9E燃气轮机黑启动方案及实战

9E燃气轮机黑启动方案及实战
梁青;刘世鑫;周亮
【摘要】某电厂PG9171E型燃气轮机为了具备黑启动功能,增设了柴油机及变频装置.文中主要介绍了2017年8月23日强台风袭击珠海,导致珠海澳门大面积停电,某电厂机组被迫停运的事故及随后的黑启动过程,总结了黑启动过程中重点注意事项,提高黑启动成功率.
【期刊名称】《燃气轮机技术》
【年(卷),期】2018(031)001
【总页数】5页(P46-50)
【关键词】9E燃气轮机;黑启动;柴油机;失去厂用电;无差
【作者】梁青;刘世鑫;周亮
【作者单位】珠海深能洪湾电力有限公司,广东珠海 519060;珠海深能洪湾电力有限公司,广东珠海 519060;珠海深能洪湾电力有限公司,广东珠海 519060
【正文语种】中文
【中图分类】TK478
黑启动是在电力系统因故障停运后，不依赖其他网络帮助，通过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，逐步扩大系统的供电恢复范围，最终实现整个系统的恢复[1]。

近十几年世界各地发生多起大停电事故，如美加大停电、纽约大停电、海南大停电[2]等，大部分是因为过负荷，输电线路、变
压器设备故障等引起，波及范围广，这些重大事故都造成了灾难性的社会影响和经济损失，如果能在短时间内快速恢复电网的正常运行，使负荷损失和经济损失降低到最小，将会带来显著的社会效益。

某电厂1991年引进法国GEC ALSTHOM公司生产的VEGA206型燃气-蒸汽联合循环发电机组(容量为3×35 MW)，燃气轮机PG6541B启动采用启动柴油机带动，具备黑启动能力，在1994年因电网故障后成功黑启动，得到电网的肯定和嘉奖，该机组于2007年退出运行。

2004年公司引进GE公司生产的PG9171E燃气发电机组，配套国产锅炉、汽轮机进行“以大代小”技术改造工程，2005年底实现(2×180 MW)蒸汽-燃气联合循环机组发电。

在6B机组退出后，为能继续提供黑启动服务功能，该电厂增加配置一台柴油机及相应变频装置，于2010年8月顺利通过黑启动实验，并与广东电网电力调度控制中心签订《黑启动技术协议》，正式成为广东电网江门、中山、珠海地区的黑启动电源点。

1 黑启动方案
PG9171E型燃气轮机本身不具备黑启动功能，需要配备合适的柴油发电机来提供
电力给启动电机及重要的低压负载如滑油泵、风机等，确保燃气轮机从零转速启动到燃气轮机并网，同时为了节省投资，黑启动柴油机不宜设计过大，按照黑启动协议，只需要燃气轮机提供黑启动服务，9E燃气轮机黑启动必须启动的电机及辅机
负荷列表如表1所示。

表1中燃气轮机启动马达(88CR) 电压等级是6 300 V，其
余设备的电压等级均为380 V，运行时设备的额定功率共计1 516.37 kW。

燃气轮机启动过程中最大负载为启动电机88CR，我们重点考虑启动电机从带电到脱扣阶段的负荷特性，作为黑启动柴油发电机选型的重要依据，当启动电机88CR 作为启动装置时，其在启动阶段最高为6～8倍启动电流，需要足够的容量以维持电压降不低于额定的80%，否则将导致扭力不足而无法启动，在燃气轮机点火成
功暖机结束后的加速阶段，启动电机88CR将会达到峰值负荷约1 450 kW[3]。

由于柴油机的费用随容量的增大而大幅增加，通过各种方案的比较，某电厂选定了柴油发电机加变频器的方式。

柴油机有关参数如表2，柳州佳力(西门子技
术)JFG6303-4/6300柴油发电机设备参数如表3。

表1 9E燃气轮机黑启动负荷清单名称配备数量/运行数量单台额定功率/kW燃气轮机启动马达(88CR)1/11000辅助滑油泵(88QA)1/190辅助液压油泵
(88HQ)1/115冷却水泵(88WC)2/155盘车电机(88TG)1/130发电机顶轴油泵(88QB)1/118.5油雾分离器马达(88QV)1/118.5液力变钮器扭矩调整马达
(88TM)1/11.5燃气间通风风机(88VL)2/10.37排气框架冷却风扇(88TK)2/245负荷联轴间风扇(88VG)2/17.5透平间冷却风扇(88BT)2/115空压机2/190外环水循环冷却水泵2/145燃气轮机、汽轮机UPS电源2/220
注：此处未考虑汽轮机滑油系统及盘车负荷。

