水電站柴油發(fā)電機(jī)組選型配置方案

水電站柴油發(fā)電機(jī)組選型配置方案
水力發(fā)電廠可分為并入國(guó)家電網(wǎng)的大型水力發(fā)電廠和不并入國(guó)家電網(wǎng)的偏僻地區(qū)的小型水力發(fā)電廠（小水電），前者按照規(guī)范要求：“除了工作電源間互為備用和系統(tǒng)倒送電外，大、中型水電廠還應(yīng)設(shè)置廠用電備用電源”，一般已經(jīng)設(shè)置了保安柴油發(fā)電機(jī)組在內(nèi)的廠用電備用電源，而后者由于獨(dú)立組網(wǎng)以及成本限制，以前都很少配置保安柴油發(fā)電機(jī)組，較為常用的做法是從保留的施工變壓器或地區(qū)電網(wǎng)引接保安電源，考慮到地區(qū)電網(wǎng)十分不穩(wěn)定，容量也有限制，近年來(lái)有些地區(qū)小水電廠已經(jīng)開(kāi)始取消從地區(qū)電網(wǎng)引接備用，而開(kāi)始配套保安柴油發(fā)電機(jī)組作備用電源。
一、水力發(fā)電廠保安電源柴油發(fā)電機(jī)組的特點(diǎn)和黑啟動(dòng)要求
水電廠設(shè)置廠用電保安電源主要是確保大壩安全度汛和水淹廠房等事故發(fā)生時(shí)人身及設(shè)備的安全。廠用電保安電源通常選用柴油發(fā)電機(jī)組，但由于配套附屬設(shè)備相對(duì)較多，維護(hù)工作量相對(duì)較大，所以有的水電廠開(kāi)始專設(shè)水輪發(fā)電機(jī)組代替柴油發(fā)電機(jī)組等保安電源，例如惠州抽水蓄能電廠就在下庫(kù)裝設(shè)2臺(tái)1000kw水輪發(fā)電機(jī)組作為保安電源。
水輪發(fā)電機(jī)組與火電、核電發(fā)電機(jī)組相比，具有輔助設(shè)備簡(jiǎn)單、廠用電少，啟動(dòng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，因此電網(wǎng)調(diào)度部門(mén)通常指定水電廠作為黑啟動(dòng)電源，水電廠黑啟動(dòng)電源的設(shè)置應(yīng)符合下列規(guī)定：
1）當(dāng)電力系統(tǒng)調(diào)度部門(mén)確定水電廠應(yīng)具備電力系統(tǒng)黑啟動(dòng)功能時(shí)，該水電廠應(yīng)設(shè)置黑啟動(dòng)電源。
2）黑啟動(dòng)電源通常選用能遠(yuǎn)方控制快速啟動(dòng)的柴油發(fā)電機(jī)組，也可專設(shè)水輪發(fā)電機(jī)組。
3）黑啟動(dòng)電源容量需滿足啟動(dòng)一臺(tái)發(fā)電機(jī)組必需的負(fù)載，包括發(fā)電機(jī)組供水泵、主變壓器冷卻裝置、發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)油壓裝置的主油泵、發(fā)電機(jī)高壓油頂起油泵、發(fā)電機(jī)組軸承潤(rùn)滑油冷卻系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)斷路器操作電源等開(kāi)機(jī)所需負(fù)載。發(fā)電機(jī)組黑啟動(dòng)時(shí)所需考慮的負(fù)載可按規(guī)程附錄規(guī)定選取。
當(dāng)水電廠需要廠用電保安電源和黑啟動(dòng)電源時(shí)，則宜兼用。此時(shí)電源的容量應(yīng)按保安負(fù)載與黑啟動(dòng)負(fù)載二者的最大值選取，但不考慮黑啟動(dòng)的負(fù)載與保安負(fù)載同時(shí)出現(xiàn)。當(dāng)大型電廠樞紐布置比較分散、供電范圍廣且距離較遠(yuǎn)時(shí)，可將供大壩安全度汛或重要泄洪設(shè)施的保安電源（柴油發(fā)電機(jī)組）單獨(dú)布置在壩區(qū)附近。
二、水力發(fā)電廠保安柴油發(fā)電機(jī)組的選擇
1、水力發(fā)電廠保安柴油發(fā)電機(jī)組型式選擇
按照使用條件分類(lèi)，柴油發(fā)電機(jī)組可分為陸用、船用、掛車(chē)式和汽車(chē)式。其中在《往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的交流發(fā)電機(jī)組第1部分用途、定額和性能》gb/t 2820.1-2009的第6.2條中規(guī)定“陸用是指用于陸地上的固定式、可運(yùn)輸式或移動(dòng)式發(fā)電機(jī)組”。目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)水電廠柴油發(fā)電機(jī)組采用固定式機(jī)房安裝形式。
