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1、9F 级改进型燃气蒸汽联合循环机组的黑启动方案摘要：为了计算9F级改进型燃气一蒸汽联合循环机组的黑启动电源容量，针对 柴油机及锂电池两种不同黑启动电源方案作简要的技术经济对比，根据联合循环 机组带或不带3S离合器时黑启动电负荷统计，两种方案均可实现联合循环机组 黑启动，柴油机黑启动方案技术经济性更优，按照火力发电厂厂用电设计技术 规程柴油发电机组选择规定计算，推荐4台6kV 1800kW柴油发电机或5台 6kV 2000kW柴油发电机并联作为黑启动电源。计算针对国内9F级改进型燃气一蒸汽联合循环机组的黑启动方案进行论述，柴油机黑 启动及锂电池黑启动的两种不同方案作简要的技术经济对比，两种方案均
2、可实现联合循环机 组黑启动，柴油机黑启动方案技术经济性更优。关键词：黑启动；柴油机；锂电池Black Start Scheme of 9F Class Improved Gas-Steam Combined Cycle UnitMa Jinhui(China Energy Engineering Group Guangdong Electric Power Design Institute Co.， Ltd.， Guangzhou 510663， China)【Abstract】In order to calculate the black start power capacity of th
3、e 9F improved gassteam combined cycle unit， two different schemes of diesel engine black start and lithium battery black start are briefly compared in terms of technology and economy， according to the black start electric load statistics of the combined cycle unit with or without 3S clutch， both sch
4、emes can realize the black start of the combined cycle unit， the diesel engine black start scheme is more technical and economical， Calculated in accordance with the Technical code for the design of auxiliary Power system of fossil-fired power plant diesel generator set selection， it is recommended
5、that 4 sets 6kV 1800kW diesel generators or 5 sets 6kV 2000kW diesel generators are connected in parallel as the black start power source.【Key words 】black start plan diesel engine diesel engine1 前言大面积停电后的系统自恢复通俗称为黑启动，是指整个电网因故障停运后，系统全部停 电，处于全“黑”状态，给当地生产生活带来了巨大的影响，不依赖其他电网帮助，通过系统 中具有自启动能力的机组（黑启动柴油发电机组
6、或锂电池）启动，带动无自启动能力的机组 （9F级改进型燃气一蒸汽联合循环机组），逐渐扩大系统的恢复范围，最终实现整个系统的 正常运行。燃机电站具有工艺系统简单、启动速度快、辅机设备少、靠近负荷中心等优点，是除水 电机组外最佳的黑启动电源。目前9F级改进型燃气一蒸汽联合循环机组在电网装机容量比重 越来越高，如采用锂电池作为黑启动电源，存在价格高，过充导致发热、燃烧、爆炸等安全 性问题，需要进行充电保护等问题。燃机电站采用多套柴油发电机组提供启动电源，应用案 例多，运行经验丰富；柴油发电机组的单台容量比较大，可多台并机运行且持续供电时间长 可靠性较高。本文从柴油机及锂电池两种不同黑启动电源方案作技
7、术经济方案对比，论述了采用柴油 机技术实现大型燃机黑启动的可行性。2 黑启动的设备介绍目前作为黑启动的设备，主要有以下两种：2.1 轻柴油高速发电机组轻柴油高速发电机是最为常见的一种黑启动电源设备，具有如下优点：一次投资成本较 少，启动时间短，运行稳定，不需要外部电源（蓄电池充电除外），是目前黑启动使用较多 的设备。2.2 储能锂电池目前国内外电储能系统应用的蓄电池主要有磷酸铁锂，三元锂，钛酸锂，铅酸，铅碳和 液流电池。通过性能比较，根据倍率指标，仅功率型三元锂电池、钛酸锂电池、功率型磷酸铁锂电 池储能系统可以满足调频项目的要求。但是，由于钛酸锂电池成本太高影响投资收益，不考 虑采用。由于三元
8、锂电池存在安全性方面的隐患较大，在国内和国际均上均有影响较大的安 全事故，不考虑采用。因此，本项目电池选型为磷酸铁锂电池。磷酸铁锂电池储能技术，由单体电池通过串并联形式集成封装。储能系统就地母线段设 备、储能电池设备、双向功率变换设备（PCS）等集装箱就地布置于储能场站内。储能电池优点：具有维护简单、可无人值守自动操作、供电电压稳定、响应速度快、环 保等优点。缺点是：作为电厂储能调频，电网调峰服务案例近两年刚发展起来，作为黑起动 电源目前国内无应用案例；价格高，过充导致发热、燃烧、爆炸等安全性问题，需要进行充 电保护。目前储能电池仅作为电厂AGC调频应用案例较多。本文针对轻柴油高速发电机组和磷
