冗余的柴油发电机组应急电源系统切换方案探讨

中石化上海工程公司 何 勖

柴油发电机组具有热效率高、启动迅速、结构紧凑、燃料存储方便、占地面积小、工程量小、维护操作简单等特点，一般在海外石化项目中作为备用电源或应急电源的首选。通常国内采用的单套柴油发电机组与正常电源间的切换与控制是非常成熟的，其逻辑和方法也较为简单；但在海外项目中由于涉及当地企业执行自己的公司规定，也会要求使用冗余的柴油发电机组系统作为备用电源来为应急负荷供电，这就对柴油发电机组的启停和应急系统内断路器组的控制提出了更高的要求。

1 简介

1.1 项目简介

本项目主体为工艺连续生产过程的海外石油化工装置，一旦中断供电需长时间恢复生产，且会带来重大的经济损失，因此对供电的连续性和可靠性要求高，类比国内标准（《供配电系统设计规范》 GB 50052-2009、《石油化工企业供电系统设计规范》SH/T 3060-2013），其主要工艺生产装置用电负荷可被定义为一级负荷，由两路互相独立的常规电源供电；而装置内的重要仪表、火灾报警等关键工艺流程控制设备则被定义为一级负荷中特别重要的负荷，由带蓄电池的不间断电源系统供电；应急照明、特别重要的工艺设备及消防设备等也被定义为一级负荷中特别重要的负荷，除由常规电源供电外，另由柴油发电机组作为应急电源供电。

依据本项目技术要求规定，其应急母线段为额定电压480V、额定频率60Hz的低压电源，所配备的柴油发电机组系统应为冗余系统，单套柴油发电机组应能满足母线上所有应急负荷的用电需要。

1.2 应急电源系统

本项目的480V应急电源系统如图1所示，来自480V非应急母线段上的常规电源与柴油发电机组组成应急电源系统，共同为应急母线段40-ESG-902上的用电设备供电，常规电源负责正常情况下为该母线段供电，当出现电源的各种故障而引起全部电源断电时，需投入柴油发电机组作为应急电源供电。

图1 应急电源系统单线图

应急电源由冗余的柴油发电机组、柴油发电机母线40-ESG-901等组成，最终由40-ESG-901母线引出一路馈出线到应急母线段40-ESG-902。根据对本项目需由应急电源供电的设备的运行负荷及尖峰负荷容量计算，选择作为冗余系统的2套柴油发电机组单套容量为1600kW，选择40-ESG-901和40-ESG-902进线开关容量都为3200A，其母线短路容量则分别为65kA和85kA。

1.3 柴油发电机组

柴油发电机组通常由柴油机、发电机和控制屏三部分组成。本项目采用冗余的柴油发电机组作为应急电源，且选用了G2级以上的自动化柴油发电机组，该等级对柴油发电机组的自动化程度要求很高，包括：自动维持准备运行状态，包括维持机油压力、机油温度、冷却水温度；接到就地或远程指令后，机组能自动启动并供电；接到就地或远程指令后，机组能自动停机；机组的燃油、机油、冷却水能够自动补充，机组启动所用的蓄电池能自动充电；有过载、短路、过速度（或过频率）、冷却水温度过高、机油压力过低以及其他必要的保护装置；有标明正常运行或非正常运行的声光信号系统等。

2 应急电源系统控制逻辑的设计

2.1 面临的问题

和传统的单套柴油发电机组作为应急电源的应急母线段相比，冗余的柴油发电机组应急电源在由常规电源供电切换为柴油发电机组供电的过程中，存在两套柴油发电机组之间的配合问题，即对于冗余的柴油发电机组系统存在着两种不同的设计方案：第一种方案将一套柴油发电机组作为主机，另一套柴油发电机组作为备机。当系统切换为柴油发电机组供电时先启动主机，只有当主机启动不成功时才启动备机；第二种方案两套柴油发电机组互为主/备关系。当系统切换为柴油发电机组供电时，两套柴油发电机组同时启动，先启动成功的作为主机为系统提供电源。

