LM系列航改型燃气轮机作为黑启动电源的探讨

2019-07-10邱冬高彦生陈向阳

综合智慧能源 2019年6期

邱冬，高彦生，陈向阳

(华电通用轻型燃机设备有限公司，上海 201108)

0 引言

黑启动即电网因故障大面积停电后的系统自恢复，黑启动不需要依靠其他外部电源，仅通过系统内具有自启动能力的发电机组启动并带动无自启动能力发电机组，逐步扩大恢复整个电网系统。作为电网黑启动的电源，需要具备辅助设备简单、厂用电少、启动速度快等特点。目前常用的黑启动电源有水轮发电机组和燃气轮机发电机组。本文主要探讨LM系列航改型燃气轮机发电机组作为黑启动电源的特点和优势[1]。

1 LM航改型燃气轮机发电机组介绍

LM航改型燃气轮机发电机组由航空发动机改进而来，使用高温合金材料，采用薄壁结构，可快速启停且启停次数不影响机组寿命和性能，具有一键启动、结构紧凑、负荷响应迅速、所需配套设施简单等特点，非常适合作为电网黑启动电源[2]。

图1为LM6000燃气轮机发电机组的布置图，该机组采用模块化设计。图2为LM6000燃气轮机发电机组的启动流程，其冷态下正常启动至满负荷需10 min，紧急状况下可启用快速启动功能，可在5 min内启动至满负荷[3]。

图1 LM6000燃气轮机发电机组布置Fig.1 Layout of LM6000 gas turbine generator set

2 电厂启用黑启动的经济效益

电厂的黑启动功能是电网有偿辅助服务的一部分，按照不同电网的辅助服务管理实施细则，有不同的考核及补偿办法。以南方电网为例，《南方区域并网发电厂辅助服务管理实施细则(2017版)》规定的具体实施细则和补偿标准如下。

电力调度机构与电厂签订黑启动技术协议后，并网发电厂须委托具备国家认证资质的机构开展黑启动试验，试验合格并经电力调度机构认可后，将黑启动协议和黑启动试验合格报告报能源监管机构备案。

图2 LM6000燃气轮机发电机组启动流程Fig.2 LM6000 gas turbine generator set start process

提供黑启动服务的机组每半年自检进行一次黑启动试验，每2年委托具备国家认证资质的机构进行一次黑启动试验(机组大修后必须进行一次黑启动试验)，并经电力调度机构认可，报能源监管机构备案。

对符合规定的黑启动机组，从试验合格次月开始按照每月3万元/台的标准补偿黑启动能力费。黑启动使用费的补偿标准为360万元/台次。

3 机组黑启动分析

以新建LM6000燃气轮机发电机组为例，在整厂设计和燃气轮机机组设计制造时就需要考虑黑启动功能的实现和配套设备[4]。

3.1 黑启动燃料要求

LM6000燃气轮机发电机组采用管道天然气作为燃料，天然气压力在1.8 MPa以上时，机组即可正常启动并发出4～6 MW的电能。一般的管道气压力均能满足此要求，无需额外考虑启动天然气增压设备所需的电源。机组并网成功输出有功电能后，再启动天然气增压设备，即可继续增加机组出力至额定值。图3为LM6000燃气轮机发电机组天然气压力对应的机组负荷。

3.2 黑启动柴油发电机组配置要求

LM6000燃气轮机发电机组的辅助设备交流负荷配置见表1。

表1中，400 V交流负荷总和为375.1 kW，燃气轮机的控制系统负责控制这些负载的启动顺序，启动顺序设置在不同的时间序列，可以避免启动电流的叠加，减少柴油发电机的尖峰负荷。而机组启动所需的直流负荷电源，如24 V DC控制电源、24 V DC燃气轮机机组消防电源、125 V DC电源等，均可以由配套的电池组提供，电池组的设计容量基本能够满足运行8 h左右，无需额外的电力。因此，一般配置的柴油发电机只需要满足燃气轮机辅助设备的启动和持续有功功率要求即可，需要注意的是，柴油机配套的发电机容量尽量大于柴油机容量，以避免大功率设备启动时的电压降影响[5]。

图3 LM6000燃气轮机发电机组燃气压力对应机组出力Fig.3 Output of LM6000 gas turbine generator set corresponding to gas pressure

表1 LM6000燃气轮机发电机组辅助设备交流负荷Tab.1 AC load of LM6000 gas turbine generator set auxiliary equipment kW

