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国内电网因其结构和调度模式特征，一般不可能发生大面积停电事故，但在，2005年9月26日，海南省全省停电；2017年8月23日，第13号超强台风“天鸽”正面袭击广东珠三角地区导致珠海地区电网大面积停电，这些足以证明大面积停电事故并非遥不可及。这些大面积停电事故往往是由于电网内存在潜在的危险因素，在某种诱发因素的作用下会引起电网的瓦解或崩溃。
黑启动是在整个电网或者系统因故障停运后，不依赖别的网络的帮助，通过系统中具有自启动能力的机组的启动，带动无自启动能力的机组，逐步扩大电力系统的恢复范围，最终实现整个电力系统的恢复[1]。黑启动的关键是电源点的启动，与火电、核电机组相比，燃机具有辅助设备简单[2]、厂用电少[3]、启动速度快等优点[4-5]，成为黑启动电源的重要手段之一。而电厂交流保安电源是在发生全厂停电或在单元机组失去厂用电时，为了保证机组的安全停运，或者为了防止危及人身安全等原因，应在停电时继续由交流保安电源供电。
本文基于东莞深圳市能源集团有限公司樟洋电厂一期9E机组以及二期9F机组工程的特点及需求，考虑柴油发电机组配置方案，以实现二期9F机组的事故保安电源以及原一期9E机组黑启动电源功能。
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根据9F机组各工艺专业设备选型及负荷性质，9F机组保安电源负荷统计如表1所示。
名称 额定容量/kW 数量及运行方式 计算功率/kW 主润滑油泵 132 1，连续 132 余热锅炉电梯 8.5 1，连续 8.5 SCR入口及出口CEMS分析柜 10 1，连续 10 高压给水泵滑油站 15 2，连续 30 锅炉应急照明配电箱 3 1，连续 3 锅炉热力配电柜 55 1，连续 55 汽水系统热力配电箱 35 1，连续 35 主厂房机组DCS电源分配柜 25 1，连续 25 热控UPS电源盘 10 1，连续 10 热控APS电源盘 10 1，连续 10 循环水泵房热力配电箱 10 1，连续 10 大屏电源 14 1，连续 14 SIS电源柜 12 1，连续 12 主厂房事故照明MCC 47.56 1，连续 47.56 机组UPS电源(主输入) 120 1，连续 120 升压站UPS电源(主输入) 10 1，连续 10 机组控制用直流系统备用电源 35 1，连续 70 升压站控制用直流系统备用电源 20 1，连续 20 机组动力用直流系统备用电源 70 2，连续 70 机组交流电源屏备用电源 20 1，连续 20 9E变频主控电源 14 1，连续 14 高压给水泵变频主控电源 20 1，连续 20 凝泵变频主控电源 7 1，连续 7 励磁系统交流辅助电源 2 1，连续 2 通信机房电源 25 1，连续 25 柴油发电机交流辅助电源供油泵 3 1，连续 3 5号机主厂房电梯 13 1，连续 13 6号机主厂房电梯 13 1，连续 13 机组保安段EMCC 214.55 1，连续 从柴油机工作段直接供电 注：9F机组保安电源计算负荷为818.88 kVA（k=0.8）；9F机组保安电源计算功率704.23 kW（k=0.86）；配套柴油发电机组选型1 MW。 Table 1. Load calculation of the emergency power supply of unit 9F
根据计算结果，为了保证9F机组在发生交流厂用配电失电事故时，能安全停机，需装设快速起动柴油发电机组作为交流事故保安电源，每台机组容量为1 MW[6]。
9F机组停机后保安电源负荷计算如表2所示。9F机组停机后必需工作的保安负荷总容量每台机组为340 kW，2台机组约600 kW。
名称 额定容量/kW 数量及运行方式 计算功率/kW 主润滑油泵 132 1，连续 132 主厂房事故照明MCC 47.56 1，连续 47.56 升压站控制用直流系统备用电源 20 1，连续 20 机组保安段EMCC 140 1，连续 140 9F机组停机后保安电源计算负荷 — — 339.56 Table 2. Load calculation of the emergency power supply after unit 9F shutdown
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启动燃气轮机至并网运行需要启动系统来完成，启动装置包括启动电机等，燃气轮机的启动装置负荷是电站主要的、也是最大的电负荷，是黑启动系统的考虑重点和选型计算关键。
在外部电网失电情况下，由于一期9E机组没有保安电源，当外部电网失电后12 min内若不能向9E机组供电，9E机组会由于燃机动静部件卡涩导致短期无法再次启动发生，也就无法实现黑启动了。因此，要求黑启动电源需具备当外部电网失电后12 min内向9E机组供电的能力。黑启动的电源需考虑在9E燃机黑启动时同时给9F机组盘车等不能停运的事故保安负荷供电。
