&&&&&&& （1.河北省电力勘测设计研究院& 河北石家庄& 050031；
&&&&&&& 2. 大唐河北发电有限公司马头热电分公司& 河北邯郸& 056044；
&&&&&&& 3. 河北省电力勘测设计研究院& 河北石家庄& 050031）
&&&&&&& 摘要：通过对比不同种类的启动电源，选择轻柴油高速发电机组作为黑启动的电源，根据黑启动负荷的启动顺序进行容量计算，校验启动最大电机时的电压水平，并对大电机采用不同启动方式的结果进行经济技术比较，选择最优方案。
&&&&&&& 关键词：黑启动；容量；电压水平
&&&&&&& 0& 引言
&&&&&&& 随着国内电力设计单位承接国外工程建设项目日益增多，国外很多工程要求电厂具备黑启动的条件，即整个系统因故障崩溃后全部停电，处于全&黑&状态，不依赖别的网络帮助，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恢复供电。因此，黑启动柴发发电机组容量的选择显得尤为重要。
&&&&&&& 1& 黑启动的电源选择
&&&&&&& 对于黑启动电源设备可以考虑采用轻柴油高速发电机组、重柴油中低速发电机组和燃机发电机组，燃机发电机组天然气的来源、供应量等多项外部条件，且需要辅助设备较复杂，因此较少使用燃油发电机组作为黑启动电源。对轻柴油高速机及重柴油中低速机进行经济技术比较，如表1：
&&&&&&& 轻柴油高速发电机组在中国各行业大量使用，设备的采购和维修都非常方便，因此采用轻柴油高速发电机组作为黑启动电源设备。
&&&&&&& 2& 黑启动的负荷启动顺序和黑启动电源容量的计算
&&&&&&& 2.1& 黑启动机组启动顺序和实际启动负荷
&&&&&&& 第1阶段：亦称为启动前准备阶段主要包括制水、运煤等工作。机组停机时所启动的机组保安柴油发电机组保持工作状态，满足二次直流、UPS、盘车和交流润滑油泵等设备的持续供电；第2阶段：中压电动机启动阶段，以国外某2X660MW工程为例，负荷启动顺序和启动时的实际运行数据见表1:
&&&&&&& 2.2 柴油发电机组容量选择
&&&&&&& 3.2.1 发电机连续输出总容量计算
&&&&&&& 考虑了按顺序投入的启动项实际运行功率和负荷累计值，柴油发电机组的最大计算负荷（Sd）不能小于实际运行负荷，计算公式如下：
&&&&&&& 式中：&为正常运行时柴油发电机功率因数，取0.8；
&&&&&&& 根据计算可得Sd=18.8MVA。
&&&&&&& 黑启动柴油发电机组的连续输出容量不应小于Sd，因此黑启动柴油发电机组额定容量Sr&18.8MVA。
&&&&&&& 2.3 黑启动柴油发电机组输出功率的复核
&&&&&&& 3.3.1 每次启动中压电机时的加载能力校验
&&&&&&& 对于黑启动柴油发电机组，每次启动中压电动机时应满足以下公式：
&&&&&&& 式中&SP`ed为启动第i项启动项前投入的负荷额定功率之和，需投入的低压负荷经计算为3.15MW；Pi为每次启动中压电动机的容量；&为正常运行时电动机的功率因数，取0.8；Ks为启动电流倍数，取6；
&&&&&&& 根据本工程的负荷信息进行计算，结果见表2。
&&&&&&&&&&&
&&&&&&& 通过上表可见，每次启动中压电机时，柴发发电机输出的功率不应小于20.68MW，因此，采用单台容量为1800kW的发电机，至少需采用12台，总容量为21.6MW。
&&&&&&& 2.4 容量最大的电动机启动时母线电压水平校验
&&&&&&& 由于发电机空载启动电动机所引起的母线电压降低比带负载启动更为严重，因此取发电机空载启动作为校验工况。
&&&&&&& 式中为发电机X`d轴暂态电抗（标幺值），参考值为0.21。
&&&&&&& Pm为容量最大的电动机的额定功率，本工程为引风机为3.3MW。
&&&&&&& 1）方案一，电动机全部采用直接启动。
&&&&&&& 按12台单台额定容量为1.8 MW柴油发电机计算，校验母线电压水平：母线电压 Ub=82%。
&&&&&&& 考虑电缆压降损耗3%，最大电机启动时的端电压为79%。不满足IEEE Std 666标准中80%的要求。
&&&&&&& 若采用13台柴油发电机，校验母线电压水平：母线电压 Ub=84%。
&&&&&&& 考虑电缆压降损耗3%，最大电机启动时的端电压为81%。满足IEEE标准。
