西门子9F级燃机黑启动配置方式探讨

伍顺发

（广东能源集团永安热电天然气有限公司，广东 肇庆 526000）

1 引言

黑启动是指在整个电网系统因故障停运后，系统全部停电，处于全“黑”状态，不依赖别的网络帮助，通过电网系统中具有自启动能力的发电机组启动，带动无自启动能力的发电机组，逐渐扩大系统恢复范围，最终实现整个电网系统的恢复。电网黑启动成功的关键是黑启动电源，燃气轮机得益于其功率密度大、辅机功耗小、启动速度快的特点，在电网故障的情况下作为启动电源的选择，燃机运转后，可在较短时间内带动其自身的辅机，恢复负荷，恢复电网并启动其他发电设备。

2 黑启动的必要性

国内电网由于结构和调度模式，被许多人认为不可能发生大面积停电事故，但是，2005年9月26日的海南省全省停电事故、2017年8月的第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，证明这些大停电事故距离我们并不遥远。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引起电网（局部）的瓦解或崩溃所造成。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，并在珠海市金湾区登陆，登陆时最大风力达14级，刷新了1983年台风“爱伦”以来对珠三角影响最大的台风强度纪录，给珠海地区带来了严重的灾害，对电力供应造成了巨大冲击。在狂风造成全网失压、机组全停的很短时间内，洪湾电厂在6min内成功实现了黑启动柴油机带厂用电，实际用时31min成功实现了1台9E机组的黑启动，最后成功向珠海屏东站送电，为保障澳门和珠海地区供电作出重大贡献。

3 某电厂基本情况

某电厂热电联产项目建设2台西门子F级联合循环发电机组。图1为其厂用电系统接线示意图。燃机发电机装设出口断路器，每台机组设1台高压厂用变压器，每台机组设2段6kV段，6kV段的工作电源从对应机组的高厂变低压侧引接，厂用电负荷按照机组供电。设置高压备用变压器，电源取自厂内220kV配电装置，为2套机组提供事故停机和备用电源。

图1 厂用电系统接线示意图

机组的黑启动负荷在下表1中详细列出，在所有的负荷中，大部分是6kV负荷，还有小部分是燃机启动必备的燃气、油系统、水、盘车等低压负荷。因此，黑启动方案考虑设置在6kV侧，由6kV段向黑启动所需每台机组的6kV负荷和380V负荷供电。

4 黑启动的基本要求

进行黑启动的大致步骤如下。第一步：余热锅炉上水，余热锅炉上水需要的辅机是凝结水泵及高、中压给水泵，锅炉上水完成后，进行启机。黑启动阶段凝结水泵的负荷率40%即可，凝结水泵、高压给水泵按配置变频启动计算。黑启动电源首次加载的电负荷依此计算。

第二步：启动燃气轮机，此阶段需要投入其余辅机、SFC以及给凝汽器提供冷却水的循环水泵（最大容量的电动机）等。机组转速从0rpm到达500rpm后，燃烧室开始吹扫大约5～10min，吹扫完毕后，开始点火。达到2000rpm左右，SFC退出，由燃烧后的燃气驱动燃气轮机达到3000rpm。此时启动需要的辅机基本全部投入。黑启动电源应校验带负荷起动1台最大电动机，即700kW的循环水泵电动机的能力。

第三步：与发电机同步后，机组带5%的负荷并网带初始负荷，至此黑启动过程完成。

在锅炉完全烧干，锅炉上水耗时大约30min。若锅炉尚有水，只是补水的话，则锅炉上水耗时更短。从机组转速0rpm到3000rpm历时大约30min。因此，整个黑启动过程总用时长大约不会超过1h。

经计算，每台机组的黑启动计算负荷约为7729.34kW，其中最大1台启动电机循环水泵的容量为700kW，如表1所示。

表1 1台机组黑启动负荷统计

5 可选黑启动方案

目前，燃机黑启动方案有2种可供选择，分别为设置多台并联柴油发电机组方案和设置储能电池方案，2个方案内容如下。方案一：2台F级机组设4台2000kW出口电压为6kV的中速柴油发电机组，柴油机段为6kV段，引接电源至2套机组的厂用6kV段，为2套机组提供黑启动电源，柴油发电机组容量按2台机组分时段黑启动选取。同时可考虑取消专设的低压事故停机应急柴油发电机，将1台黑启动柴油发电机组兼做事故停机保安电源使用。

