新聞主題	柴油發電機組的黑啟動原理

 

所謂黑啟動，是指在重大系統故障或全系統范圍停電的情況下，在沒有電網支持的情況下重啟無自啟動能力的發電機組，逐漸擴大系統恢復范圍，最終實現整個系統的恢復。簡單來講黑啟動的目的就是以最快速度啟動更多發電電源，從而恢復更多的發電能力。業內部分人士將“黑啟動”形象的比喻為電網的“打火機”。

 

一、保安電源

 

發電廠按使用能源劃分有下述基本類型：火力發電廠（火電廠）、水力發電廠以（水電站）及核能發電廠（核電站）等等。火力發電廠的發電機組按照原動機的形式，又可分成燃煤的汽輪發電機組、燃氣輪機發電機組，兩者優點的高效率的燃氣輪機-汽輪機聯合循環發電機組。由于600MW級及1000MW級的超臨界燃煤汽輪發電機組的國產化技術成熟，效率明顯高于300MW級及以下的小功率發電機組，相應排放也優于小功率發電機組，國家出臺了燃煤火力發電廠“上大壓小”的政策，按照該政策，除非是分布式能源配套項目、熱電聯產發電機組或者鋼鐵廠等用電大戶的自備電廠等項目，新建的燃煤火力發電廠只核建600MW級及以上汽輪發電機組。

另外，隨著環境壓力的日益嚴峻，新建的燃煤火力發電廠需要同步配套建設脫硫、脫硝以及除塵等環保設施，國家電廠上網電價政策中，也考慮到了電廠的環保成本并進行相應補貼。我國煤炭資源豐富，因此火力發電廠占有發電市場絕大部分份額，近年來隨著太陽能板價格的下降帶來發電成本的下降，新能源發電競爭力的提高，以及國家對節能減排和環保問題的重視，將大力發展清潔能源和可再生能源，燃煤火力發電廠的份額持續下降，而燃氣火力發電廠，水力發電廠，核能發電廠以及其他可再生能源類型的發電廠，包括地熱發電廠、潮汐發電廠和太陽能發電廠等占有的發電市場份額在不斷提高。其中，火力發電廠，水力發電廠，核能發電廠由于事關人身安全和設備安全的設備眾多，相關規范和標準一直都有配套后備保安柴油發電機組的要求，特別是2011年日本大地震引發海嘯導致的福島第一核電站事故，對電廠保安柴油發電機組的重要性敲響了警鐘，各國對保安柴油發電機組的重視程度空前提高，在國內核電站的安全應對措施中有一個PF項目（Post Fukushima nuclear power plant accident），其中很重要的一項就包括對核電站配套的后備柴油發電機組的結構形式、冗余備份程度、機動能力和容量進行重新評估，在原來已經配置的機房安裝的固定式后備柴油發電機組和大容量儲能蓄電池的基礎上，增加移動式后備柴油發電機組以及集中存放，具備直升機投放、快速機動能力的移動式后備柴油發電機組。

現階段火力發電廠、水力發電廠、核能發電廠針對保安柴油發電機組分別出臺了相關規范及標準，包括適用于火力發電廠的《GB 50660-2011大中型火力發電廠設計規范》、《DL／T5153-2014火力發電廠廠用電設計技術規程》，適用于水力發電廠的《NB／T 35044-2014水力發電廠廠用電設計規程》和適用于核能發電廠的《EJ／T625-2004核電廠備用電源用柴油發電機組準則》、《GB／T 12788-2000核電廠安全級電力系統準則》以及《EJ／T639-1992核電廠安全級電力系統及設備保護準則》，對不同類型發電廠的保安柴油發電機組的技術指標、控制功能、容量和選型都提出了具體的要求。

 

保安電源柴油發電機組系統圖

 

 

二、黑啟動的定義

 

除配置前述的保安柴油發電機組外，在一些電網調度指定的個別需要具備黑啟動功能的發電廠，還需要配置黑啟動柴油發電機組，當然也可以通過優化電氣主接線，將上述保安柴油發電機組和黑啟動柴油發電機組合二為一，統一考慮容量及選型，合并設置一臺具備黑啟動能力的保安柴油發電機組。

所謂黑啟動，是指大面積停電后的系統自恢復，整個系統因故障停運后，系統全部停電（不排除孤立小電網仍維持運行），處于全“黑”狀態，不依賴別的網絡幫助，通過系統中具有自啟動能力的發電機組啟動，帶動無自啟動能力的發電機組，逐漸擴大系統恢復范圍，最終實現整個系統的恢復。由于燃煤發電廠啟動工藝流程復雜，輔助設備功率較大，需要的廠用電量較大，對具有自啟動能力的發電機組要求非常高，因此常采用柴油發電機組作為燃煤發電廠的黑啟動電源。發電機組具有黑啟動功能不僅是電站在全廠失電情況下安全生產自救的必要措施，也是電網發展的需要。

