摘要：通過對東南亞某孤網運行的燃氣—蒸汽聯合循環自備電廠項目黑啟動電源選擇進行分析，并結合在該地區某新建造紙廠內燃氣—蒸汽聯合循環自備電廠的黑啟動柴油發電機容量選擇的工程實例，來說明依據《火力發電廠廠用電設計技術規程》計算選擇黑啟動柴油發電機容量并復核，提出影響容量選擇的主要因素及優化措施。

　　關鍵詞：孤網運行;燃氣—蒸汽聯合循環自備電廠;黑啟動;柴油發電機容量

　　引言

　　輕工造紙行業的自備電廠在我國煤炭消費量中一直占有較大比例[1]。近年來，為落實綠色發展理念，燃煤自備電廠已逐步退出歷史舞臺，取而代之的是采用清潔能源的垃圾焚燒、固廢焚燒、以及燃氣—蒸汽聯合循環電廠。隨著造紙行業逐步邁向國外市場，國內大型的造紙企業逐漸開始在東南亞地區興建造紙廠，如馬來西亞、印尼等國家。造紙廠除了需求大量電力能源外，蒸汽熱源也是造紙工藝流程中的重要能源消耗，所以燃煤自備電廠的建設一直都是造紙企業在新建項目時優先重點考慮的。

　　然而國家發改委在2018年下發了《燃煤自備電廠規范建設和運行專項治理方案(征求意見稿)》，對新建燃煤電廠采取嚴格限制措施，對已有違規建設燃煤自備電廠進行清理，限期進行環保及能耗改造，鼓勵發展清潔能源。燃氣—蒸汽聯合循環電廠在此環境下應運而生，不僅能滿足造紙廠電力負荷，還能產生大量飽和蒸汽，提供造紙生產過程中所需熱量，故在造紙行業中已逐步取代傳統燃煤電廠。

　　由于受國外上網政策影響及從用電成本考慮，大部分造紙廠內的自備電廠均采用孤網運行方式，多為一臺汽機+多臺燃機的組合配置模式，不與電網聯絡。這就需要自備電廠穩定性及可靠性較高，在機組出現故障造成全停事故后能夠將電力及蒸汽負荷盡快恢復，最大程度地減少損失。聯合循環燃機電廠具有啟動快速、響應靈敏等特點，熱態啟動時1h內能帶滿負荷，冷態啟動時3h內可帶滿負荷[2]。在全廠停電事故發生后，只需要提供必要的廠用電源便能在較短時間啟動燃機恢復供電。

　　1 黑啟動電源選擇

　　“黑啟動”是指在電網(廠)全停后通過具有自啟動能力發電機組或外來電源來帶動無自啟動能力的機組實現恢復供電。對于孤網運行的自備電廠，可靠的黑啟動電源是保證自備電廠黑啟動的首要條件。配置黑啟動電源通常采用兩種方案：一種是從電網取備用電源，另一種是配備柴油發電機。但綜合國外電網的政策及現狀來看，從電網取得備用電源與配置黑啟動柴油發電機相比并不顯得經濟，不僅需要單獨為此建設獨立的轉換變電站，還要上交備用容量申請一次性費用，初期投入成本較高，以后即使不使用每月也要上交一定額度的容量備用費，而且備電申請手續十分繁瑣，故大部分造紙自備電廠均以柴油發電機做為黑啟動的啟動電源。

　　2 黑啟動柴油發電機組容量選擇及校核

　　柴油發電機組的功率是指發電機組端子處為用戶輸出的功率，不包括基本獨立輔助設備所吸收的電功率。根據目前現有設計規范及設計手冊，均未提供專用于黑啟動柴油發電機組容量選擇的詳細計算方法，大部分均是根據《火力發電廠廠用電設計技術規程》[3]附錄D中柴油發電機組的選擇相關內容進行選擇及校核，盡管此部分計算主要針對電廠交流保安負荷柴油發電機的選擇計算，但對于黑啟動柴油發電機的選擇依然具有借鑒和參考意義。

　　21工程實例計算

　　以國外某造紙廠燃氣—蒸汽聯合循環自備電廠1臺15MW汽機+2臺42MW燃機項目為實例來說明黑啟動柴油發電機組的選擇，計算主要依據《火力發電廠廠用電設計技術規程》[3]附錄D中的計算公式及方法并校驗結果。

