缅甸薄弱电网背景下燃机项目黑启动电源配置方案分析

2023-09-21张奋来

科学技术创新 2023年22期

张奋来

（中国电建集团海外投资有限公司，北京）

1 电厂概况

缅甸皎漂燃气电站位于缅甸西部的若开邦，皎漂是缅甸与中国及其他邻国的物流中转站，其位置具有非常重要的战略意义。皎漂地区电力严重不足，交通、通讯等基础设施不尽完善，缅甸皎漂燃气电站投运后将成为皎漂地区一个永久电源点，可大大提高该地区供电的可靠性及安全性。

缅甸皎漂燃气电站在系统中的定位为基荷电厂，建设规模为额定出力约137.58 MW 的“二拖一”燃气- 蒸汽多轴联合循环机组，配置2 台燃机+2 台燃机发电机+2 台余热锅炉+ 1 台纯凝式汽轮发电机组，多轴联合循环机组，电厂生产用水采用海水，生活用水采用地下水。

2 黑启动必要性

随着电力系统相关理论和技术的不断成熟和发展，电网建设得到了空前迅速的发展，世界各国相继出现了许多跨地区甚至跨国的大电网和超级大电网，电网结构日趋合理，且日益强大。但经过几十年的运行表明，凡事都有两面性，随着现代电力系统的加强，其防范和抵御事故的能力虽然提高了，但是一旦发生大面积停电和电网全网停电后，因电网的复杂性和庞大性，也使得电网的恢复过程变得空前的复杂。

从20 世纪60 年代开始，一些国际著名的大电网就相继出现了大停电事故，这些事故给国民经济和电力系统本身都带来了空前的损失，为此如何使电网尽快恢复供电，以减少停电带来的损失，就成了各大电网所面临的问题之一。纽约、东京、中国台湾等大停电事故的经验和教训表明，为在电网大面积停电或全部停电后能快速而有序地恢复，事先必须制定有关方案，即“黑启动”方案，以最大限度地加快恢复速度，从而最大限度地减少因停电而带来的经济损失[1]。

缅甸电网由国家互联电网和偏远地区的孤立电网组成，主要包含有230 kV、132 kV、66 kV、33 kV 四种电压等级，围绕中部的仰光- 曼德勒负荷中心向周边延伸，覆盖了中部的多数省份。仰光、曼德勒和内比都三个城市占总用电负荷的61%，其余39%为其他城市和乡村用电。缅甸电网技术装备落后，电网保护、控制及通信设备整体陈旧，自动控制和继电保护功能欠缺，不能对电网进行实时有效的监控和保护。

根据缅甸电力部分相关要求，结合缅甸国内电网实际情况，本工程需要设置黑启动电源。黑启动是指整个电力系统因故障停运后，不依靠外部系统的帮助，通过系统中具有启动能力机组的启动，带动其它无自启动能力的机组，逐步扩大系统的恢复范围，最终恢复整个系统的运行。

本项目电气主接线方案如下：2 台燃机发电机组采用发电机- 变压器组单元接线，经主变升压至230 kV，采用电缆接入厂内230 kV配电装置；1 台汽轮发电机组经主变升压至230 kV，采用电缆接入厂内230 kV 配电装置，230 kV 配电装置采用户内GIS 方案。2 台燃机发电机出口均设置发电机出口断路器，汽机发电机出口不设置发电机出口断路器。全厂电气主接线原理见图1。

图1 全厂电气主接线原理

每台机组的燃机起动器电源从该机组6 kV 厂用电工作段引接。燃机正常启动时，通过230 kV系统倒送电至6 kV工作段。燃机启动电机接线见图2。

图2 燃机启动电机接线

3 黑启动要求

缅甸皎漂燃气电站采用西门子公司SGT-800 燃气轮机作为主机，设有旁路烟囱，可以实现简单循环或者联合循环两种运行模式。

3.1 主机启动对黑启动的要求

由于缅甸皎漂燃气电站燃机可在简单循环模式下运行即燃机在不带余热锅炉与汽机，工况下单独运行，且燃机出口设有高压厂用变压器，在燃机启动后，6 kV 工作段已经正常供电，全厂负荷均可以正常启动，黑启动电源已经切出，故黑启动电源仅需满足燃机启动时所需的工艺电负荷和控制电负荷要求。

3.2 辅助设备对黑启动的要求

由于工作在简单循环模式下，除燃机启动电机与燃机MCC 低压启动负荷外，厂区辅助设备需要参与黑启动有闭式循环冷却水泵、循环水泵、冷却塔风机、天然级调压站负荷、必要的热控设备、二次保护设备与照明负荷等。燃机启动时转矩、速度与消耗功率曲线见图3。