相应配备的变频器装置为HAVREST-A06/180型高压变频器调速系统，为北京利德华福电气技术有限公司提供。

变频器容量为1 800 kVA，额定输出电流为180 A，输入频率在45 Hz～55 Hz。

输出频率范围为0.5 Hz～120 Hz。

该变频器电压源由高压6 kV输入，高压6 kV 输出；由24个功率模块组成，当少数功率单元故障时，变频器可将其旁路降容运行，系统不停机。

控制柜主要有控制器、PLC、UPS、报警器、DC24V电源、控制电源断路器、接线端子、液晶显示器、操作按钮等组成。

变频控制为“一拖二”方案，一台变频器可通过刀闸切换分别带两套9E燃气轮机的启动电机[4]。

燃气轮机高压变频控制示意图见图1。

图1 燃气轮机高压变频控制示意图表2 柴油机设备技术参数
型号形式汽缸数及排列润滑方式启动方式H16V190ZL四冲程、直喷式燃烧室、增压中冷16缸,V型,60°夹角压力和飞溅润滑电马达启动曲轴转向(面向输出端视)
转速/(r·min-1)外型尺寸(长×宽×高)/mm燃油逆时针15003525×1930×23410
号柴油
表3 JFG6303-4/6300柴油发电机设备参数绝缘等级防护等级形式额定功率(常用)/kW最大功率/kW交流电压/kVHIP23无刷自励、数字电压调节器
DECS100220024006.3直流电压/V频率/Hz转速/(r·min-1)相数功率因数外形尺寸(长×宽×高)/mm2450150030.8(滞后)6870×2610×3200
一台变频器通过刀闸切换分别带两台燃气轮机启动电机，但只能有一台燃气轮机启动电机处于变频状态运行，变频调速系统接于6.3 kV电压等级的电源系统。

应急
柴油发电机通过“应急柴油发电机出口6306A断路器”和“黑启动电源6306断
路器”接入厂用电6 kV Ⅲ段母线。

在燃气轮机并网给220 kV母线送电，需要通
过7#主变送至4#高压厂变，并通过4#高压厂变低压侧6 kV开关6071与6 kV
母联6002开关进行切换，切换完成后柴油机可停机，由燃气轮机自带厂用电运行。

为便于理解黑启动过程，某电厂电气一次接线图见图2。

图2 某电厂电气一次接线图
220kV双母线的正常运行方式：
1) 4号主变压器2204断路器、5号主变压器2205断路器及洪南甲线2847断路
器在1M；6号主变压器2206断路器、7号主变压器2207断路器及洪南乙线2848断路器在2M，母联2012断路器在合位。

2) 两条出现洪南甲线、洪南乙线均接至电网南屏站。

3) 6 kV和400 V厂用电运行方式：按分段运行方式。

厂用电黑启动运行方式：
1) 6 kV厂用电Ⅲ、Ⅳ分段运行转为4#高厂变带6kV母线并列运行。

2) 400 V系统由分段运行转5#、7#、9#低厂变运行。

2 黑启动实验
2017年5月14日，为检测黑启动设备运转能力，邀请广东省电科院对黑启动过
程进行检测，重点测试了在启动燃气轮机过程中突加、突减负荷，计算柴油发电机瞬态电压调整率、瞬态频率调整率，电压和频率恢复时间等技术指标[5]。

在柴油机突加负荷(即燃气轮机启动电机开始拖动燃气轮机转子)时，有功从192 kW加到1 109 kW，无功从90 kVar增大到312 kVar，此过程中，6 kV厂用母
线电压初始值6 346 V、最大6 662 V、最小5 086 V、最终6 328 V，其中经11 s的调整；频率初始值50.2 Hz、最大56.9 Hz、最小44.2 Hz、最终50.2 Hz。

在柴油机突减负荷(即燃气轮机达到60%脱扣转速)时，有功从1 121 kW减到189 kW，无功从313 kVar减到105 kVar，此过程中，6 kV厂用母线电压初始值6 358 V、最大6 743 V、最小6 245 V、最终6 453 V，其中经2.2 s的调整，电压恢复到最终值6 453 V；频率初始值49.7 Hz、最大52.9 Hz，最小49.4 Hz、最
终49.6 Hz、恢复时间2.2 s。