柴油發(fā)電機(jī)組性能等級(jí)按照《gb/t 2820.1-2009往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的交流發(fā)電機(jī)組第1部分用途、定額和性能》的規(guī)定和水電廠保安負(fù)載以及黑啟動(dòng)負(fù)載的實(shí)際需求，選用適用負(fù)載范圍為照明系統(tǒng)、泵、風(fēng)機(jī)和卷?yè)P(yáng)機(jī)等的g2級(jí)性能等級(jí)，該等級(jí)柴油發(fā)電機(jī)組性能特點(diǎn)：發(fā)電機(jī)組的電壓特性與公用電力系統(tǒng)非常相似，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，可有暫時(shí)允許的電壓和頻率的偏差。
目前，國(guó)產(chǎn)柴油發(fā)電機(jī)組從啟動(dòng)到安全供電為止的啟動(dòng)時(shí)間可以小于15s，有的制造廠產(chǎn)品啟動(dòng)時(shí)間可在4s～7s，保證值為15s。柴油發(fā)電機(jī)組作為水電廠的保安或黑啟動(dòng)、備用電源的重要設(shè)備，要求在應(yīng)急情況下能夠可靠啟動(dòng)并投入正常運(yùn)行，所以柴油發(fā)電機(jī)組應(yīng)采用快速啟動(dòng)應(yīng)急型，要求發(fā)電機(jī)組應(yīng)保持隨時(shí)準(zhǔn)備啟動(dòng)的熱備用狀態(tài)。當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)組連續(xù)3次自啟動(dòng)失敗，意味著啟動(dòng)回路或發(fā)電機(jī)組本身有故障，再次啟動(dòng)也無(wú)用，因此按3次考慮。根據(jù)需要一般可規(guī)定總時(shí)間不大于30s。若連續(xù)3次自啟動(dòng)失敗，應(yīng)能發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并閉鎖自啟動(dòng)回路。
近年來(lái)發(fā)電機(jī)組控制功能已比較完善，可以做到發(fā)電機(jī)組無(wú)人值守。智能型發(fā)電機(jī)組能自啟動(dòng)、自動(dòng)調(diào)壓、自動(dòng)調(diào)頻、自動(dòng)調(diào)載、自動(dòng)并車(chē)、功率管理（按負(fù)載大小自動(dòng)增減發(fā)電機(jī)組）、故障自動(dòng)處理、輔機(jī)自動(dòng)控制等。根據(jù)gb/t 4712-2008《自動(dòng)化柴油發(fā)電機(jī)組分級(jí)要求》，其自動(dòng)化程度分為三級(jí)，可依具體水電廠選定。柴油發(fā)電機(jī)組除配置上述的快速自啟動(dòng)裝置外，還需要配置手動(dòng)啟動(dòng)裝置，以便在安裝調(diào)試及例行試驗(yàn)時(shí)使用。
根據(jù)gb/t 2820.1-2009《往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的交流發(fā)電機(jī)組第1部分用途、定額和性能》的規(guī)定，選型時(shí)還需要對(duì)柴油機(jī)的型式、冷卻方式、啟動(dòng)電源等提出要求。柴油發(fā)電機(jī)組按轉(zhuǎn)速分高、中、低三類(lèi)。高轉(zhuǎn)速不低于1000r/min，低轉(zhuǎn)速不高于500r/min，除此之外為中轉(zhuǎn)速。高速及廢氣渦輪增壓型柴油發(fā)電機(jī)組具有體積小、質(zhì)量小、功率大（輸出功率與體積或排量的比率大）、效率高和啟動(dòng)運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，因此推薦采用，但考慮到增壓型柴油機(jī)的氣缸平均有效壓力較高的特點(diǎn)，允許首次加載的負(fù)載大小比傳統(tǒng)的非增壓型柴油機(jī)要低一些，需要按照允許加負(fù)載的程序分批投入負(fù)載。
柴油機(jī)一般可采用壓縮空氣啟動(dòng)和電啟動(dòng)兩種啟動(dòng)方式。由于壓縮空氣啟動(dòng)需要?dú)鈩?dòng)裝置，占用空間較大，不易布置，運(yùn)行維護(hù)比電啟動(dòng)復(fù)雜，因此推薦采用電啟動(dòng)方式。柴油發(fā)電機(jī)組電啟動(dòng)蓄電池組的電壓為12v或24v。由于發(fā)電機(jī)組不經(jīng)常工作，應(yīng)設(shè)置整流充電設(shè)備，其輸出電壓可根據(jù)蓄電池組浮充或均充電壓大小設(shè)置，輸出電流不小于蓄電池10h放電率電流。蓄電池容量必須滿足柴油機(jī)連續(xù)啟動(dòng)不少于6次的要求。冷卻方式宜采用封閉式循環(huán)水冷卻。
