高压柴油发电机组用于电厂黑启动的实现

2011-03-20包珺彭佩怡

船电技术 2011年4期

包珺彭佩怡

（中船重工集团公司第七一二研究所，武汉 430064）

1 引言

在一些大型冶炼企业，为满足设备供电的需求和成本考虑，常常拥有企业自己的自备电厂，这些电厂一般使用汽轮机发电，同样，在一些矿藏丰富而电网电力还未到达的边远地区，由于条件限制和成本考虑，也采用汽轮机发电的独立电站。这些电站的特点是不和外部电网联网，只独立地为电站内的设备供电。当电站在建设初期或运行中因故障和检修原因停机后再启动时，需一套独立的电源将汽轮发电机辅机带起来，运行的辅机使锅炉点火，汽轮发电机发电[1]。这种独立电源带辅机启动方式也称黑启动，当汽轮发电机发电后，独立电源退出，辅机由汽轮发电机电力供电运行。高压柴油发电机作为一种稳定、可靠的独立电源，用作电厂黑启动设备具有明显优势，是非常合适的选择。本文以国内一铜业公司自备电厂用高压柴油发电机作为黑启动的案例，说明高压发电机组的系统组成，控制系统的实现方案，调试方法和结论。

2 高压发电机组供电系统组成

图1为高压发电机组供电系统图，高压发电机组供电系统由两台额定功率2200 kW，额定电压10 kV、及与之配套的发电机进线高压开关柜，水电阻负载柜，冷却风扇变压器柜，电厂负载馈线柜、母线 PT柜组成，两台柴油机选用德国奔驰公司20 V4000G63，20 缸V 形排列电喷发动机。高压发电机组的作用是在没有外部电网供电的情况下，由高压发电机将电厂辅机带起来，使锅炉点火，汽轮机发电。

图1中，电厂由两台30 MW汽轮发电机组成，以供热、供气、发电综合运行。在电厂建设初期，用外部电网临时将辅机带起来，当电厂建成后，汽轮发电机由柴油发电机来启动，整个电厂形成一个完全独立的自备电站。图1中1#、2#汽轮机可并网工作，也可单机工作。在两台汽轮机均停机情况下，柴油发电机组先将其中一台汽轮机启动，另一台汽轮机由已发电的汽轮机启动。

柴油发电机组主要负载为高压给水泵，高压循环水泵、高压引风机，高压送风机，高压负载根据工艺要求顺序启动，因1000 kW高压给水泵启动容量较大，在柴油发电机已带部分负载情况下，启动高压给水泵会导致柴油发电机组较大的电压跌落，因此对高压给水泵采用变频器的启动方式，不采用软起动器来启动是因为软起动器仍需较大起动容量，而且启动力矩受限，存在谐波等问题，采用变频器启动容量小，启动力矩大，启动完成后，还可通过改变变频器频率进行节能运行[2]。

图1 高压发电组供电系统图

3 控制系统组成

图2为发电机组控制系统总体框图。控制系统的核心为并车控制系统，由两台5510并车控制器，一台5560市电并网控制器，PLC，触摸屏、上位工控机等部件构成。PLC为整个系统运转的核心，PLC接收电厂集控台启动信号，自动启动机组，自动分合高压开关柜，同时也可通过触摸屏接收用户的操作信息手动完成机组的启、停，进线柜和输出柜的合、分闸操作。用户还可通过上位工控机远程实现发电机组自动启动，自动并机，自动带载等功能。

图2 并车控制系统总体框图

并车控制器 5510是英国深海公司（DEEPSEA）生产的一款专用于柴油发电机组之间并车控制用的模块，能够判断母线与机组出口的电压差，频率差，相位差，并调节机组的频率和电压，在满足并车条件时，发出脉冲合闸信号。在机组并车后，5510能够按不同机组之间的功率分配状况调节机组的频率和电压来调节各台机组的有功和无功，使机组之间负载均衡，5510对发电机组具有丰富的保护和报警功能，包括过电压，过流，过载，过频，低频，逆功等。电网并车控制器5560也为英国深海公司产品，其作用是控制两台 5510控制器，实现两台发电机与汽轮机并网，控制发电机组向汽轮机电网输出固定功率，转移发电机负载至电网等功能[3]。

