CN112653189A - 基于小型燃机作为黑启动电源的燃机黑启动方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃气电厂中发电机黑启动的方法，特别是一种基于小型燃机作为黑启动电源的燃机启动方法，其要点在于，包括如下步骤：提供一套黑启动小型燃机，其调压单元与燃气电厂天然气系统中的前置处理系统连接；黑启动小型燃机的供能输出端连接燃气电厂的高压厂用母线段；先启动保安柴油发电机，以给低压厂用母线段充能，然后启动黑启动小型燃机，给高压厂用母线段充能；进一步通过高压厂用母线段为低压厂用母线段供能，将保安柴油发电机停机；主燃机启动，随后并网完成黑启动。本发明优点在于：提高了运行可靠性，且运行维护方便、工作量小；增加电厂收益，大大降低了沉没成本，提升了黑启动小型燃机的效率和经济性。

Description

基于小型燃机作为黑启动电源的燃机黑启动方法

技术领域

本发明涉及一种燃气电厂中发电机黑启动的方法，特别是一种基于小型燃机作为黑启动电源的燃机启动方法。

背景技术

现有技术中，根据电网系统的要求，在电网系统失电的情况下，发电厂需要在不依赖外部电网系统电源的情况下利用电厂自身设备自启动，进一步带动无自启动能力的发电机（组）启动，逐渐扩大电网系统恢复供电范围，最终实现整个电网系统的恢复供电。为此，在大容量发电厂中通常需要设置黑启动柴油发电机，燃气电厂也不例外，然而采用柴油发电机作为黑启动电源存在以下不足之处：

1）黑启动负荷容量大，特别是当天然气压力参数不满足主机要求而需要配置增压单元时，需要的启动电源安装功率往往在10MW以上，然而柴油发电机受限于制造工艺，功率最大一般都不超过2000kW，这样就需要多台柴油发电机并列运行才能满足启动要求。当多台柴油发电机组形成孤网运行时，需要存在多次并网过程，这就加大了成功并网的难度，而且由于每一台发电机在制造时可能存在偏差，在恢复供电过程中当投切大电动机或大负荷时，就会对柴油发电机供电系统形成干扰，严重时可能造成机组的解列，导致燃机的黑启动失败。

2）柴油发电机组故障率高，不仅影响运行可靠性，而且维护工作量大。在多机并列运行的系统中，设备故障率高更容易造成供电中断。在实际运维过程中，大容量的柴油发电机的排放指标差且噪音控制也更困难，因此运维也不方便。

3）燃料系统冗余配置，运维不方便。在燃气电厂中，由于主燃料为天然气，因此厂内已经配置有天然气的供应系统，而正常用于保安负荷的柴油发电机由于容量小，一般采用日用油箱的模式，但对于黑启动机组来说，由于容量大而需要配置专用燃油的供应系统，增加了系统投资。

4）大容量黑启动柴油发电机仅能用于黑启动过程，沉没成本高。由于高速柴油发电机不能连续运行，在完成黑启动过程后只能停机，不能继续投入使用增加收益，因此整个系统的投资几乎相当于沉没成本，不能形成投资回报，对电厂的投资造成较大负担。

发明内容

本发明的目的在于根据现有技术的不足之处而提供一种提高运行可靠性、运维方便、工作量小、提升效率和经济性的基于小型燃机作为黑启动电源的燃机启动方法。

本发明所述目的是通过以下途径来实现的：

基于小型燃机作为黑启动电源的燃机启动方法，其要点在于，包括如下步骤：

S1、提供一套黑启动小型燃机，其调压单元与燃气电厂天然气系统中的前置处理系统连接；黑启动小型燃机的供能输出端连接燃气电厂的高压厂用母线段；高压厂用母线段通过降压变压器连接到低压保安母线段；提供一套保安柴油发电机，其供能输出端连接低压保安母线段；黑启动小型燃机的调压单元连接到低压保安母线段；

S2、燃气电厂燃机黑启动准备，然后启动保安柴油发电机，以给低压厂用母线段充能；

S3、天然气系统的前置处理系统和黑启动小型燃机的调压单元启动，使得天然气参数满足黑启动小型燃机的启动要求，并经由调压单元为黑启动小型燃机供气，然后启动黑启动小型燃机，给高压厂用母线段充能；