由于目前國(guó)內(nèi)柴油發(fā)電機(jī)組供貨市場(chǎng)上采用10kv或6.3kv柴油發(fā)電機(jī)組比同容量400v的發(fā)電機(jī)組價(jià)格性價(jià)比差，柴油發(fā)電機(jī)組額定電壓宜采用0.4kv，接線應(yīng)采用星形聯(lián)結(jié)，中性點(diǎn)應(yīng)能引出，其接地方式應(yīng)滿足下列要求：
1）當(dāng)廠用電系統(tǒng)中僅裝設(shè)一臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組時(shí)，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)應(yīng)直接接地（降低了系統(tǒng)的內(nèi)部過(guò)電壓倍數(shù)，當(dāng)某相接地時(shí)，相間電壓為中性點(diǎn)所固定，基本不會(huì)升高。同時(shí)動(dòng)力和照明可以由同一發(fā)電機(jī)母線供電），發(fā)電機(jī)的接地形式宜與低壓廠用電系統(tǒng)的接地形式相一致。
2）當(dāng)兩臺(tái)及以上柴油發(fā)電機(jī)組并列運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)組的中性點(diǎn)應(yīng)經(jīng)接地刀開(kāi)關(guān)（隔離開(kāi)關(guān)）接地，以便防止發(fā)電機(jī)中性導(dǎo)體產(chǎn)生三次諧波導(dǎo)致發(fā)電機(jī)發(fā)熱；當(dāng)兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組的中性導(dǎo)體存在環(huán)流時(shí)，應(yīng)只將其中一臺(tái)運(yùn)行并合閘帶載中的發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)接地，其余所有發(fā)電機(jī)組的接地刀開(kāi)關(guān)均需要斷開(kāi)，當(dāng)帶載運(yùn)行中的發(fā)電機(jī)組發(fā)生故障停機(jī)、人為換機(jī)或者因?yàn)閮?yōu)先運(yùn)行原因需要換機(jī)時(shí)，接地刀開(kāi)關(guān)需要同時(shí)進(jìn)行切換，保證系統(tǒng)中有且只有一臺(tái)帶載運(yùn)行中的發(fā)電機(jī)組的接地刀開(kāi)關(guān)處于合閘狀態(tài)。其接地刀開(kāi)關(guān)可根據(jù)發(fā)電機(jī)允許的不對(duì)稱負(fù)載電流和中性導(dǎo)體上可能出現(xiàn)的零序電流選擇。
當(dāng)廠用電系統(tǒng)中裝設(shè)兩臺(tái)及以上柴油發(fā)電機(jī)組并列運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)隔離開(kāi)關(guān)接地，當(dāng)發(fā)電機(jī)的中性導(dǎo)體存在環(huán)流時(shí)，應(yīng)只將其中一臺(tái)發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)接地。
3）當(dāng)廠用電系統(tǒng)中裝設(shè)兩臺(tái)及以上柴油發(fā)電機(jī)組并列運(yùn)行時(shí)，每臺(tái)發(fā)電機(jī)組的中性點(diǎn)可分別經(jīng)限流電抗器接地，以便保持中性母線電位偏移不大的條件下，有效地限制中性點(diǎn)引出導(dǎo)體中的諧波電流。其電抗器的額定電流可按發(fā)電機(jī)額定電流的25％選擇，阻抗值大小按通過(guò)額定電流時(shí)其端電壓小于10v選擇。
當(dāng)受到電站負(fù)載分布、電氣接線和水電廠樞紐布置等條件限制時(shí)，宜采用10kv高壓柴油發(fā)電機(jī)組。