如表3所示，9E机组黑启动时每台机组低压负荷为550 kW，首次加载负荷为238 kW，另外9E燃机启动电机容量为1.45 MW[4]。根据主机厂经验反馈，黑启动初期的燃机启动马达功率1 MW，加装了变频装置之后，燃机启动马达的启动电流倍数约为额定电流的2倍[7]。
名称 额定容量/kW 数量及运行方式 计算功率/kW 冷水泵 75 1，连续 75 框架风机 45 2，连续 90 顶轴油泵(首次加载) 15 1，连续 15 透平风机 15 1，连续 15 滑油泵(首次加载) 90 1，连续 90 油雾分离机 18.5 1，连续 18.5 液压油泵(首次加载) 15 1，连续 15 盘车马达(首次加载) 30 1，连续 30 空压机 30 1，连续 30 负荷间风机 18.5 1，连续 18.5 辅助循环水泵 45 1，连续 45 其他低压负荷(首次加载) 108 1，连续 108 黑启动9E机组低压负荷 — — 550 高压启动电机 1 450 1，连续 1 450 黑启动9E机组中压负荷 — — 1 450 Table 3. Load calculation of black start of unit 9E
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基于上述9E黑启动、9F保安电源的需求，考虑采用柴油发电机组作为启动电源。9E机组黑启动时，结合其他电厂经验，为高压启动电机设置变频启动装置，以防止黑启动阶段最大1台电机启动时母线上的电压降、电动机端电压降超过规定值。
根据上述黑启动、保安电源的计算结果，9F机组停机交流事故保安电源为704 kW；9E机组黑启动每台机组低压负荷为550 kW，9E高压启动电机1.45 MW（考虑配置变频器，一拖二）；9E机组黑启动时，9F机组2台机组停机后同时必须工作的保安负荷为680 kW。
目前常用的黑启动电源配置为储能和柴发两种方案，由于储能投资造价远高于柴油机，且本工程不考虑参与调频市场，因此结合9E黑启动、9F保安需求，推荐采用柴油发电机组作为电源，柴油机设置考虑以下3个方案：
方案一[8-10]：配置3台1.2 MW柴油发电机组，其中1台用于9E机组保安电源，另外两台用于9F机组保安电源。3台1.2 MW柴油发电机组联合作为9E黑启动电源。
方案二[11-13]：9E机组单独设置1台额定容量2.6 MW，出口电压为6 kV的柴油发电机组。9F机组每台机组单独设1台1 MW的柴油机为事故保安电源供电，9E机组和9F机组的黑启动电源、保安电源完全分厂运行。
方案三[14-16]：9F机组其中1台机组设置1台额定容量2.6 MW，出口电压为6 kV的快速启动柴油发电机组，柴油机段为6 kV段，同时设置1台保安干式变为事故保安PC段降压供电，另1台机组设1台额定容量1 MW，出口电压为380 V的柴油发电机组作为事故保安电源。如一期9E机组需要黑启动，由本期设置的2.6 MW柴油发电机作为启动电源。
3个方案的柴油机选型对照表如表4所示：经分析，3个方案柴油机选型均满足要求。3种方案技术经济比较如表5、表6所示：综合技术经济比较，方案一安全可靠性高，运维方便，且整体投资最少，因此推荐该方案。具体方案如下：配置3台1.2 MW柴油发电机组，其中1台用于9E机组保安电源，另外两台用于9F机组保安电源。3台1.2 MW柴油发电机组接至9E机组黑启动段，经黑启动变给9E机组备用段供电，联合作为9E黑启动电源，用于9E机组的启动马达及其他启动负荷，如图1所示。
名称 方案一 方案二 方案三 变频启动电流倍数 2 2 2 黑启动柴油机数量 3 1 1 黑启动柴油机容量/kW 3 600 2 600 2 600 柴油机额定容量选择Se/kVA 4 500 3 250 3 250 黑启动合计容量/kVA，Sc=0.8*ΣP 1 920 1 440 1 440 黑启动合计负荷/kW，Pc=0.86Sc 1 651 1 238 1 238 起动最大一台电动机时，柴油发电机过负荷能力校验[Sc+(1.25Kq-K)Pdm]/KOL，Kq=2，K=0.8，KOL=1.5 2 413 2 093 2 093 实际使用地点的环境条件不同于标准使用条件时，对柴油机输出功率的修正：Px=aPr (a=0.92) 3 312 2 392 2 392 柴油机的首次加载能力校验要求柴油机的实际输出功率不小于2倍初始投入的起动功率
Px>2.5Kq P"eDcosØ (kq=5 cosØ=0.4) P"eD=258 kW1 290 1 290 1 290 柴油发电机母线段电压降 9.1% 12.2% 12.2% 6 kV电缆压降 1.06% 1.25% 1.25% 最大电动机（高压启动电机）起动时电动机端电压 83% 86.5% 86.5% Table 4. Check calculation for type selection of diesel generator units