&&&&&&& 因此，若电机全部采用直起，需使用13台柴油发电机。
&&&&&&& 2）方案二，电动机采用变频装置启动。
&&&&&&& 将最大一台电机（引风机）采用变频装置启动，需验证第二台最大的电机启动时的母线电压水平，第二台最大电机容量为2700kW（一次风机），经计算可得：母线电压Ub=86%。
&&&&&&& 考虑电缆压降损耗3%，最大电机启动时的端电压为83%。满足IEEE标准。
&&&&&&& 因此，使用12台柴油发电机及一台最大容量电机（3300kW）加变频装置。
&&&&&&& 3）方案三，电动机采用软启动。
&&&&&&& 将最大一台电机（引风机）采用软启动，需验证第二台最大的电机启动时的母线电压水平，第二台最大电机容量为2700kW（一次风机），经计算可得：
&&&&&&& 母线电压Ub=86%。
&&&&&&& 考虑电缆压降损耗3%，最大电机启动时的端电压为83%。满足IEEE标准。
&&&&&&& 因此，使用12台柴油发电机及一台最大容量电机（3300kW）加软启动装置。
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&&&& 3& 黑启动的大电机启动方式比较
&&&&&&& 电机启动方式的对比如表3。
&&&&&&& 可见对于引风机，属于经常运行的负荷，采用变频装置可有效节能，虽然成本高于软启动，但从长期看，回收成本较快，且软启动会产生谐波污染，因此，推荐采用方案二。
&&&&&&& 4 结论
&&&&&&& 因此采用12台柴油发电机单台额定功率为1800kW的柴油发电机组为黑启动设备，总功率21.6MW，且对一台引风机采用变频装置。由于目前柴油发电机制造厂较多，不同型号的设备参数各有区别，对计算结果有一定的影响，需要在设备采购时根据制造厂资料时进一步核算。
&&&&&&& 参考文献
&&&&&&& [1] DL／T ，火力发电厂厂用电设计技术规定[S]．
&&&&&&& [2] 孟庆森,张格睿.电站黑启动柴油发电机容量选择的探讨[J].山东电力技术,2010．
&&&&&&& 作者简介
&&&&&&& 1.张红燕（1985-），女，工程师，从事发电厂电气设计工作。
&&&&&&& 2.李浩凯（1987-），男，高级点检，从事电厂设备检修工作。
&&&&&&& 2.吕海勇（1976-），男，高工，从事发电厂电气设计工作。
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数据中心机房柴油发电机组容量选择和计算
摘要：在市电中断时，柴油发电机除在最快的时间内能自起动外，还应该最大限度的满足应急负荷的起动及供电容量要求，若容量选择小，电动机起动时电压降过大，容量选得过大，则运行经济效益差。文中探讨了该如何选择单台柴油发电机的容量，选用几台柴油发电机并列才能既满足系统的应急要求，又不造成容量的浪费的问题。
　　在规模较大的数据中心机房，数台甚至十几台柴油发电机并列运行的情况越来越多。在市电中断时，柴油发电机除在最快的时间内能自起动外，还应该最大限度的满足应急负荷的起动及供电容量要求，若容量选择小，电动机起动时电压降过大，容量选得过大，则运行经济效益差。文中探讨了该如何选择单台柴油发电机的容量，选用几台柴油发电机并列才能既满足系统的应急要求，又不造成容量的浪费的问题。
　　柴油发电机是内燃发电机的一种，它以柴油为一次能源，柴油机为原动机，它有如下几个特点：
　　① 燃料价格便宜，容易保存;
　　② 构造简单，辅助设备少;
　　③ 起动迅速，带负荷和停机的动作时间短;
　　④ 操作维护简单、方便。
　　正是因为上述特点，柴油发电机在数据中心的使用范围也越来越广泛。随着数据中心机房规模的逐步扩大，高级别配电系统的数据中心机房也在成比例的增加，由于A级机房要求供电系统不能中断，所以，在规模较大的数据中心机房，数台甚至十几台柴油发电机并列运行的情况越来越多。在市电中断时，除在最快的时间内能自起动外，还应该最大限度的满足应急负荷的起动及供电容量的要求，若容量选择小，电动机起动时电压降过大。容量选得过大，则运行经济效益差。那么，该如何选择单台柴油发电机的容量呢?选用几台柴油发电机并列才能既满足系统的应急要求，又不造成容量的浪费呢?