無(wú)刷勵(lì)磁交流同步發(fā)電機(jī)配置有自動(dòng)電壓調(diào)整裝置時(shí)，其穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率最優(yōu)可達(dá)到±0.25％，一般要求為±0.5％～±1.0％，這類(lèi)機(jī)型能適應(yīng)各種運(yùn)行要求，易于實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組自動(dòng)化和發(fā)電機(jī)組的遙控，因此發(fā)電機(jī)宜采用快速反應(yīng)的無(wú)刷自動(dòng)勵(lì)磁裝置；應(yīng)裝設(shè)過(guò)電流和單相接地保護(hù)。容量1000kw以上時(shí)應(yīng)裝設(shè)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)等。柴油發(fā)電機(jī)組的日用油箱宜按8h耗油量配置。
2、水力發(fā)電廠柴油發(fā)電機(jī)組容量的選擇
柴油發(fā)電機(jī)組容量應(yīng)根據(jù)其用途，按以下方法進(jìn)行選擇：
1）如作為廠用電保安電源，其容量需大于最大保安負(fù)載。
2）如作為黑啟動(dòng)電源，其容量需大于啟動(dòng)一臺(tái)發(fā)電機(jī)組所必需的用電負(fù)載。
3）如既作為廠用電保安電源，也兼作黑啟動(dòng)電源，其容量應(yīng)按保安負(fù)載與黑啟動(dòng)負(fù)載二者的最大值選取。柴油發(fā)電機(jī)組負(fù)載計(jì)算應(yīng)考慮水電廠負(fù)載的投運(yùn)規(guī)律。對(duì)于在時(shí)間上能錯(cuò)開(kāi)運(yùn)行的負(fù)載不應(yīng)全部計(jì)入，可以分階段統(tǒng)計(jì)同時(shí)運(yùn)行的負(fù)載，取其大者作為計(jì)算負(fù)載。
4）如作為備用電源，其容量應(yīng)滿足備用電源容量要求。
柴油發(fā)電機(jī)組容量除應(yīng)按上述要求進(jìn)行容量計(jì)算并選型外，還應(yīng)按下列條件進(jìn)行校驗(yàn)：確定柴油發(fā)電機(jī)組容量時(shí)，除考慮用電總負(fù)載外，應(yīng)著重考慮啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)容量。單臺(tái)電動(dòng)機(jī)最大啟動(dòng)容量與確定發(fā)電機(jī)組容量有直接關(guān)系。發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)容量應(yīng)考慮發(fā)電機(jī)的技術(shù)性能、柴油機(jī)的調(diào)速性能、負(fù)載電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)、啟動(dòng)時(shí)發(fā)電機(jī)所帶負(fù)載大小、功率因數(shù)的高低、發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁和調(diào)節(jié)方式及負(fù)載對(duì)電壓指標(biāo)的要求等。為此，設(shè)計(jì)中確定發(fā)電機(jī)組容量時(shí)，應(yīng)具體分析計(jì)算。
由于電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與電源電壓的平方成正比，為了保證電動(dòng)機(jī)有足夠的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，采用降壓?jiǎn)?dòng)方式時(shí)，啟動(dòng)時(shí)電源電壓下降不能太低，否則電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩不足以帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶載量。考慮其他負(fù)載的正常運(yùn)行的電壓要求，保證開(kāi)關(guān)設(shè)備的接觸器可靠地工作，希望電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電源電壓下降盡可能低一些，這樣與啟動(dòng)電壓成正比的啟動(dòng)電流也會(huì)相應(yīng)降低，降低了的啟動(dòng)容量對(duì)其余負(fù)載的沖擊會(huì)降至最低，啟動(dòng)瞬間最低電壓值就不會(huì)過(guò)低，這樣的話，就存在一個(gè)電動(dòng)機(jī)希望的高啟動(dòng)電

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