对比这两种不同方案，可看出当采用第一种时，如出现主机故障、启动备机的情况，按照一套柴油发电机组的启动时间30秒考虑，应急母线段需至少60秒才能获得来自柴油发电机组的应急电源，且将造成大量用电设备电压的剧烈波动甚至掉电，这样应急的柴油发电机组也就失去了配备的意义，所以一般在设计过程中会考虑采用两套柴油发电机组互为主/备的方案。

但在采用两套柴油发电机组互为主/备的情况下，还需考虑如下的问题：两套柴油发电机组同时启动的情况下，如何判定哪套柴油发电机组会更早完成启动；如何避免两套柴油发电机组同时为应急母线段供电；当运行中的柴油发电机组出现故障时，如何切换到另一柴油发电机组为应急母线段供电。

2.2 解决问题的设计思路

2.2.1 柴油发电机组的配合

当柴油发电机组采用自动方式启动时，在收到外部输入的启动信号后，打开柴油机起动阀门，发动机开始运转（他力运转）。此后随着转速的升高，送往气缸的燃料油温度也会升高。当到达一定转速后在气缸高温下燃料油自燃，柴油机由他力运转变为自力运转。在此过程中柴油机转速逐步提高，并通过调速器控制达到规定的转速。与柴油机的启动过程同时进行的还有发电机的励磁过程，其有多种形式，在此以复励方式为例做简单说明。复励分为他励和自励，在启动过程中采用他励方式，一般通过蓄电池给供电，为发电机提供恒定励磁；当发电机能输出额定电压和频率后系统切换为自励方式，进入正常运行。

根据对柴油发电机组启动过程的描述，可发现其启动的成功将通过系统检测柴油发电机组输出电源的电气参数，即电压和频率的确认来达到的。对于本项目两套柴油发电机组同时启动的情况，将通过同时监控两套柴油发电机组的启动情况，来判定哪套柴油发电机组率先完成启动动作。

2.2.2 柴油发电机母线进线开关的配合

当一套柴油发电机组完成启动动作时，其对应断路器合闸（依据本套柴油发电机组的起动及供电特性曲线加入适当延时），同时发出一个停机命令给另一套柴油发电机组，并通过两台断路器间的ATS（自动电源切换系统，即Automatic Transfer Switching）逻辑实现两套柴油发电机组的各自进线断路器互锁，以确保其中一台进线断路器不会合闸。

2.2.3 故障状态时的柴油发电机组切换动作

当运行中的柴油发电机组出现故障时，会通过自身的控制系统发出故障信号；另一套柴油发电机组在收到该信号后，将立刻启动并尽可能早地输出合格电源给应急母线段，以缩短应急母线段的失电时间。与此同时，断开故障柴油发电机组侧的柴油发电机母线进线开关，并通过ATS功能解除另一侧断路器的锁定状态，这样在另一侧柴油发电机组启动完成后，断路器能正常合闸。

2.3 ATS系统简介

上述ATS即自动电源切换系统，是近年来在国内外石化企业乃至工业企业中常用的一种实现两台甚至多台断路器之间切换功能的智能控制器。通过对控制器的编程，可实现各种复杂的断路器控制逻辑。ATS可采用带母线残压闭锁或延时切换方式，也可采用带同期检定的快速切换方式（以下简称为“检同期”）。

所谓的检同期是指在合断路器之前，先检测断路器两端（线路侧和母线侧）是否满足同期条件（即电压、频率、角度都在允许范围内，可在定值中整定），再合断路器。在本项目中，利用带检同期功能的断路器可对常规电源、柴油发电机组应急电源等进行检测，并对柴油发电机组启动完成、常规电源正常以及常规电源失电等情况进行判断。

3 应急电源系统控制逻辑及对电气设备的要求

3.1 应急电源系统控制逻辑

本项目应急电源系统的启动、故障切换和停止等控制，将由柴油发电机组、柴油发电机母线、应急母线段进线断路器等应急电源系统内设备共同参与完成，现对整个启停控制流程阐述如下：