　　1 柴油发电机的功率
　　(1) 持续功率(COP)(恒定负荷持续运行)
　　COP为在商定的运行条件下并按照制造商的规定进行维护保养，机组以恒定负载持续运行，且每年运行时间不受限制的最大功率。
　　(2) 基本功率(PRP)(变负荷持续运行)
　　PRP为在商定的运行条件下并按照制造商的规定进行维护保养，机组以可变负载持续运行，且每年运行时间不受限制的最大功率。
　　(3) 限时运行功率(LTP)
　　LTP为在商定的运行条件下并按照制造商的规定进行维护保养，机组每年运行时间可达500h的最大功率。
　　(4) 应急备用功率(ESP)
　　(变负荷限时运行)ESP为在商定的运行条件下并按照制造商的规定进行维护保养，在市电中断或在试验条件下，机组以可变负载运行且每年运行时间可达200h的最大功率。
　　数据中心机房的应急柴油发电机性能等级不应低于G3级;A级数据中心发电机组应按照基本功率(PRP)选择;B级数据中心发电机组的输出功率可按照限时运行功率(LTP)来选择。
　　2 选择柴油发电机的必要条件
　　选择柴油发电机的必要条件如下：
　　(1) 安装现场的环境温度、湿度和海拔高度
　　当使用环境的温湿度和海拔高度超过发电机的额定值时，发电机需要降容使用;
　　(2) 柴油发电机供电负荷总容量
　　需要所有柴油发电机供电负荷的容量数据，包括装机容量、负荷系数、功率因数等。电动机负荷还要给出台数、效率、起动电流倍数等参数;
　　(3) 起动顺序
　　①按照负荷的重要性分出起动的先后顺序;
　　②按照负荷大小及起动电流大小，同样重要的电动机容量大、起动电流大的优先。
　　③系统允许的电压降，常用电气设备端子的电压偏差允许值。
　　电动机起动时，其端子电压应能保证被拖动机械要求的起动转矩，且在起动时，配电母线上的电压应符合下列要求：
　　电动机不频繁起动时，不宜低于标称电压的85%(数据中心机房在柴油发电机供电时，电动机属于不频繁起动的情况);
　　配电母线上未接照明或其他对电压下降敏感的负荷时，不应低于标称电压的80%;
　　配电母线上只有电动机时，可按照保证电动机起动转矩的条件决定;对于低压电动机，还应保证接触器线圈电压不低于释放电压(从产品样本中可以查到，查不到样本时，可按照70%考虑)。
　　3 柴油发电机的容量选择和计算
　　(1) 计算全部应急负荷的容量式中
　　SG1&&按所供全部应急负荷计算的发电机容量，kVA;PSZ&&事故照明负荷，kW;&SZ&&事故照明负荷的效率;tg&SZ&&事故照明负荷功率因数角的正切值;
　　PM&&电动机的额定容量，kW;&M&&电动机的额定效率，通常可以取0.8～0.9，或由产品样本中查得;tg&M&&电动机功率因数角的正切值;K&&需要系数，在数据中心机房应急情况下取1.