　　2.1.1各階段負荷啟動順序

　　第一階段先啟動化學水系統，在制水完成后停止相關負荷;第二階段啟動余熱鍋爐廠用電負荷，主要為余熱鍋爐低壓給水泵及高壓給水泵，在滿負荷運行約3h，鍋爐打滿水后停泵;第三階段啟動燃機，其中需要先啟動天然氣增壓機使天然氣增壓到額定壓力時再啟動燃機，在燃機啟動10min內，增壓機以約40%負荷運行。然后再啟動燃機高壓啟動電機及相關輔機。需注意并非所有燃機都配置了高壓啟動電機，實例工程采用的是三菱日立H25型燃機。采用三菱日立H25型燃機黑啟動時各階段負荷啟動順序及負荷計算。

　　柴油發電機組負荷計算通常采用換算系數法。換算系數主要基于大量實際運行數據的統計結果，是從實踐中統計分析而得的經驗數據。規范中的換算系數基本上來自于大容量機組多年運行經驗總結，電機數量越多，計算結果相對更為準確[3]。而對小型的自備電廠而言計算結果的準確性較差，計算結果往往偏保守。在選擇換算系數時可以參考類似項目經驗，也可借鑒需要系數法進行綜合考慮。

　　而軸功率法雖然準確程度較高，但相比于換算系數法需要知道電機的軸功率、功率因數、效率值等參數，對于項目前期要收集這些參數較為困難，故在負荷計算時通常采用簡單、易算的換算系數法。在進行負荷計算時，還要根據負荷投運的實際情況，在各階段錯開運行的負荷應分開統計計算，只計算各階段中同時運行的負荷，取各階段負荷大者為計算功率。

　　3 計算結果分析及優化措施

　　31主要影響因素

　　經過工程實例的計算可以看出，影響柴油發電機容量選擇的主要因素有：1)電動機的啟動方式對柴油發電機組容量的選擇造成直接影響;2)黑啟動負荷必須要滿足燃氣機組在啟機過程中的工藝要求;3)最大電動機啟動時母線的壓降水平。

　　32優化措施

　　1)電機直接啟動時的啟動容量倍數為6～8倍;采用軟啟動時可以減小到2～3.5倍;采用變頻啟動甚至可以減小到1～2倍。在選擇柴油發電機時要根據具體情況分析，是考慮軟啟動或變頻啟動選擇較小容量的發電機，還是采用直接啟動選擇較大容量的發電機，要在進行經濟及技術對比后來最終確定;2)黑啟動中燃機負荷的順序是按燃機啟動的要求確定的，但可以對一部分公用的負荷啟動順序進行優化。考慮將啟動容量大的電機優先啟動，減少在同一時間內啟動的電機數量，從而降低負荷啟動的峰值功率[5]，最大程度減小柴油發電機的計算容量;3)在電動機啟動瞬間，母線電壓會因在發電機本身暫態電抗中產生損失而降低[6]，此時發電機勵磁系統還來不及調整。

　　為使電動機能正常啟動，加載的電動機端子電壓至少應保證能克服啟動轉矩，同時不影響柴油發電機母線上已帶負荷，規范要求母線壓降小于25%。為此，如前所述一方面調整電動機啟動方式;另一方面選擇暫態電抗較小，過負荷能力強的柴油發電機。

　　此外，在計算過程中，考慮的為空載時最嚴重的情況，實際在最大電機啟動時，由于所接負載基本為旋轉電機，亦能向大負荷供給啟動電流，電源容量比選定值稍大，計算結果相對保守。建議在條件允許的情況進行仿真分析，能更為準確地選擇柴油發電機容量。

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　　4 結語

　　黑啟動柴油發電機的選擇對于孤網運行的燃氣—蒸汽聯合循環自備電廠來說非常重要，是保證電廠能夠在全停條件下迅速恢復供電的先決條件，從而減少企業因停電造成的經濟損失。為此在設計過程中不僅要參照規范的計算方法詳細復核，同時在選擇柴油發電機時應選取多個廠商的設備參數進行對比，擇優選擇能夠滿足黑啟動負荷條件的廠商。

　　參考文獻：

　　[1]劉秉鉞.我國造紙工業能耗的發展變化與現狀分析[J].中國造紙學報，2010，29(10)：64-70.

　　[2]中華人民共和國電力行業標準.燃氣—蒸汽聯合循環電廠設計規定：DL/T5174—2003[S].北京：中國計劃出版社，2003.

　　[3]中華人民共和國電力行業標準.火力發電廠廠用電設計技術規程：DL/T5153—2014[S].北京：中國計劃出版社，2015.

　　[4]中國電力工程顧問集團有限公司.火力發電廠電氣一次設計[M].北京：中國電力出版社，2019.

　　[5]孟慶森，張格睿.電站黑啟動柴油發電機組容量選擇的探討[J].山東電力技術，2010(2)：21-25.

　　[6]童西強.黑啟動柴油發電機組啟動電壓分析及容量的選擇[J].天津電力技術，2006(2)：4-8.

　　作者：甘景純