方案二：蓄电池。2台F级机组配置1套集装箱锂电池电网级电储能系统。采用一拖二形式接入2套机组的厂用6kV母线段，为2套机组提供黑启动电源，储能容量按2台机组分时段黑启动选取。

2个方案均需在首次加载的设备配套变频启动装置启用，以防止黑启动时最大1台电机启动时母线上的电压水平降低超过规定值。

5．1 多台并联柴油机方案

1台西门子F级燃气-蒸汽联合循环机组燃机黑启动电源容量需要校核。在对柴油机的选型校验中，进行了带负荷起动最大1台电动机时柴油发电机过负荷能力校验；起动最大电动机起动时母线上的电压水平校验；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；持续1h运行状态下输出功率校验以及柴油机的首次加载的负荷校验。由于每台机组黑启动计算负荷约为7729.34kW，因此可选用4台2000 kW的柴油发电机组并联进行黑启动。并联柴油发电机组黑启动接线方案，如图2所示。

图2 并联柴油发电机组黑启动接线方案

5．2 储能电池黑启动方案

储能电池功率需满足：（1）暂态峰值功率：厂用辅机设备包含大量的感性冲击负载，如变压器或工频水泵，启动瞬间造成冲击，引起电压跌落；（2）稳态峰值功率：SFC拖动过程，整体用电功率达到最大，但变化相对平稳。根据表1可知，循环水泵为最大功率辅机。循环水泵工频启动过程中引起6～8倍启动电流，考虑储能系统等值阻抗较大，可按6倍额定电流考虑，另需考虑20%裕度。同时电池容量还需满足单台机组1次冷态启动不成功，另加1次热态启动的电量需求。结合同类型容量电厂储能项目可选用配置额定容量为20MW的储能系统。该项目储能电池黑启动接线方案，如图3所示。

图3 储能电池黑启动接线方案

（1）通过4回路电缆接入厂侧2套机组的A/B段母线，同时增加厂侧母线段母联开关，实现黑启动过程电源一体化；

（2）可实现储能系统分别投入2套机组，同时提供辅助调频服务；

（3）采用钛酸锂电池与磷酸铁锂电池组合方式，利用钛酸锂长寿命特性，提供调频过程大部分的电量贡献率，降低铁锂电池磨损，从而延长系统寿命。

储能电池通过死母线合闸方式进行黑启动。启机过程如下：电池储能系统零起升压方式恢复厂用电，恢复范围为机组 6kV 母线及 380V 母线。燃机按正常方式启动、升转速至额定后，选择死母线方式合燃机发电机GCB，燃机励磁系统对燃机发电机、燃机主变、高厂变整体零起升压至额定。完成上述工作后，同期方式合6kV母线工作电源开关，实现燃机与储能系统并列运行。同期方式：厂侧6kV母线进线开关新增同期装置，通过光纤下送同期调整信号，实现储能电源自动跟踪燃机电源电压，达到并网条件后指令合闸。

6 黑启动方案技术对比

方案一：4台6kV 2000 kW的中速柴油发电机组并联进行黑启动，方案可行。且可将其中1台黑启动柴油机设置为快速启动柴油机，取消专设事故停机应急柴油发电机。

方案二：1套由10个2MW/2MWh储能单元组成的20MW/20MWh集装箱锂电池电网级电储能系统进行黑启动，方案可行。技术重点在于控制策略。通过合理的电池控制策略，可以实现恒压恒频放电，可以在负载功率因数较低的情况下消除谐振尖峰，保证系统稳定运行；也可以通过功率分配策略实现PCS（储能变流器）之间的功率均分。

7 结语

柴油机及锂电池2种方案技术均可行。在电网全“黑”状态时，进行机组自启动，带动无自启动能力的机组，逐渐扩大系统恢复范围，最终实现整个系统的恢复。配置的20MW/MWh储能集装箱锂电池除了作为黑启动备用电源，在正常情况下也可用于联合机组AGC调频，电池功率/电量大小可以满足调频储能需求。如果仅只考虑黑启动性能，柴油机比锂电池投资更低，但设备利用率低，维护成本高，且使用重油燃料，污染重、噪音大、配套环保措施成本更高、投资收益低；如果统筹考虑项目黑启动兼调频蓄能，储能系统可在紧急情况下充当黑启动备用电源，平时参与调频辅助服务赚取收益，投资收益高。