同時(shí)百葉窗與發(fā)電機(jī)組間存在聯(lián)鎖功能,不管處于自動(dòng)或者手動(dòng)模式,當(dāng)百葉窗出現(xiàn)故障,未能在開機(jī)前開窗和運(yùn)行過程中突然關(guān)窗,發(fā)電機(jī)組均會(huì)自動(dòng)聯(lián)鎖停機(jī),以防止發(fā)電機(jī)組悶死或者機(jī)房出現(xiàn)負(fù)壓破壞降噪箱的情況出現(xiàn)。

    在觸摸屏上通過RS485和MODBUS通訊實(shí)現(xiàn)開機(jī)時(shí),由于控制百葉窗開窗的繼電器是受開關(guān)柜來的干接點(diǎn)硬接線的啟動(dòng)信號控制的,該外部啟動(dòng)信號沒有的話,則百葉窗開窗控制繼電器不會(huì)得電動(dòng)作,因此百葉窗也不會(huì)自動(dòng)開窗,需要值班人員在操作觸摸屏之前去機(jī)房將百葉窗控制模式轉(zhuǎn)換到手動(dòng)模式,并通過百葉窗控制箱上的手動(dòng)開窗按鈕進(jìn)行手動(dòng)開窗,要徹底解決此問題,需要所有發(fā)電機(jī)組的控制屏與百葉窗相關(guān)的線路重新接線并敷設(shè)新控制電纜,連接發(fā)電機(jī)組控制箱和百葉窗控制箱。這也是下一步要進(jìn)行的工作。

 

總結(jié):

    從系統(tǒng)運(yùn)行可行性的前期研究和設(shè)備安裝后的現(xiàn)場問題分析,可見不同廠家、不同型號、不同容量的備用發(fā)電機(jī)組并機(jī)擴(kuò)容已經(jīng)不是一個(gè)難題,是完全可以在工程實(shí)踐中應(yīng)用的,當(dāng)然不同案例出線的問題不盡相同,在工程中盡量收集可能收集的數(shù)據(jù),做好各種應(yīng)急備案才是每個(gè)新工程、新實(shí)踐能夠成功的依據(jù)。

 

 


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