黑启动柴油发电机在电站项目的选型及容量计算

（山东电力建设第三工程有限公司，山东青岛 266100）

0.引言

黑启动柴油发电机为区域电站提供黑启动电源。黑启动作为投标电站的一项重大投资，需要在投标阶段给出明确的型式和容量，以明确EPC投资。

1.黑启动选型计算的意义

燃气轮机电站因为其启动时辅机系统容量小，通常在一个区域电网中承担着黑启动的功能，即当整个区域电网停电时，燃机电站配备的黑启动机组带动燃机发电机进行黑启动，进而带动整个电网启动。由于依靠蓄电池/压缩空气启动的柴油发电机组具有自动启动能力，且轻柴油高速发电机组起动时间短、带载速度快、系统简单，一次投资相对较少，故大多数的电厂都会优先选择高速柴油发电机组作为黑启动电源，本文主要讨论柴油发电机作为黑启动电源的计算及选型。

2.柴油发电机工况定义[1]

目前国内国际的柴油机生产厂家所提供的柴油机功率及运行工况定义皆是根据ISO-8528-1-2005标准，此标准中对柴油机不同工况下的额定功率和运行时限进行了区别定义。ISO-8528中对柴油机的工况定义一共有四种，这四种功率主要针对柴油发电机制造商而言，使制造商可以根据不同场景提供不同的柴油机机型。发电机的额定功率必须包含在制造商的声明中，用于说明发电机组将在商定的安装和运行条件下能够提供的功率。柴油机的额定功率以kW定义，同时定义了其功率因数(cosφ)，通常为0.8滞后。

这四种功率工况在ISO中定义分别为：

2.1 Continuous Power (COP)

连续功率：以某一恒定负荷连续运行不受限的最大功率值。

2.2 Prime Power (PRP)

主用功率：以可变负荷连续运行不受限的最大功率值。

2.3 Limited-Time running Power (LTP)

限时运行功率：发电机组按照100%负荷运行最长时间（100% 功率，500h，每年。）的最大功率值。

2.4 Emergency Standby Power (ESP)

紧急备用功率：在市电中断，发电机按可变负荷运行每年运行时间不超过200h的最大功率。

3.黑启动柴油机工况选择

如果用户不对柴油机的使用工况进行定义，制造商不了解使用条件，为了提高中标率，可能会用同样功率只能运行在ESP或者LTP工况的发电机来投标需要运行在PRP工况下的项目。机组无法长时间运行，用户到时候发现机组无法满足其使用要求的时候，损失已无法挽回。还有一种情况就是在后期执行时，开发商要求按照最高等级使用工况即COP来选同样容量的发电机，增加了发电机的造价。因此需要在投标阶段明确黑启动机组所需要运行的工况，黑启动一次启动运行时间不长，但是由于国外电网普遍比较脆弱，使用频次会比较高，因此很多业主都要求：柴油机组应该连续运行并且每12h可以超载10%运行1h，不存在过热损害。从这个规定可以看出，柴油机选型需要按照以上所列的四种工况中的PRP进行选择。

表1 负荷清单启动顺序表

4.黑启动柴油机容量计算

选定了机组的运行工况，接下来计算黑启动机组的运行容量，从而选择合适的机型作为黑启动电源。以我司投标的一个海外燃气轮机联合循环项目的黑启动柴油机机组经厂家配合计算启动带载情况，确定黑启动的投标安装容量。表1是设计院根据项目机务提资完成的负荷清单及启动顺序等数据。

表2 模拟黑启动负荷加载计算结果

接下来我们要计算一下实际需要的启动容量，由于目前国内没有相关的标准规范对黑启动柴油发电机容量选择作出明确规定，工程设计中柴油发电机容量选择计算主要参考《火力发电厂厂用电设计技术规定》DL/T5153-2002附录“柴油发电机组的选择”[2]，柴油机的选择需要满足以下要求：（1）满足机组启动时持续的负荷要求；（2）满足柴油发电机冲击峰值功率；（3）满足电动机启动时柴油发电机瞬时压降。我们将这个表格提交给厂家进行模拟启动加载计算，厂家根据启动顺序分批加载，模拟需要根据以上的规范要求进行，表2是厂家根据其计算软件模拟所得的加载过程中的频率变化、电压变化、瞬态峰值容量和稳态累计容量：

以上负荷计算书是按照1～5步的加载顺序依次启动运行，后一负荷在前一负荷启动完成后再启动，一些计算参数由于表格限制，已经省略。

由厂家的计算书可以得出：

（1）黑启动的峰值容量大约是15229kVA，最终稳定运行容量是5460.8kVA，稳态运行额定功率经计算为4437kW。

（2）同时考虑其最大峰值负荷15229.0kVA。

为保证其电压降与频率降满足保护设定值，柴油机厂家给出如下解决方案：

机组配置：6×1800kW机组。

备用功率：2000kW （2500kVA）

主用功率：1800kW（2250kVA）

功率因数：0.8lagging

转速：1500rpm

频率：50Hz

额定电压：6kV

1800kW机型由于其体积小、运行灵活、可靠性高、性价比高，通常作为黑启动电源的首选机型。当设定的系统电压降为20%时，查柴油机参数表，得柴油发电机的启动容量为：2970kVA。我们已经选定既定的机型，接下来需要进行校验，看是不是满足机组黑启动要求。

经校验满足要求。

5.结论

可以采用6台运行于PRP工况的1800kW的高速轻柴油发电机组作为此燃机联合循环项目在投标阶段的黑启动电源。

以上计算给出了柴油机的机型选择和投标容量的常规计算，是基于一般化的柴油发电机组的各项性能指标进行的。由于投标阶段所有输入比较粗略，同时，计算公式及负荷清单中的参数一般都有较大的余量，而各个厂商生产的柴油发电机，各项性能指标有很大差异，因此本选型计算主要针对的是投标阶段的黑启动容量计算，作为投标时的计算依据，在后期执行阶段，一些参数可以进行优化。例如本工程中，容量最大的负载为燃机主机的启动变频器SFC，该启动负荷突出特点是其为锯齿形负载，针对其特点，通过对柴油机调速系统、发电机调压系统及发电机组控制系统的优化，提高三个系统的控制精度、反应速度及三者之间的匹配性，从而可以实现黑启动计算容量的优化。更详细的计算和优化在项目真正开始详细设计之后进行，本计算仅用来在投标阶段选择合适的机型和粗略的黑启动柴油机组容量。