应急电源系统的启动流程：40-ESG-902段常规电源进线通过检同期功能，检测到本身低电压后，将其“低电压”信号作为柴油发电机的启动信号，送往两套柴油发电机组的控制盘；两套柴油发电机组收到启动信号后同时启动；40-ESG-901段应急电源进线同时检测本段柴油发电机组是否启动完成（通过检同期功能监测输入的电压和频率），如果某套启动完成，则合对应其断路器，同时送出一个“启动完成”信号到另一套柴油发电机组控制盘作为其停止信号，同时40-ESG-901两台断路器用ATS逻辑实现互锁，保证其不能同时合闸；40-ESG-902段进线也利用ATS逻辑互锁，在失去常规电源同时柴油发电机组完成启动动作（电压和频率正常）后，完成互切。

应急电源系统的故障切换流程：如果在运行过程中柴油发电机组发生故障，则发送“跳闸”信号到其对应断路器，命令该断路器分闸；同时将“跳闸”信号送到另一侧的柴油发电机组作为其启动信号；收到该启动信号后，另一侧柴油发电机重新执行本文所描述的启动动作流程。在此过程中故障的柴油发电机组不参与重新启动过程。

应急电源系统的停止流程：40-ESG-902段检同期逻辑检测到常规电源电压正常后，发命令至对应断路器合闸，同时将本段“电压正常”信号作为柴油发电机组的“停止”信号送至其控制盘，同时通过ATS互锁功能断开40-SG-902段对应断路器。在40-SG-901段各断路器检测到本段失压后，其ATS功能将发出命令让其分闸。

3.2 应急电源系统对电气设备的要求

根据上述逻辑表述，可拆分出如下对于应急电源系统包含的各组设备的信号交接清单及其控制要求。需说明的是，下述所有进线断路器的分合闸要求只考虑了应急电源系统启停控制中出现的情况，此外还需考虑国家标准中要求的各类故障跳闸以及手动分/合闸等功能，由于这些功能与本文讨论的内容无关，故不再赘述。

柴油发电机组控制逻辑。柴油发电机组的启动条件：收到来自40-ESG-901段其对侧进线“跳闸”信号，收到来自40-ESG-902段常规电源进线“低电压”信号；柴油发电机组的停止条件：收到来自40-ESG-901段其对侧进线柜“启动完成”信号，收到来自40-ESG-902段常规电源进线“电压正常”信号；柴油发电机发出的信号：至本侧40-ESG-901进线柜分闸回路的“跳闸”信号，用于进线柜断路器分闸。

柴油发电机母线40-ESG-901段控制逻辑。进线断路器合闸条件：通过检同期功能判定本段“启动完成”后合闸；进线断路器分闸条件：对应的柴油发电机组“跳闸”信号。

应急母线40-ESG-902控制逻辑。通过检同期功能，判定本段的“电压正常”和“失压”状态，完成断路器分/合闸控制；40-ESG-902段发出的信号：至柴油发电机组40-G-901A/B控制盘的“电压正常”信号用于停止柴油发电机组，至柴油发电机组40-G-901A/B控制盘的“失压”信号用于启动柴油发电机组。

综上，当柴油发电机组采用冗余系统时，其控制系统的复杂程度及两套柴油发电机组对应断路器的配合问题，相比单套柴油发电机组的情况复杂得多，对于设计人员须有足够的心理准备。可以肯定的是，相比于预先定义柴油发电机组为主机和备机的方式，本文所描述的柴油发电机组及对应断路器的控制方式将有利于提高应急电源系统的可靠性。对于断路器之间的配合，ATS的使用可以减少控制逻辑的复杂程度，但需要注意的是，ATS产品由于厂家的不同，在控制逻辑和逻辑编程上也存在不同，需要设计人员根据项目的具体情况来确定。