包珺 彭佩怡

（中船重工集團公司第七一二研究所， 武漢 430064）

1 引言

在一些大型冶煉企業(yè)，為滿足設備供電的需求和成本考慮，常常擁有企業(yè)自己的自備電廠，這些電廠一般使用汽輪機發(fā)電，同樣，在一些礦藏豐富而電網電力還未到達的邊遠地區(qū)，由于條件限制和成本考慮，也采用汽輪機發(fā)電的獨立電站。這些電站的特點是不和外部電網聯網，只獨立地為電站內的設備供電。當電站在建設初期或運行中因故障和檢修原因停機后再啟動時，需一套獨立的電源將汽輪發(fā)電機輔機帶起來，運行的輔機使鍋爐點火，汽輪發(fā)電機發(fā)電[1]。這種獨立電源帶輔機啟動方式也稱黑啟動，當汽輪發(fā)電機發(fā)電后，獨立電源退出，輔機由汽輪發(fā)電機電力供電運行。高壓柴油發(fā)電機作為一種穩(wěn)定、可靠的獨立電源，用作電廠黑啟動設備具有明顯優(yōu)勢，是非常合適的選擇。本文以國內一銅業(yè)公司自備電廠用高壓柴油發(fā)電機作為黑啟動的案例，說明高壓發(fā)電機組的系統(tǒng)組成，控制系統(tǒng)的實現方案，調試方法和結論。

2 高壓發(fā)電機組供電系統(tǒng)組成

圖1為高壓發(fā)電機組供電系統(tǒng)圖，高壓發(fā)電機組供電系統(tǒng)由兩臺額定功率2200 kW，額定電壓10 kV、及與之配套的發(fā)電機進線高壓開關柜，水電阻負載柜，冷卻風扇變壓器柜，電廠負載饋線柜、母線 PT柜組成，兩臺柴油機選用德國奔馳公司20 V4000G63，20 缸V 形排列電噴發(fā)動機。高壓發(fā)電機組的作用是在沒有外部電網供電的情況下，由高壓發(fā)電機將電廠輔機帶起來，使鍋爐點火，汽輪機發(fā)電。

圖1中，電廠由兩臺30 MW汽輪發(fā)電機組成，以供熱、供氣、發(fā)電綜合運行。在電廠建設初期，用外部電網臨時將輔機帶起來，當電廠建成后，汽輪發(fā)電機由柴油發(fā)電機來啟動，整個電廠形成一個完全獨立的自備電站。圖1中1#、2#汽輪機可并網工作，也可單機工作。在兩臺汽輪機均停機情況下，柴油發(fā)電機組先將其中一臺汽輪機啟動，另一臺汽輪機由已發(fā)電的汽輪機啟動。

柴油發(fā)電機組主要負載為高壓給水泵，高壓循環(huán)水泵、高壓引風機，高壓送風機，高壓負載根據工藝要求順序啟動，因1000 kW高壓給水泵啟動容量較大，在柴油發(fā)電機已帶部分負載情況下，啟動高壓給水泵會導致柴油發(fā)電機組較大的電壓跌落，因此對高壓給水泵采用變頻器的啟動方式，不采用軟起動器來啟動是因為軟起動器仍需較大起動容量，而且啟動力矩受限，存在諧波等問題，采用變頻器啟動容量小，啟動力矩大，啟動完成后，還可通過改變變頻器頻率進行節(jié)能運行[2]。

圖1 高壓發(fā)電組供電系統(tǒng)圖

3 控制系統(tǒng)組成

圖2為發(fā)電機組控制系統(tǒng)總體框圖?？刂葡到y(tǒng)的核心為并車控制系統(tǒng)，由兩臺5510并車控制器，一臺5560市電并網控制器，PLC，觸摸屏、上位工控機等部件構成。PLC為整個系統(tǒng)運轉的核心，PLC接收電廠集控臺啟動信號，自動啟動機組，自動分合高壓開關柜，同時也可通過觸摸屏接收用戶的操作信息手動完成機組的啟、停，進線柜和輸出柜的合、分閘操作。用戶還可通過上位工控機遠程實現發(fā)電機組自動啟動，自動并機，自動帶載等功能。

圖2 并車控制系統(tǒng)總體框圖

并車控制器 5510是英國深海公司（DEEPSEA）生產的一款專用于柴油發(fā)電機組之間并車控制用的模塊，能夠判斷母線與機組出口的電壓差，頻率差，相位差，并調節(jié)機組的頻率和電壓，在滿足并車條件時，發(fā)出脈沖合閘信號。在機組并車后，5510能夠按不同機組之間的功率分配狀況調節(jié)機組的頻率和電壓來調節(jié)各臺機組的有功和無功，使機組之間負載均衡，5510對發(fā)電機組具有豐富的保護和報警功能，包括過電壓，過流，過載，過頻，低頻，逆功等。電網并車控制器5560也為英國深海公司產品，其作用是控制兩臺 5510控制器，實現兩臺發(fā)電機與汽輪機并網，控制發(fā)電機組向汽輪機電網輸出固定功率，轉移發(fā)電機負載至電網等功能[3]。

PLC采用歐姆龍CP1H系列可編程控制器，其本身帶有 I/O、AD、DA輸入輸出功能外，還集成了modbus通訊協議的485端口和RS232協議的 9針端口，具有很強的擴展能力，PLC和5510、5560之間的通訊采用 RS485（MODIBUS RTU）協議。Modbus 協議是應用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協議，控制器相互之間、控制器經由網絡（例如以太網）和其它設備之間可以通信?？刂破髂茉O置為兩種傳輸模式（ASCII或RTU）中的任何一種在標準的Modbus網絡通信[4]。用戶選擇想要的模式，包括串口通信參數（波特率、校驗方式等），在配置每個控制器的時候，在一個 Modbus網絡上的所有設備都必須選擇相同的傳輸模式和串口參數。PLC通過與5510、5560、上位工控機的通信，實現整個發(fā)電機供電系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測和保護控制。