S4、合上降压变压器的高压侧开关，通过高压厂用母线段为低压厂用母线段供能，然后切除保安柴油发电机的出口断路器，将保安柴油发电机停机；

S5、在高压厂用母线段和低压厂用母线段均正常供能后，启动主燃机的调压系统，使得天然气的各个参数达到主燃机的启动要求；

S6、主燃机启动，当主燃机升速至额定转速，随后并网完成黑启动。

所述天然气系统的前置处理系统用于对来自上游供气管道的天然气进行过滤、加热、降压，并在调压模块（调压单元和调压系统）中达到稳定，以便于为燃机供气。由此，本发明打破传统燃气电厂中采用柴油发电机组作为黑启动电源的配置方式，采用小型燃机作为燃气电厂的黑启动电源，将主燃机和黑启动小型燃机的燃料供应系统整合配置，天然气系统中的关断、计量、分离、加热等单元共用，调压和增压则按照主燃机和小燃机分别设置，使小型燃机在黑启动成功后的运行方式更加灵活，提高了运行可靠性，且运行维护方便、工作量小；而小型燃机在主燃机成功黑启动后继续作为厂用电电源增加机组出力，进而增加电厂收益，大大降低了沉没成本，提升了黑启动小型燃机的效率和经济性。

本发明可以进一步具体为：

提供一组黑启动柴油发电机，其供能输出端连接燃气电厂的高压厂用母线段；所述黑启动小型燃机还包括有增压单元，该增压单元插接在调压单元与黑启动小型燃气之间；燃气电厂主燃机设置有增压系统，该增压系统插接在调压系统与主燃机之间；增压单元和增压系统均由高压厂用母线段供能；则在保安柴油发电机为低压厂用母线段充能后，步骤如下：

S3、启动黑启动柴油发电机，给高压厂用母线段充能；高压厂用母线段正常供能后，天然气系统启动，使得天然气参数满足黑启动小型燃机的启动要求，启动黑启动小型燃机的调压单元和增压单元为黑启动小型燃机供气，然后启动黑启动小型燃机，给高压厂用母线段充能；

S4、合上降压变压器的高压侧开关，通过高压厂用母线段为低压厂用母线段供能，然后切除保安柴油发电机的出口断路器和黑启动柴油发电机的出口断路器，将保安柴油发电机和黑启动柴油发电机停机，将二者退出运行；

S5、在黑启动小型燃机的充能下，高压厂用母线段和低压厂用母线段均正常供能后，启动主燃机的调压系统和增压系统，使得天然气的各个参数达到主燃机的启动要求；

S6、主燃机启动，当主燃机升速至额定转速，随后并网完成黑启动。

当燃气电厂中天然气参数不满足燃机启动时，则需要设置增压单元，而增压单元需要高压厂用电供能启动，因此增加一组黑启动柴油发电机用于为高压厂用母线段充能，从而进一步为黑启动小型燃机的增压单元供能，并在黑启动小型燃气正常启动为高压厂用母线段充能后，黑启动柴油发电机即退出运行，因此其无需带大负荷，也无大容量需求，因此可参照保安柴油发电机配置燃料，相比原有多组黑启动柴油发电机并列运行更节能，运维更简单方便。

综上所述，本发明提供了一种基于小型燃机作为黑启动电源的燃机启动方法，采用小型燃机作为燃气电厂的黑启动电源，其优点和效果体现如下：

1）小型燃机性能好，运行可靠，排放低，可以连续运行。小型燃气轮机相技术比较成熟，发电效率较高，运行环保，系统比较简单，运行维护工作量低，大大降低了后期使用成本；燃气轮机为高速旋转设备，所产生的噪音为高频噪音，很容易被吸收屏蔽，噪音小。

2）电气配置简单，孤岛运行可靠性高，抗干扰能力强。根据测算，一台小型燃机可以满足大部分燃机黑启动负荷运行的要求，在极端情况下最多采用2台燃机并联运行就可以解决所有燃机电厂的黑启动过程电源需求，电气配置接线简单，并网可靠性高。

3）燃料系统综合配置，节省运维工作量。由于燃气电厂的主机为大型燃机，以天然气作为燃料，电厂内原本就设置了天然气供应系统，采用小型燃机作为黑启动电源方案时，无需另外增设燃料系统，仅需要在原有的天然气供应系统中增加分支回路或者是简单得进行扩展，就可以满足运行要求，使得整个燃料系统配置方案简洁清晰，不仅简化了运行过程中得操作，也减少了设备维护得工作量。

4）小型燃机除了可以在黑启动过程中作为主燃机的启动电源，当主燃机投入使用时，更可以作为厂用电系统的电源继续给厂用电系统供电，当厂用电系统消耗有剩余的时候也可以向系统供电，这种配置模式不仅可以减少电厂的厂用电损耗，增加电厂的发电量，而且可以优化厂用电系统的配置方案，而且可以提高小燃机的利用率，使其不仅仅作为沉没成本对电厂投资造成压力，增加了电厂的收益。