 

 

黑啟動柴油發電機組技術

柴油發電機組黑啟動監控系統

 

 

三、黑啟動發電機組設計選型

 

1、 發電機組類型

黑啟動柴油機應為四沖程，其優勢在于簡單可靠的潤滑油系統。

2、建議采用并機模式

發電機的穩定穩定可靠經濟性好。

3、發電機組動力源可靠性

選擇發電機組廠家，有做過發電機組黑啟動的作為首先推薦。因為黑啟動電源一般都是高壓發電機組。必須經過高壓測試。而當前發電機組制造商水平層次不齊。

 

四、黑啟動機組配置類型

 

由于黑啟動柴油發電機組價格比較昂貴，所以設計中盡可能地減小容量和優化配置以節約費用，主要途徑有：

1、發電機kVA容量盡量大于柴油機容量

由于柴油機容量在費用上的影響大于發電機，而且，在選型中往往柴油機容量能滿足啟動和持續有功功率要求而發電機不能滿足電壓降的kVA要求，我們可以發電機kVA容量盡量大于柴油機容量，而不是標準的配套配置。

2、多發電機組并行

黑啟動柴油發電機組的費用不隨容量的變大呈正比例增長，而是越大時增長越快。所以可以采用小容量多發電機組并聯的方式。而且，小發電機組的啟動成功率遠大于大發電機組。缺點是要考慮小發電機組并行的同期系統和負荷分配。

3、過載能力和強勵

由于交流發電機可以短時過載運行，也能承受短時高溫，可以采用其過負荷能力盡量減小柴油發電機組的容量。一般柴油機在冷機狀況下有120% 運行1h的過負荷能力。如果增加柴油機排氣冷卻器，可以在費用增加不多的情況下提高出力50%，也是一個不錯的選擇方案。

另外，使用快速可靠響應的勵磁控制系統（建議采用永磁機發電機組），在電壓降落時快速反應進行強勵，從而改善電壓降和減小發電機需要容量，也是很好的經濟型方案。該方案需要軟件模擬以確認其暫態調節能力。

 

 

五、電廠使用黑啟動的原因

 

1、為什么大規模停電要持續很久不能修復呢？很久是多久，24小時恢復60%算不算久呢?

因為這些火電發電機組其實是要邊發電邊用電的，尤其是發電機組一旦停轉，啟動過程可從幾十分鐘到幾個小時不等，這個過程中無法供應電量。

（1）一旦大停電事故，系統會開始分割并形成小的電力孤島；

（2）然后各類黑啟動服務商：發電機組開始發力，使各個電力孤島開始內部運轉，讓區域內更多的負載亮起來；

（3）以及非黑啟動發電機組通過從孤島電網獲得電力并重啟系統頻率回到穩定區間；

（4）更多的分布式發電機組也開始發力多個孤島系統開啟連接，最后回到大電網穩定運行的狀態。

2、黑啟動發電機組案例

在電網大面積停電后，采取電網黑啟動措施，將大大減少電網停電時間，盡快恢復電網的正常運行。

（1）案例一

某電廠由兩臺30MW汽輪發電機組成，以供熱、供氣、發電綜合運行。在電廠建設初期，用外部電網臨時將輔機帶起來，當電廠建成后，汽輪發電機由柴油發電機來啟動，整個電廠形成一個完全獨立的自備電站。

 

柴油發電機組主要負載為高壓給水泵，高壓循環水泵、高壓引風機，高壓送風機，高壓負載根據工藝要求順序啟動，因1000kW高壓給水泵啟動容量較大，在柴油發電機已帶部分負載情況下，啟動高壓給水泵會導致柴油發電機組較大的電壓跌落，因此對高壓給水泵采用變頻器的啟動方式，不采用軟起動器來啟動是因為軟起動器仍需較大起動容量，而且啟動力矩受限，存在諧波等問題，采用變頻器啟動容量小，啟動力矩大，啟動完成后，還可通過改變變頻器頻率進行節能運行。

（2）案例二

 

2005年9月26日，受第18號臺風“達維”的影響，海南省發生了罕見的全省范圍大面積停電，當時負責運營處于孤島運行的海南電網的廣東電網公司子公司海南電網公司立即實施了黑啟動方案，這是國內當時第一次實戰的“黑啟動”。在正式下達“黑啟動”命令后僅1h25min，就有電廠宣告“黑啟動”成功，系統開始逐步恢復供電。

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