9、酸铁锂电池黑启动做简要的技术经济分析，提出推荐3 黑启动案例分析以某燃机项目2台9F级改进型燃气一蒸汽联合循环机组为例，发电机出口装设断路器。 每台机组设一台高压厂用变压器，每台机组设两段6kV段，6kV段的工作电源从对应机组的 高厂变低压侧引接，设置专用的高压备用变压器，引自本厂220kV配电装置。目前国内三大主机厂燃气机组中汽轮机和发电机有带3S离合器和不带两种方案。3.1汽轮机和发电机间带3S离合器以上海电气AE94.3A 拖一配置的联合循环，其轴系依次布置“燃机一发电机一汽机， 在发电机和汽轮机之间配置有SSS自同步离合器联轴器（下称“3S离合器”），有效解决了燃 机和汽机启动速度不匹
10、配的难题，这种形式的联合循环机组启停灵活，调峰性能优异。燃机 的启动和调峰不再受限于汽机。在需要执行黑启动任务时，燃气轮机可快速以单循环的方式 启动，汽轮机可在线解列，机组灵活性显著增加。AE94.3A型燃机从启机到额定转速，仅需 不到10分钟在系统不配置旁路烟囱的情况下，余热锅炉冷态下上水的情况下可满足短时间 的干烧需求，从而使得联合循环在黑启动时具备了单循环的灵活性。黑启动过程概述：为保证满足燃机启动的条件都具备，需要保证以下几个条件的具备?天然气的供应正常?厂用压缩空气具备?除盐水可满足锅炉上水需求?辅助循环水泵投运1 台及冷却塔风机投运1台?燃机本体有关的设备均投入；黑启动前，可用黑启
11、动柴发组驱动压缩空气泵，除盐水制水，确保产生足够量的压缩空 气满足启动期需求，以及满足燃机启动时余热锅炉“干烧”的锅炉上水量。这样可以减少启动 过程中驱动冲转的SFC同时运行的负荷。黑启动时，发电机出口 GCB为断开状态，黑启动柴发输出确保满足起机负荷，包括SFC 和励磁。启动冲转过程与常规启动类似，燃机点火达到自持转速后，SFC即可退出。当燃气 轮机启机并到全速空载时，需要合闸GCB给主厂变送电并恢复厂用电，从而替换下黑启动柴 油发电机。从机组转速Orpm到3OOOrpm历时大约10分钟。经计算，每台机组的黑启动负荷约为：8016kW，其中最大一台启动电机闭式冷却水泵 的容量达到300kW，
12、一台F级燃气-蒸汽联合循环机组黑启动负荷统计如表1所示。一台F级燃气-蒸汽联合循环机组燃机（带3S离合器）黑启动电源容量选择4台6kV 1800kW柴油发电机。4台1800kW柴油发电机满足带负荷起动最大一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、柴油机输出功率的修正、 持续1小时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。如选用磷酸铁锂电池作为黑启动电源，容量选择为8MW/4MWh。两种方案的技术优缺点对比如表2所示：两种方案经济性对比表3、表4所示：3.2汽轮机和发电机间不带3S离合器以东方电气M701F4+型不采用3S离合器布置为例，黑启动
13、必须要有启动锅炉，且需考 虑汽轮机约 2 小时的暖机，启动阶段也需要蒸汽同步冲转汽机，使得汽机必须与燃机同步启 动，则轴系转动惯量大大增大，而同步启动汽机，也要求锅炉高压、中压给水泵及循环凝结 水泵组、真空泵等设备投入使用，大幅增加了黑启动系统的总成本。这就增加了起动阶段的 复杂性，也更难以适应黑启动和孤岛运行。经计算，每台机组的黑启动负荷约为：12274.5kW，其中最大一台直接启动启动循环水 泵的容量达到870kW，如表5所示。通过与主机厂沟通，并结合燃气-蒸汽联合循环机组运行规程得知，停机后的1.5 小时内 不能重新启动燃机或者进行高盘冷却运行，以避免由于压气机内缸椭圆变形导致的动叶片顶
14、 部摩擦。因此，若进行黑启动，是在机组停机1.5 小时以后，启动大致步骤如下；第一步：燃机启动前需供电设备包括：1）空压机投运1 台；2）冷却水泵投运小泵1 台；3）循环水泵投运1 台及冷却塔风机投运3 台4）天然气系统启动电加热器；5）启动锅炉设备投运；6）燃机本体有关的设备均投入；第二步：燃机在SFC带动下在0-9分钟的时候加速、吹扫后降到550rpm,开始准备点火; 第9分钟开始点火，并以135rpm每分钟加速到2000rpm，此时排烟温度开始上升，其它辅 助系统开始投入,以冷却余热锅炉：1）真空泵 1 台2）凝结水泵1 台，轴功率按 50%额定功率；3）高压给水泵1 台，轴功率按 50
15、%额定功率；4）中压给水泵1 台，轴功率按 50%额定功率；燃机点火后11分钟，燃机达到2000rpm左右，SFC退出，由燃烧后的燃气驱动燃气轮 机达到3000rpm，第30分钟可稳定输出5%最低负荷。此时启动需要的辅机基本全部投入。第四步：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。从机组转速0rpm到3000rpm历时大约30分钟。一台F级燃气-蒸汽联合循环机组（不带3S离合器）黑启动电源容量选择5台6kV 2000kW柴油发电机。5台2000kW柴油发电机满足带负荷起动最大一台电动机时柴油发电机 过负荷能力校验、柴油机的首次加载的负荷等校验。如选用磷酸铁锂电池作为
16、黑启动电源，容量选择为10MW/5MWh。两种方案经济性对比如表6 、表7 所示：表64 结论9F级改进型燃气一蒸汽联合循环机组黑启动，从技术上可以采用多台柴油机或储能锂电 池方案，柴油发电机组可以根据电厂或者电网的需求，反复启动或者运行至电网稳定，选择 储能锂电池造价远高于柴油发电机组，一般只能满足电厂黑启动一次最多二次的需求，而且 从寿命来说，蓄电池有明显的衰减，整体的运行周期较柴油发电机差许多。对于9F级改进型 燃气一蒸汽联合循环带或不带3S离合器机组，本文推荐4台6kV 1800kW柴油发电机或5台 6kV 2000kW 柴油发电机并联作为黑启动电源。参考文献：1 DL/T 5153-2014 2 DL/T 5153-2014 Tech