附图说明

图1为本发明所述基于小型燃机作为黑启动电源的燃机启动方法（无增压情况）的线路结构示意图。

图2为本发明所述基于小型燃机作为黑启动电源的燃机启动方法（有增压情况）的线路结构示意图。

下面结合实施例对本发明做进一步描述。

具体实施方式

最佳实施例：

参照附图2，本发明具体实施例所述天然气发电主机（主燃机）方案考虑1台单轴或双轴联合循环机组。本实施例考虑天然气参数无法满足主机要求，电厂需要配置天然气增压站（增压单元和增压系统）的方案，当天然气参数能够满足主机要求时，只需要相应简化配置即可。当天然气参数不满足燃机启动，需要设置增压系统时，全厂设置1台黑启动小型燃机和1组黑启动柴油发电机组，直接接入高压厂用母线段，另外设置一台保安柴油发电机组和一段低压保安母线段，由此基于小型燃机作为黑启动电源的燃机启动方法，包括如下步骤：

1）燃机黑启动采用零起升压模式，在启动前准备应检查全厂配电系统的状态，包括：

1.1发电机出口断路器应处于合闸位置；

1.2主变高压侧配电装置断路器应处于分闸位置，线路侧接地开关应处于接地状态；

1.3高低压厂用电系统中各断路器应处于分闸位置；

2）启动保安柴油发电机通过低压保安母线段给低压厂用电系统充能：

2.1检查保安柴油发电机蓄电池、控制、信号系统、冷却水温控制、空气系统、燃油系统、润滑油系统是否正常；

2.2选择柴油发电机启动方式，启动柴油发电机，当转速、电压达到额定值时，合上柴油发电机出口开关，给电厂保安段充能；

2.3合上电厂工作PC段至低压保安母线段之间的开关，完成给低压厂用电系统充能；

3）照明、二次仪控等负荷投入使用；

3.3合上低压厂用电系统中照明箱回路开关；

3.3合上低压厂用电系统中二次、仪控回路开关，投入保护装置，给UPS和蓄电池等装置充能；

4）启动黑启动柴油发电机组通过高压厂用母线段给高压厂用电系统充能：

4.1检查黑启动柴油发电机蓄电池、控制、信号系统、冷却水温控制、空气系统、燃油系统、润滑油系统是否正常；

4.2选择柴油发电机启动方式，启动柴油发电机，当转速、电压达到额定值时，合上柴油发电机出口开关，通过高压厂用母线段给电厂高压厂用电段充能；

5）燃气公用单元、小燃机调压和增压系统启动使天然气参数满足小燃机启动要求：

5.1投入天然气处理站流量计算机电源；

5.2投入天然气处理站天然气加热设备；

5.3投入天然气处理站烃液输送泵；

5.4投入天然气处理站小型燃机用调压单元；

5.5投入制氮装置，给小型燃机增压机供氮气；

5.6启动小型燃机增压单元；

6）黑启动小型燃机启动并接入高压厂用母线段以给电厂高压厂用电系统供能：

6.1投入小燃机液压启动泵电机，调节液压油的压力和液力变扭器叶轮导角控制力矩，使其初始转矩最大；

6.2液力变扭器电磁阀带电将油注入液力变扭器，拖动小燃机开始转动；

6.3当达到清吹转速时维持转速，排出可燃烟气；

6.4液力变扭器电磁阀失电排出传动油降低小然机转速至约10%全转速；

6.5给小燃机注油和点火；

6.6液力变扭器导叶打开加速至自持转速；

6.7液力变扭器电磁阀失电泄油，液压启动泵电机退出工作；

6.8小然机升速至额定转速，发电机出口升压至额定电压；

6.9合上小型燃机出口侧开关给全厂高压厂用母线段充能；

7）黑启动小型燃机通过低压厂用变（降压变压器）给电厂低压厂用电系统：

7.1合上降压变压器的高压侧开关给降压变压器充能；

7.2投入备自投装置或同期装置，利用降压变压器的低压侧开关和保安柴油发电机出口开关将低压厂用电系统并入高压厂用电系统；

8）黑启动柴油发电机组和保安柴油发电机组退出运行：

8.1切除保安柴油发电机出口断路器，将保安柴油发电机停机；

8.2切除黑启动柴油发电机出口断路器，将黑启动柴油发电机停机；

9）启动循环水系统：

9.1循环水前池注水至指定水位；