PLC采用欧姆龙CP1H系列可编程控制器，其本身带有 I/O、AD、DA输入输出功能外，还集成了modbus通讯协议的485端口和RS232协议的 9针端口，具有很强的扩展能力，PLC和5510、5560之间的通讯采用 RS485（MODIBUS RTU）协议。Modbus 协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信。控制器能设置为两种传输模式（ASCII或RTU）中的任何一种在标准的Modbus网络通信[4]。用户选择想要的模式，包括串口通信参数（波特率、校验方式等），在配置每个控制器的时候，在一个 Modbus网络上的所有设备都必须选择相同的传输模式和串口参数。PLC通过与5510、5560、上位工控机的通信，实现整个发电机供电系统的状态监测和保护控制。

4 发电机并车带载过程

PLC在接受电厂集控台的启动指令后，发启动指令给 5560控制器，由 5560控制两台 5510并车控制器同时启动两台发电机，两台发电机中先达到稳定状态的发电机 5510控制器首先判断发电机母排电压是否为零，若母排电压为零，则直接合与之对应的发电机出口开关，此时发电机母排带电。另一台发电机稳定运行后，则与已合闸的发电机进行同期控制，同期的条件是：1）发电机组出线侧频率高于母线频率并在 0.3 Hz以内。2）发电机组出线侧电压与发电机组额定电压10000 V压差在5%以内。3）发电机组出线侧电压相位和母线电压相位差在5°内。当电压、频率、相位满足同步要求后，合与之对应的发电机出口开关，两台发电机空载并车，当两台发电机并车成功后，柴油发电机组并车控制器控制负载开关柜合闸，柴油发电机组开始带负载运行并进行负载均衡控制[5]。5510控制器实时检测两台机组所带功率，并调节两台机组的调速器，使两台机组所带功率大致相等，5510控制器还控制调压器输出，使两台机组输出无功功率相等。但为了避免过频繁操作，使机组发生功率振荡，5510设置了死区调节，即两台机组的功率差在死区范围内5510不会调节机组的转速。

4 发电机组解列过程

当汽轮机开始发电后，电网并车控制器5560判断市电电网有电，控制已带载的两台发电机组5510控制器调整两台发电机组电压、频率和相位，当发电机母排与汽轮机电网达到同期要求后，控制汽轮机电网开关合闸，并网成功后，5560控制柴油发电机组按固定功率模式为负载供电，此时剩余部分负载由汽轮机馈电，若需将全部负载转移至汽轮机，则由PLC发指令给5560控制器，5560控制器将控制5510转移全部负载至汽轮机，分发电机组电厂负载馈线柜，停两台发电机。

5 高压发电机组控制系统的调试

高压发电机首先进行单机调试，在开机之前，需对发电机5510，5560控制器参数进行设置，同时对高压开关柜耐压进行测试，对其保护参数进行模拟调整，对发电机差动保护值进行模拟调试，在以上设置完成后，空载起动发电机，观察发电机各机械、电气参数的正确性。在发电机空载测试正常后，对发动机调速器、发电机调压器的下垂特性进行单机带载设置和校正。在1#5510控制器上空载手动启动 1#机组，合其出口开关，在2#5510控制器上空载手动启动2#机组，合其出口开关，此时观测两台发电机并机是否正常，是否存在较大环流。在以上正确的基础上，做两台发电机并机带水电阻进行带载测试，观测两台发电机并机带载时负载分配的均衡性。在两台发电机并机带载正常后，模拟发电机和市电反并网控制系统功能，将一台发电机启动模拟电网，另一台发电机带水电阻负载，观测两台发电机之间负载转移和固定功率输出的正确性。将两台发电机由并车控制器启动，由5560控制器控制两台发电机和汽轮机电网进行正并网，观测发电机是否按设定的功率和功率因素输出。在以上调试完成后。进行实际黑启动试验，由电厂集控台发启动指令，并车控制器自动启动机组，自动分合高压开关柜，自动带负载，实际运行中，整个黑启动历时9小时，汽轮机发电机从静止到发电，一次启动成功。高压柴油发电机组在多台高压电机启动时，能保证频率、电压跌落在标准范围内，两台发电机有功、无功分配均衡，整个控制系统画面清晰，控制稳定可靠，完全达到实现电厂黑启动的要求。