从实验数据来看，所选用的应急柴油发电机性能满足燃气轮机启动要求，并且配备的容量留有足够的裕度。

3 黑启动过程
8月23日12：50 15级台风“天鸽”袭击珠海，最大风力17级，导致珠海区域
内发电机组几近全跳，线路大部分跳闸，电网大面积停电。

在失去厂用电后，某电厂迅速启动柴油机恢复厂用电，并启动燃气轮机给电网送电，下面介绍该次台风导致设备跳闸及黑启动详细过程。

台风前某电厂两套机组运行正常，4#和5#机组带负荷151 MW(4#机为燃气轮机，5#机为相应“一拖一”的汽轮机)，6#和7#机组负荷152 MW(6#机为燃气轮机，7#机为相应“一拖一”的汽轮机)。

11：15 4#燃气轮机出现L63TF1H(ITFDP>0.000 98 MPa)动作，4#燃气轮机自
动降负荷，最低降至51 MW，主复位后升回负荷至95 MW，当时AFPCS/APCS
分别为0.000 53/0.001 MPa。

11: 31 4#燃气轮机同样出现L63TF1H，自动降负荷至85 MW，复归后升负荷至94 MW，当时AFPCS/APCS分别为0.000 48/0.001 2 MPa。

11：43 台风刮起金属物打到6#主变高压侧套管，导致6#主变“差动过流跳闸”，6#发电机跳闸后停6#燃气轮机，7#汽轮机打闸停机。

12：28 洪南乙线2848线路纵联光纤差动保护跳闸，洪南乙线2848开关跳开，
洪南乙线失压。

12：37安稳装置保护动作，高频切5#发电机(过频启动值51.0 Hz，切机频率52.5 Hz)，同时4#燃气轮机甩负荷，从94 MW在2 s内降至32 MW，稳定约
30 s，自动快速甩负荷至20 MW，燃气轮机转速维持在2 915 r/min约20 s。

12：38 洪南甲线及电厂Ⅰ、Ⅱ母线失压，4#燃气轮机发电机低频跳闸，全厂失去厂用电，停4#燃气轮机。

DCS查燃气轮机转速最低2 828 r/min，低于发电机低频保护定值47.5 Hz。

12：40 开始进行倒闸工作，断开3#高厂变低压侧6051开关、4#高厂变低压侧6071开关，将厂用电切换至黑启动运行方式，令各岗位立即将各泵组置于“停止”状态，防止恢复厂用电时泵组自动启动。

12：44 柴油机并网，6 kV厂用电送电，恢复低厂变及400 V母线送电，恢复燃
气轮机、汽轮机滑油及盘车运行。

12：45 按中调令断开洪南甲线2847开关、母联2012开关、5#主变高压侧
2205开关、7#主变高压侧2207开关。

13：08 中调及地调要求进行黑启动，因厂区气候太过恶劣，暂缓执行。

13：26 停6#燃气轮机、5#汽轮机、7#汽轮机盘车，停空压机等所有与燃气轮机启动无关负荷，投入直流应急滑油泵运行。

13：28 启4#燃气轮机(变频设定为46 Hz)，燃气轮机启动前柴油机负载263 kW。

13：33 4#燃气轮机88CR拖动转子瞬间跳闸(柴油机低频保护动作)，DCS记录显示柴油机最高负荷1 266 kW。

13：34 柴油机重新并网，恢复6 kV供电，燃气轮机投入滑油系统运行。

13： 35 启4#机(变频设定为46 Hz)，燃气轮机启动前柴油机负载237 kW。

柴油机最高负荷1 386 kW。

13：47 4#燃气轮机脱扣，通知5#、7#汽轮机投入盘车运行。

启动空压机、燃气轮机冷却水泵运行。

合上4#主变中性点接地刀闸224000。

13：52 4#燃气轮机达到空载满速状态，升压站现场手动合上2204开关。

燃气轮机选无差“ISOCH”，负荷约0.5 MW，母线电压235 kV正常。

13：57 同期合上母联2012开关、7#主变高压侧2207开关。

断开4#主变中性
点接地倒闸224000。

14：02 投入厂用Ⅳ段快切，用“并联切换”方式，6 kV Ⅳ段电源进线开关6071合上、母线开关6002跳开，燃气轮机已自带厂用电运行，迅速启动厂内大电机，燃气轮机负荷升至3 MW左右，至此此次黑启动已达初始可控状态。