图3 燃机启动时转矩、速度与消耗功率曲线

3.3 母线供电对黑启动的要求

燃气轮机在黑启动柴油机的供电下启动并到全速空载时，由于母线侧依然没电所以不能进行正常同期操作。在此时就需要母线合闸给主变送电并恢复厂用电，从而逐步替换下黑启动柴油发电机。由于主变低压侧阻抗小，而且在初充时由于电磁还未建立，所以会导致巨大的冲击电流而导致电气保护动作引起黑启动失败。在合发电机出口开关时去掉发电机励磁使之不带电压或只带剩余电压合闸，合闸成功后再缓慢建立发电机电压及主变电压至额定值。母线合闸前运行人员要确保母线为不带电状态，并且接地刀和隔离刀在正确位置。建议接地刀和隔离刀的位置信号接入DCS 后送至燃气轮机控制系统作为允许“母线合闸”的闭锁信号[2]。一旦选择母线合闸模式，励磁就处于关断状态，这时候发电机电压会逐渐下降，其速率和发电机时间常数相关。当发电机电压降至10%并维持5s 时，控制盘给出报警“机组准备母线合闸”，这时候运行员在操作台站人机界面（HMI）上按下“合闸”按钮，合闸并逐渐升压。如果在去磁28s内发电机电压未降至10%，该次母线合闸将自动取消。

4 燃机黑启动电源配置

4.1 黑启动电源

本工程装设发电机出口断路器，每台燃机设1 台高压厂用工作变压器，采用6.3 MVA 的双卷变压器。由于设置发电机出口断路器,燃机启动电源由系统直接引接，高压厂用变压器采用有载调压方式，厂用变压器的电压为11±8×1.25%/6.3 kV，变压器电源由发电机出口断路器外侧引接。每台机组设1 段6 kV工作母线，向本单元燃机及汽机机组厂用负荷供电，6 kV工作母线电源从高厂变低压侧引接。不设启备变。

2 台高压厂用变压器均可带全厂正常运行负荷，不设置启动备用变压器。当机组正常起动时，燃机发电机组的起动电源是经过主变压器倒送电至高压厂用工作变压器获得。

本工程黑启动电源全厂设置一组，拟分别接至2 台机组6 kV 工作母线，可以满足任一机组启动时电源要求，黑启动电源容量满足机组启动负荷要求。

根据DL/T5174-2016《燃气- 蒸汽联合循环电厂设计规定》要求，发电容量小于200 MW 的非调峰机组应根据制造厂要求，决定是否设置交流保安电源。根据本工程各主机厂家要求，仅燃机轮机启动电机（6 kV 供电）在机组停机时需要满足盘车要求，燃机轮机低压段重要负荷已经设置UPS 电源，其他负荷无保安电源要求。由于本工程已经设置高压黑启动柴油发电机，在满足黑启动同时兼具保安电源能力，故本工程不再设置低压保安柴油发电机与低压保安段。

4.2 黑启动电源形式选择

黑启动电源可以采用柴油发电机组和电池储能装置。下面对两种形式的黑启动电源进行比较分析。

4.2.1 电池储能装置的供电及监控系统要求（1）控制系统的供电要求。并网逆变器的控制系统应采用并网逆变器直接从逆变器直流侧和交流侧同时取电的双路冗余供电方式。（2）控制系统的基本要求。并网逆变器的控制系统应采用高性能DSP 冗余备份的全数字化控制结构以确保控制系统损坏后，逆变器可以安全停机；反馈环节应采用低温漂、高精度、宽温度范围的高品质传感器（传感器的带宽和实际检测精度必须满足控制要求）；模数和数模转换环节应采用高精度的高速AD/DA（如有）；控制系统和为其供电的多路冗余辅助电源应满足25 年使用寿命的要求[3]。控制系统应能稳定、快速的实现最大功率点跟踪和输出波形质量控制，以确保并网逆变器获得最大的功率输入并输出预期的正序正弦波电流。（3）通信。并网逆变器应提供标准的隔离型RS485标准通信接口或PLC 电力载波接口，并网逆变器应能与光伏电站监控系统或数据采集器通过基于RS485 通信接口的Modbus RTU 协议或PLC 电力载波进行通信。（4）投标并网逆变器应具有自动与电网侧同步的功能。并网逆变器应能根据日出及日落的日照条件，实现自动开机和关机。并网逆变器启动运行时应确保光伏发电站输出的有功功率变化率不超过所设定的最大功率变化率。

4.2.2 柴油发电机组的供电及监控系统要求（1） DCS控制，直流和UPS 对DCS 单独供电。（2） DCS 的基本要求见厂内DCS 的详细描述。（3）不需要单独通讯。（4）不需要额外增加并网设备,可以有简单同期装置。

4.2.3 配置优缺点分析柴油发电机组相较于电池储能装置的优点是：（1）外集装箱布置，占地面积小。（2）输出容量大。（3）作为黑启动电源时,反应动作时间快。（4）电能质量较好控制。（5）使用寿命长。

4.2.4 小结根据上述论述，本工程采用柴油发电机组作为黑启动电源。黑启动柴油机作为黑启动动作时的电源供应者，应具有快速的启动性、高度的可靠性、电力供应的稳定性以及功率的匹配性。

目前黑启动柴油机有二冲程、四冲程。其中二冲程柴油机多为单机功率为4 000 kW 以上的大型柴油机，四冲程多为单机功率较小的箱式快装柴油机。考虑本项目在启动阶段，负荷逐渐变化，采用多台小功率柴油机更能符合启动负荷变化的需要，且更容易启动，比如采用压缩空气启动。而采用大功率柴油机可能会使机组在启动阶段更长时间工作在低负荷区域，且启动相对困难。因此本项目推荐采用四冲程小功率的柴油发电机组。

黑启动柴油机应具有多机组并联运行的良好性能，以满足负荷在峰、谷变化时的自动投入与退出，并保证电压、频率的波动在国家技术规定之内，也为启动设备的安全性提供保证。