4 發(fā)電機并車帶載過程

PLC在接受電廠集控臺的啟動指令后，發(fā)啟動指令給 5560控制器，由 5560控制兩臺 5510并車控制器同時啟動兩臺發(fā)電機，兩臺發(fā)電機中先達到穩(wěn)定狀態(tài)的發(fā)電機 5510控制器首先判斷發(fā)電機母排電壓是否為零，若母排電壓為零，則直接合與之對應的發(fā)電機出口開關，此時發(fā)電機母排帶電。另一臺發(fā)電機穩(wěn)定運行后，則與已合閘的發(fā)電機進行同期控制，同期的條件是：1）發(fā)電機組出線側頻率高于母線頻率并在 0.3 Hz以內。2）發(fā)電機組出線側電壓與發(fā)電機組額定電壓10000 V壓差在5%以內。3）發(fā)電機組出線側電壓相位和母線電壓相位差在5°內。當電壓、頻率、相位滿足同步要求后，合與之對應的發(fā)電機出口開關，兩臺發(fā)電機空載并車，當兩臺發(fā)電機并車成功后，柴油發(fā)電機組并車控制器控制負載開關柜合閘，柴油發(fā)電機組開始帶負載運行并進行負載均衡控制[5]。5510控制器實時檢測兩臺機組所帶功率，并調節(jié)兩臺機組的調速器，使兩臺機組所帶功率大致相等，5510控制器還控制調壓器輸出，使兩臺機組輸出無功功率相等。但為了避免過頻繁操作，使機組發(fā)生功率振蕩，5510設置了死區(qū)調節(jié)，即兩臺機組的功率差在死區(qū)范圍內5510不會調節(jié)機組的轉速。

4 發(fā)電機組解列過程

當汽輪機開始發(fā)電后，電網并車控制器5560判斷市電電網有電，控制已帶載的兩臺發(fā)電機組5510控制器調整兩臺發(fā)電機組電壓、頻率和相位，當發(fā)電機母排與汽輪機電網達到同期要求后，控制汽輪機電網開關合閘，并網成功后，5560控制柴油發(fā)電機組按固定功率模式為負載供電，此時剩余部分負載由汽輪機饋電，若需將全部負載轉移至汽輪機，則由PLC發(fā)指令給5560控制器，5560控制器將控制5510轉移全部負載至汽輪機，分發(fā)電機組電廠負載饋線柜，停兩臺發(fā)電機。

5 高壓發(fā)電機組控制系統(tǒng)的調試

高壓發(fā)電機首先進行單機調試，在開機之前，需對發(fā)電機5510，5560控制器參數進行設置，同時對高壓開關柜耐壓進行測試，對其保護參數進行模擬調整，對發(fā)電機差動保護值進行模擬調試，在以上設置完成后，空載起動發(fā)電機，觀察發(fā)電機各機械、電氣參數的正確性。在發(fā)電機空載測試正常后，對發(fā)動機調速器、發(fā)電機調壓器的下垂特性進行單機帶載設置和校正。在1#5510控制器上空載手動啟動 1#機組，合其出口開關，在2#5510控制器上空載手動啟動2#機組，合其出口開關，此時觀測兩臺發(fā)電機并機是否正常，是否存在較大環(huán)流。在以上正確的基礎上，做兩臺發(fā)電機并機帶水電阻進行帶載測試，觀測兩臺發(fā)電機并機帶載時負載分配的均衡性。在兩臺發(fā)電機并機帶載正常后，模擬發(fā)電機和市電反并網控制系統(tǒng)功能，將一臺發(fā)電機啟動模擬電網，另一臺發(fā)電機帶水電阻負載，觀測兩臺發(fā)電機之間負載轉移和固定功率輸出的正確性。將兩臺發(fā)電機由并車控制器啟動，由5560控制器控制兩臺發(fā)電機和汽輪機電網進行正并網，觀測發(fā)電機是否按設定的功率和功率因素輸出。在以上調試完成后。進行實際黑啟動試驗，由電廠集控臺發(fā)啟動指令，并車控制器自動啟動機組，自動分合高壓開關柜，自動帶負載，實際運行中，整個黑啟動歷時9小時，汽輪機發(fā)電機從靜止到發(fā)電，一次啟動成功。高壓柴油發(fā)電機組在多臺高壓電機啟動時，能保證頻率、電壓跌落在標準范圍內，兩臺發(fā)電機有功、無功分配均衡，整個控制系統(tǒng)畫面清晰，控制穩(wěn)定可靠，完全達到實現電廠黑啟動的要求。

6 結束語

由于環(huán)境限制和成本考慮，單個獨立供電的發(fā)電廠在逐漸增加，用高壓柴油發(fā)電機組作為電廠黑啟動的需求也隨之增加。文中對黑啟動整體結構、控制系統(tǒng)、調試方法及試驗結果的描述，希望對其他類似電廠的黑啟動有一定參考作用。

[1] 許珉主編. 發(fā)電廠電氣主系統(tǒng). 北京:機械工業(yè)出版社, 2006.1.

[2] 佟純厚主編. 近代交流調速. 北京:冶金工業(yè)出版社2004.9

[3] 英國深海公司. DSE Model 5110 Control and Instrumentation System Operators Manual.

[4] 歐姆龍公司. SYSMAC CP 系列操作手冊.

[5] 賴廣顯主編. 新型柴油發(fā)電機組. 北京:人民郵電出版社. 1999.