名称 方案一 方案二 方案三 可靠安全性 （1）停机：当9F/9E燃机停机时，可快速启动柴油机机组为9F/9E机组安全停机等重要负荷供电。提高了9E机组停机的安全可靠性；（2）黑启动：保证9F/9E机组安全停机后，根据调度要求3台低压柴油机联合运行作为黑启动电源，能同时保证黑启动及9F机组停机后保安负荷供电，可靠性高；（3）9E及9F机组控制逻辑较简单，可靠性较高。 （1）停机：当9F燃机停机时，可快速启动柴油机机组为9F机组安全停机等重要负荷供电，可靠性高；（2）黑启动：根据调度要求9E机组中压柴油机运行作为黑启动电源。9E与9F机组完全独立；（3）9E机组控制逻辑简单，可靠性高。 （1）停机：当9F燃机停机时，可快速启动柴油机机组为机组安全停机等重要负荷供电，可靠性较高。但高压柴油机需快速启动功能，设备要求较高；（2）黑启动：根据调度要求9F机组中压柴油机运行作为黑启动电源。但如对应9F机组故障事故停机时，容量无法同时满足两者要求，需采取应急措施优先保证9F机组停机后，再实现9E黑启动；（3）机组保安段设置未保持一致性，控制逻辑复杂，可靠性低。 运维管理 （1）机组相对独立，只在黑启动时需要联合3台运行管理；（2）柴油发电机组机型完全一致，方便维护检修；（3）柴油发电机组备用容量较小，维护成本低。 （1）机组完全独立，运行管理方便；（2）柴油发电机组机型不一致，维护检修困难；（3）柴油发电机组备用容量较大，维护成本高。 （1）9F机组的1台高压柴油发电机组，同时兼做黑启动使用，独立性较差；（2）柴油发电机组机型不一致，维护检修困难；（3）柴油发电机组备用容量较小，维护成本低。 Table 5. Technical comparison
设备名称 方案一 方案二 方案三 低压快速启动柴油发电机(1 MW) － 140×2 150 低压快速启动柴油发电机(1.2 MW) 160×3 － － 高压快速启动柴油发电机(2.6 MW) － － 550 高压普通型柴油发电机(2.6 MW) － 450 － 黑启动升压干式变(3.15 MVA)(台) 28 － － 保安变(1.250 MVA) － － 12.5 中低压开关柜 30 12 12 变频启动装置(一拖二) 100 100 100 投资 638 842 824.5 投资差 － +204 +186.5 Table 6. Economic comparison
万元 
Figure 1. Elementary wiring diagram of black start
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以下为#5机组保安段控制逻辑，燃机#6机组控制类同。如图1所示，假设5K3为工作电源，5K4为备用电源，反之亦可。
1）正常工况
#5机保安段由#5机组400/230 V工作A段（B段）供电，即：5K3（5K4）、K53、K54处于合闸状态，5K4（5K3）处于分闸状态；#6机同理。#5K1/6K1开关处于常闭状态，5K2/6K2开关处于分闸状态，5K0/6K0处于分闸状态。
2）事故切换
当#5机保安段备自投装置检测到母线失压，即进线一（5K3）回路失电，备自投装置检测到进线二（5K4）有电压，则备自投装置动作出口跳5K3，然后合闸5K4，同时向柴油发电机组控制屏发出起柴油发电机组指令。当5K3、5K4进线回路均失电，则备自投装置发5K3、5K4跳闸指令，待收到开关位置信号反馈后，发出5K2合闸指令。柴油发电机组收到起动指令启动完成具备条件后，柴油发电机组控制柜自动发出5K0合闸指令，5K0合闸后向#5机组保安段负荷供电。#6机保安段失压同理。
3）市电恢复
当#5机保安段厂用电恢复需要退出柴油发电机组供电时，采取并联切换（经柴发控制器）的方式，先由DCS或人工依次发出合K53（K54）指令，备自投检同期满足条件后，合5K3（5K4）指令，分5K2指令，柴油发电机组断开5K0开关，再经可调延时停机。#6机同理。
4）紧急启动和停止柴油发电机组
柴油发电机组有传送至远方主控制室的报警信号及事故信号，运行人员根据运行工况的需要，可在就地操作紧急启动和停机按钮。
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1）9E机组黑启动前保安负荷
当9E机组厂用电系统失电，运行人员手动合SK7以及SK8，DCS向#1柴油发电机组发起柴油发电机组指令，柴油发电机组收到起动指令启动完成具备条件后，柴油发电机组控制柜自动发出1K0合闸指令，柴油发电机组通过9E机组备用段为9E机组400 V厂用段等重要保安负荷供电。
2）9E机组黑启动过程（以第1套机组为例，含#1、/#2机组，#3、/#4同理）
当电网故障出现大面积停电，9F/9E燃机停机，正常自动模式启动#5、#6、#1机组柴油机分别为各自保安段等重要负荷供电。110 kV母线电压为零，101、102开关以及6 kV厂用电61A01、61B01开关均处于分闸位置。DCS或手动合#5K6及#6K6开关，DCS发送黑启动开机指令至#1柴油发电机组，收到指令后，柴油发电机组依次启动并入9E机组黑启动380/220 V段完成3台柴油发电机组并机控制。