3.3 燃气轮机发电机与柴油发电机的同期装置

电厂需要配置1套燃气轮机发电机与柴油发电机的同期装置。黑启动过程中，首先由柴油发电机提供电源给燃气轮机辅助设备以启动机组，一般情况下柴油发电机并入厂用10 kV母线段；燃气轮机发电机启动运行后，需要通过此同期装置与柴油发电机并网，然后逐渐降低柴油发电机负荷直至停机，由燃气轮机发电机提供全部的厂用电。

3.4 黑启动控制系统及操作流程

黑启动功能主要由燃气轮机控制系统来实现，电厂分散控制系统(DCS)可以不做额外的逻辑变更。电网发生事故导致整个系统停运后，电厂可按预先制定的黑启动方案进行电厂燃气轮机机组的自启动。

(1)在现场控制柜上将需要黑启动的燃气轮机机组控制模式调至现场手动模式。

(2)检查燃气轮机控制柜上的发电机出口断路器控制开关，确认断路器处于正常脱扣状态且没有报警。

(3)从电厂的总控制室发出一路干接点的黑启动允许指令至燃气轮机控制系统(此路信号的设计主要为防止误操作)。

(4)当以下5个状态全部满足后，燃气轮机机组处于黑启动允许状态，燃气轮机人机接口(HMI)上会出现“黑启动”按钮(条件不满足时不会出现此按钮)：总控制室发出黑启动允许指令；发电机出口断路器处于分闸状态；主变压器高压侧断路器处于分闸状态；燃气轮机机组处于现场手动模式；燃气轮机机组处于正常待机启动状态。

(5)出于安全考虑，运行操作人员此时需要再对发电机出口10 kV母线进行检查，确认10 kV母线处于死母线状态，避免发生事故。

(6)启动柴油发电机并连接至厂用10 kV母线，对燃气轮机机组的辅助设备供电。

(7)在燃气轮机HMI上点击“黑启动”按钮，激活燃气轮机黑启动程序，启动燃气轮机直至机组运转至全速空载状态。此时控制系统通过外部信号检测及逻辑运算判断发电机出口断路器是否处于可合闸状态，并在燃气轮机HMI上显示。

(8)在燃气轮机控制柜上通过发电机出口断路器开关手动合闸发电机出口断路器；同时，运行操作人员在现场确认发电机出口断路器已合闸成功且没有报警。

(9)发电机出口短路器合闸后，在燃气轮机HMI上会出现“AVR ENABLE”按钮，点击后自动电压调节器(AVR)会控制发电机的电压上升至额定值，电压上升速率通常为600 V/s，此时燃气轮机发电机组处于孤岛运行模式。在正常的机组同期并网程序中，发电机在合闸发电机出口断路器之前已经建立电压，而主变压器由低压侧合闸充电(反送电)，会导致低压侧的励磁涌流过大，产生巨大的冲击电流，进而造成电气保护动作和变压器损坏。因此，在黑启动逻辑设置中，将发电机励磁建压调整至发电机出口断路器合闸之后，可以在变压器二次侧缓慢升压，减小对变压器的危害。

(10)通过同期装置同步燃气轮机发电机和柴油发电机，并列后逐步降低柴油发电机的负荷直至停机，此时由燃气轮机发电机单独对厂用电供电，这时也可以将其他厂用电负荷接入。

(11)根据电网的调度需求，合闸主变压器高压侧断路器，对电网供电，带动其他电厂的发电机组启动。

(12)电网恢复后，燃气轮机机组可以停机，然后再进行正常的启动运行；或者不停机，直接在燃气轮机HMI界面上点击“取消黑启动”按钮，燃气轮机机组就会从孤岛运行模式直接切换至并网运行模式。

如果黑启动流程非常繁琐且需要进行大量的手动操作，难免会出现操作错误等问题。LM系列航改型燃气轮机机组的黑启动流程非常简单，运行逻辑都是标准配置好的，整个黑启动过程基本与正常启动一样，而且均由系统自动控制完成，减少了人员紧急操作的要求，保证整个黑启动能够快速、安全地执行。

3.5 实际应用

广西华电南宁华南城冷热电联供电厂的2台LM6000 PF机组在项目启动之初就考虑了黑启动功能的应用，2017年11月1日，在电网调度的配合下，根据机组黑启动流程，相继完成了2台机组的黑启动试验。试验在完全模拟电网黑网的情况下，利用电厂配置的柴油发电机启动并同期至400 V厂用电母线，从而带动燃气轮机机组负荷，然后燃气轮机机组按照黑启动程序启动运行并网。试验过程符合黑启动操作流程要求，试验结果满足电网的各项标准规定。