9.2开启冷却塔进口蝶阀、循泵入口门，关闭循泵出口门，开启凝汽器循环水进出口电动门，开启至润滑油冷却器电动门、出口电动门、闭式冷却器入口总门；

9.3将循泵电机高压开关转为热备用，启动循泵；

9.4启动冷却塔风机；

10）启动化水系统，投入补给水系统：

10.1投入除盐水系统；

10.2由除盐水向凝结水箱供水；

10.3由凝结水输送泵将水补入凝汽器、闭式循环膨胀水箱；

11）投入闭式冷却水系统：

11.1关闭膨胀水箱放水门，打开闭冷水补水前后手动门和旁路手动门；

11.2打开膨胀水箱出口门、闭冷水泵入口门；

11.3向膨胀水箱上水；

11.4打开闭冷水用户相关手动门；

11.4打开真空泵冷却器入口总门和进出口手动门；

11.5打开闭冷水热交换器进出口电动门；

11.6将闭冷水泵高压开关转为热备用，启动闭冷水泵；

12）投入仪用压缩空气系统：

12.1投入操作柜开关，给仪用压缩空气系统供能；

12.2开启干燥器；

12.3启动空压机；

13）启动主燃机调压和增压系统，使得天然气的温度、压力等参数均应达到主燃机要求的燃烧参数：

13.1投入制氮装置，准备给主燃机增压系统供氮气；

13.2启动主燃机增压系统；

14）投入盘车、润滑油、顶轴油、燃机罩壳风机等辅助系统：

14.1启动抽油烟风机，主润滑油泵和顶轴润滑油泵；

14.2打开盘车进油门，控制盘车转速；

14.3发电机电压控制投入自动；

14.4投入燃机罩壳风机；

14.5投入发电机闭式冷却水系统；

14.6启动密封油系统；

15）SFC启动，主燃机点火，退出顶轴油系统：

15.1投入SFC内部刀闸，燃机保持升速；

15.2主燃机升速至500rpm左右，退出顶轴油泵；

15.3主燃机升速至900rpm左右，保持转速，燃机开始清吹；

15.4断开SFC内部刀闸，燃机开始降速至指定转速后重新投入SFC装置，重新投入顶轴油泵；

15.5主燃机继续升速至约10%转速时注油点火，升速至500rpm左右，退出顶轴油泵；

16）主燃机升速至自持转速后，退出SFC，主励磁投入运行，启动励磁退出运行；主燃机升速至额定转速，随后并网以完成黑启动。

当工作在黑启动状态下时，按照电厂设置增压系统考虑，先通过启动保安柴油发电机组给全厂控制等公用系统和黑启动柴油机组辅助系统供电（低压），随后启动黑启动柴油发电机组给小型燃机增压单元供电，当小型燃机成功启动后，将给高压厂用母线段充能，同时考虑通过低厂变（降压变压器）给全厂低压工作系统供电，随后将保安柴油发电机组和黑启动柴油机组退出运行，此时全部厂用电系统将由黑启动小型燃机供电，随后逐步投入各系统（步骤9-16，为黑启动常规步骤）直至机组黑启动成功，在主燃机机组黑启动成功后，小型燃机仍可运行于电厂的厂用电系统中，满足厂用电负荷的供电需求，从而增加机组出力。为了满足保安工况的需求，要求保安柴油发电机组要自带日用油箱以满足快速启动的要求。

如果不需要设置天然气增压单元，则可以减少黑启动柴油发电机，通过保安柴油发电机直接启动小型燃机，步骤如下：

S1、如附图1所示：提供一套黑启动小型燃机，其调压单元与燃气电厂天然气系统中的前置处理系统连接；黑启动小型燃机的供能输出端连接燃气电厂的高压厂用母线段；低压保安母线段通过降压变压器连接到高压厂用母线段；提供一套保安柴油发电机，其供能输出端连接低压保安母线段；黑启动小型燃机的调压单元连接到低压保安母线段；

S2、燃气电厂燃机黑启动准备（同前述步骤1）），然后启动保安柴油发电机，以给低压厂用母线段充能（同前述步骤2-3））；

S3、天然气系统的前置处理系统和黑启动小型燃机的调压单元启动，使得天然气参数满足黑启动小型燃机的启动要求，并经由调压单元为黑启动小型燃机供气，然后启动黑启动小型燃机，给高压厂用母线段充能（同前述步骤5-6）；