通过9E机组备用段以及变频器启动#1燃机启动电机，#1机组启动后合上对应变高侧断路器，实现110 kV母线带电。合上#1机组变高侧101开关，确认110 kV母线带电。向#2主变以及#1高厂变充电，确认#1高厂变运行正常后，选择“并联切换”方式，切换6 kV IA、IB段电源，确认61A01、61B01在合闸位，且61A02、61B02在分闸位后，断开60A05开关。至此，#1机组带厂用电孤岛运行，实现#1机组黑启动。
3）跳机过程
黑启动完成后，运行人员根据运行工况的需要，由并机控制屏完成3台柴发解列（依次分闸#5K5、#6K5开关），再由DCS或人工跳#5K6、#6K6开关。最后跳开#1K0开关。
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从全厂失电开始到燃机启动成功带厂用电运行，是衡量樟洋9E机组黑启动水平的重要指标。图2、图3为南网电力科技黑启动试验过程中对柴油发电机组录波图。
Figure 2. Recorded diagram of black start diesel generator units operating under 6 kV auxiliary power
Figure 3. Recorded diagram of black start diesel generator units operating with HV starter motor
由下图可知，在全厂失电后柴油发电机组成功启动并供厂用电运行的情况下，有功从0 kW加到524.4 kW，期间逐步恢复6 kV主要厂用负荷，最大负荷瞬间达到781.9 kW。用变频方式启高压启动电机，柴油机组最大有功功率达到1.997 MW。
从表7测试数据看，黑启动过程中，电压及频率均在标准±15%范围内，最大电流及最大有功在3台柴油机组额定电流、功率范围内[17-18]，配置满足要求[19-20]。
测试内容 1燃机黑启动 3燃机黑启动 电压/kV 最高6.53 最高6.52 最低5.98 最低5.97 电流/A 最大349.66 最大364.74 有功功率/kW 最大1 997 最大2 189.7 无功功率/kvar 最大1 743.9 最大1 908.6 频率/Hz 最高50.46 最高50.71 最低48.73 最低48.81 Table 7. Black start electrical data
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本文通过多方案比选后推荐配置3台1.2 MW柴油机发电机组，其中1台用于9E机组保安电源，另外两台用于9F机组保安电源，黑启动过程中3台柴油机发电机组并联作为9E机组黑启动电源方案，并就控制策略进行详细阐述。
本方案保证本厂9F事故停机保安电源的同时，又可作为原9E机组黑启动电源和保安电源，为工程节约了大量成本，同时通过黑启动广东辅助服务经济补贴（30万/台套月），1~2 a内即可收回9E机组增设黑启动功能所增设柴油发电机组以及变频器设备投资。整个方案系统清晰，可靠性高，控制灵活，投资少。经南网电科院黑启动试验，2台机组实际启动时间为46 min和54 min，启动时间短，孤岛运行稳定，满足调度3 h内完成1台机组黑启动要求。结果表明电厂具备黑启动能力，可作为广东电网黑启动电源点。
Research on the Configuration Scheme and Starting Method of Black Start and Emergency Diesel Generator Unit in Gas Turbine Power Plant
doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.02.013
- Received Date: 2022-05-05
- Rev Recd Date: 2022-09-27
- Available Online: 2023-03-13
- Publish Date: 2023-03-25
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Key words:
- emergency power supply /
- black start /
- diesel generator units /
- control logic /
- auxiliary power
Abstract:
| Citation: | XU Xiaoyan, MAO Jianfeng, SHEN Yun. Research on the Configuration Scheme and Starting Method of Black Start and Emergency Diesel Generator Unit in Gas Turbine Power Plant[J]. SOUTHERN ENERGY CONSTRUCTION, 2023, 10(2): 92-100. doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.02.013
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