14：14 按地调要求合上洪南甲线2847开关，洪南甲线电压135 kV(单相)正常，地调逐步投入南屏站母线、主变、线路等运行。

18:10 在南屏站与大网同期前，燃气轮机选回有差“DROOP”，同期后，燃气轮机逐步升负荷，开始启动锅炉汽轮机，满负荷给电网供电。

按照与中调签署的《黑启动技术协议》，电厂220kV母线失压，厂用电全停后，
必须能在3 h内，使4#或6#发电机组具备并网条件，220 kV系统达到初始可控
状态，本次黑启动从接到调度令到达到初始可控状态用时54 min，实际从开始执行黑启动启4#机到达到初始可控状态为34 min。

燃气轮机通过柴油机启动并达到空载后，先向220 kV母线充电，再向7#主变及
4#高厂变充电。

充电时变压器的励磁涌流对燃气发电机机端电压、频率影响较小，
继电保护没有动作报警信号，在通过线路向南屏站送电时，也没有产生发电机自励磁和线路合闸过电压等现象，在燃气轮机自带厂用电孤岛运行时，电压和频率均稳定，说明燃气轮机的调速系统和励磁系统性能稳定，能满足带小负荷系统正常运行。

4 黑启动注意事项
1) 在燃气轮机启动前，要尽量减少柴油机负荷，断开除燃气轮机启动所需的其他
负荷，按照以往做黑启动试验经验，在燃气轮机启机前可以将柴油机负荷控制在180 kW左右，变频器选46 Hz，启动成功率比较高，在2017年5月份广东省电科院验收的试验中，4#燃气轮机、6#燃气轮机均一次启动成功。

2) 当燃气轮机在柴油机供电的情况下启机达到空载满速并建立电压后，由于母线
侧依然没有电压所以不能进行同期操作，只能现场控制柜手动合本台发电机对应的主变高压侧开关。

3) 关于燃气轮机在运行中“有差”与“无差”的选择。

在燃气轮机孤网运行时选
无差“ISOCH”，使燃气轮机负荷能随负载变化而自动调节负荷，在与大系统并
网前选回有差“DROOP”。

4) 在将厂用电由柴油机切至燃气轮机供(即合上6 kV Ⅳ段电源进线开关6071、断开6 kV母线开关6002)时，要保持柴油机频率的稳定在50.0 Hz，才能切换顺利，在以往实验过程中由于柴油机频率的不稳定，有时需要切换四至五次才成功，延误启动时间。

5) 在黑启动中需要空充线路，由于存在分布电容，如果充电线路较长，容性电流
的助磁作用导致发电机端电压逐渐升高，从而产生自励磁，危及发电机和线路绝缘，燃气轮机可采用手动逐渐升压方式，控制线路电压。

6)由于目前柴油发电机通过黑启动开关挂到6 kV Ⅲ段母线上，燃气轮机通过柴油机启动后，厂用电源的切换受7#主变、4#高厂变运行状态的限制。

如果上述其中一段设备异常或检修，厂用电源将不能按照正常方式自动切换，需要加一个黑启动
开关，把柴油发电机也挂到6 kV Ⅳ段母线上。

7) 因台风可能对机组及设备造成伤害，在停电状态下无法及时发现，在燃气轮机并网前，需要对燃气轮机、主变、升压站等设备做全面检查，确保送电安全。

5 结语
在2017年8月这次台风袭击珠海导致珠海、澳门电网瓦解的情况下，接到调度黑启动命令后，迅速启动燃气轮机给电网供电，对220 kV南屏站孤网供电4 h 6 min，对市政机关及居民用户供电提供了重要支持，在并入主网后，持续满功率运行，为加快系统恢复、增强主网对澳门供电能力发挥了重要作用。

经过多次黑启动演练和本次黑启动实战，充分说明9E燃气轮机利用变频装置，可以选用较小的柴油机就能满足燃气轮机黑启动，且造价较低。

同时9E燃气轮机启动迅速，励磁系统和调速系统性能稳定，能满足小负荷系统正常运行，符合调度对黑启动机组的要求，达到了黑启动设计预期目标。

参考文献:
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