S4、合上降压变压器的高压侧开关，通过高压厂用母线段为低压厂用母线段供能，然后切除保安柴油发电机的出口断路器，将保安柴油发电机停机（参照前述步骤7-8）；

S5、在高压厂用母线段和低压厂用母线段均正常供能后，启动主燃机的调压系统，使得天然气的各个参数达到主燃机的启动要求；

S6、主燃机启动（同前述步骤9-16），当主燃机升速至额定转速，随后并网完成黑启动。

本发明的燃料系统配置方案为：来自上游供气管道的天然气进行过滤、加热、降压，使天然气先在调压模块中达到稳定，随后输入下游天然气增压系统的配气管道中，再由天然气增压模块（增压单元或增压系统），使其压力和温度满足燃气轮机的要求，然后天然气被输送至燃料控制模块进入燃气轮机的燃烧室。当电厂不需要设置天然气增压系统时，则可取消增压单元。

在系统配置中，天然气关断、计量、分离、加热等系统共用，主燃机和供黑启动自用小型燃机各设置一条调压支路，调压支路按单元制设置，每条调压支路设工作线和备用线，主燃机调压分支进入主燃机增压模块，配置相应的天然气增压机，小燃机调压分支进入小燃机增压模块，可根据需要配置小容量的增压机。如果不需要设置天然气增压单元，则可以减少增压单元。

本发明的优点和效果还体现在：

模块化设计，安装运输简单便捷，布置灵活多样。燃气轮机多采用模块化设计方案，对于小型燃机来说，更有集装箱式和车载式等集成化更高的配置方案，这种高度集成化的设备不仅方便运输，而且可以根据场地条件灵活调整方案，在总图布置上节约了空间，基建工作量也少，同时由于小型燃机模块化程度很高，制造周期短，安装调试也很方便，因此建设周期短。

本发明未述部分与现有技术相同。

Claims (2)

1.基于小型燃机作为黑启动电源的燃机启动方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、提供一套黑启动小型燃机，其调压单元与燃气电厂天然气系统中的前置处理系统连接；黑启动小型燃机的供能输出端连接燃气电厂的高压厂用母线段；高压厂用母线段通过降压变压器连接到低压保安母线段；提供一套保安柴油发电机，其供能输出端连接低压保安母线段；黑启动小型燃机的调压单元连接到低压保安母线段；

S2、燃气电厂燃机黑启动准备，然后启动保安柴油发电机，以给低压厂用母线段充能；

S3、天然气系统的前置处理系统和黑启动小型燃机的调压单元启动，使得天然气参数满足黑启动小型燃机的启动要求，并经由调压单元为黑启动小型燃机供气，然后启动黑启动小型燃机，给高压厂用母线段充能；

S4、合上降压变压器的高压侧开关，通过高压厂用母线段为低压厂用母线段供能，然后切除保安柴油发电机的出口断路器，将保安柴油发电机停机；

S5、在高压厂用母线段和低压厂用母线段均正常供能后，启动主燃机的调压系统，使得天然气的各个参数达到主燃机的启动要求；

S6、主燃机启动，当主燃机升速至额定转速，随后并网完成黑启动。

2.根据权利要求1所述的基于小型燃机作为黑启动电源的燃机启动方法，其特征在于，

提供一组黑启动柴油发电机，其供能输出端连接燃气电厂的高压厂用母线段；所述黑启动小型燃机还包括有增压单元，该增压单元插接在调压单元与黑启动小型燃气之间；燃气电厂主燃机设置有增压系统，该增压系统插接在调压系统与主燃机之间；增压单元和增压系统均由高压厂用母线段供能；则在保安柴油发电机为低压厂用母线段充能后，步骤如下：

S3、启动黑启动柴油发电机，给高压厂用母线段充能；高压厂用母线段正常供能后，天然气系统启动，使得天然气参数满足黑启动小型燃机的启动要求，启动黑启动小型燃机的调压单元和增压单元为黑启动小型燃机供气，然后启动黑启动小型燃机，给高压厂用母线段充能；

S4、合上降压变压器的高压侧开关，通过高压厂用母线段为低压厂用母线段供能，然后切除保安柴油发电机的出口断路器和黑启动柴油发电机的出口断路器，将保安柴油发电机和黑启动柴油发电机停机，将二者退出运行；

S5、在黑启动小型燃机的充能下，高压厂用母线段和低压厂用母线段均正常供能后，启动主燃机的调压系统和增压系统，使得天然气的各个参数达到主燃机的启动要求；

S6、主燃机启动，当主燃机升速至额定转速，随后并网完成黑启动。

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