　　(2) 考虑发电机过负荷能力的计算式中
　　SG2&&按满足需要起动的大容量电动机起动时计算的发电机容量，kVA;
　　P0&&PMmax投运前已投入运行的负荷容量，kVA;
　　cos&0&&P0负荷的功率因数;
　　sin&0&&P0负荷的功率因素角的正弦值;
　　PMmax&&投入的最大容量电动机的额定容量，kW;
　　cos&Mmax&&最大容量电动机的起动功率因数;
　　sin&Mmax&&最大容量电动机的起动功率因数角的正弦值;
　　KG&&发电机的过负荷倍数，一般可取1.5;
　　&'&&相当于PMmax电动机起动时的kVA值与电动机额定容量kW值之比;
　　&'=&/&mn&cos&mn
　　上式中，&&&电动机的起动电流倍数;
　　&mn&&最大容量电动机的效率;
　　cos&mn&&最大容量电动机的功率因数;
　　Kq&&起动电流倍数，详见表2。
　　(3)按起动时允许电压降计算
　　式中，SG3&&满足大容量电动机起动时允许电压降计算的发电机容量，kVA;
　　Xd&&发电机的电抗，为发电机暂态电抗X'd和次暂态电抗X''d的算术平均值，即Xd=(X'd+X''d)/2，当查不到产品样本时，Xd一般可取0.15～0.3;
　　&DU&&起动时母线允许的电压降，一般可取0.25～0.3V;
　　按照前面三种要求算出柴油发电机容量后，如果SG2、SG3比SG1大的较多，则说明电动机的起动方式需要进行适当的改变。在选择柴油发电机容量的时候，需要分析是电动机降压起动选择小容量发电机组，还是电动机直接起动选择较大容量发电机组，应该根据综合技术经济比较来确定。
　　4 数据中心机房柴油发电机选择实例
　　某数据中心机房负荷见表3。
　　其中动力负荷当中，制冷主机功率为340.2kW(容量最大电动机)，水泵为45kW，均为三用一备，柴油发电机的单台容量及台数选择计算如下：
　　(1) 总的应急负荷计算
　　从上述计算当中可以发现，此处的柴油发电机总容量已经超过了2500kW，所以其电压等级应为10.5kV.从负荷计算表中不难发现，2层与3、4层机房的机柜用电量接近，所以可以把动力负荷与机房UPS负荷分为两个容量接近的部分，然后计算单台柴油发电机的容量。
　　(2 )按照发电机过负荷能力选择的计算
　　起动时柴油发电机1所带负荷：2层机房负荷+2层动力负荷+两台冷水机组+两台水泵=1669.64kW，起动时柴油发电机2所带负荷：3、4层机房负荷+3、4层动力负荷+一台冷水机组+一台水泵+插座=1540.27kW。
　　可以看出，柴油发电机1所带负荷大容量电动机台数多，所以，可以根据柴油发电机1的计算结果确定单台柴油发电机的容量，计算结果如下：
　　从上述计算可以看出，在冷冻机采用软起动方式，起动系数为3时，单台柴油发电机的容量可以选择2000kW。
　　(3)按照母线允许的电压降计算
　　综上所述，本例当中的柴油发电机采用10.5kV，2000kW柴油发电机并机方式或者采用单母线分段接线方式。
　　5 结束语
　　数据中心机房柴油发电机系统多使用柴油发电机并机运行的方式，所以在计算柴油发电机容量的时候，需要先对由柴油发电机所带负荷进行合理的分组，根据分组容量计算单台容量，再确定台数，经多方面比较后确定一个既保证系统可靠稳定，又保证良好经济效益的方案。
　　责任编辑：DJ编辑
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相信大家都知道，组的启动方式如果不对，将会严重的影响到发电机组的使用寿命，给发电机组带很大的危害。那么有哪些启动方式会对柴油发电机产生危害呢?下面发电机厂家带您一起来了解下吧。
1、无水启动或骤加沸水启动
柴油发电机起动后如无冷却水，会使气缸组件、缸盖和机体等零部件温度急剧升高，此时再加注冷却水，会使炽热的缸套、缸盖等重要部件因骤然遇冷而引起炸裂或变形。但是，如果启动前向冰冷的机体内骤加100℃左右的沸水，同样会激裂缸盖、机体和缸套等零部件，应待水温降至60-70℃时再加入。
2、强力冷态拖车启动
柴油发电机在冷车状态下、机油粘度较高的情况下强行拖车起动，会加剧柴油机各运动件之间的磨损，从而降低柴油机的使用寿命。
3、明火烘烤油底壳
强火喷烤油底壳，易造成油底壳局部变形或油底壳内的机油变质。因此，加热油底壳内的机油应使用专用的加热器(或蒸汽)加热，与此同时缓慢转动油轴，让机油均匀受热，使各部位都得到润滑。
4、长时间使用电热塞或火焰预热器
电热塞或火焰预热器的发热体都为电热丝，其耗电量和发热量都很大，长时间使用可因急剧放电而损坏蓄电池，同时也可烧坏电热丝。所以，电热塞每次连续使用的时间不可超过1min，火焰预热器每次连续使用的时间要控制在30s以内。
5、直接将汽油灌入进气管
汽油的燃点较柴油低，比柴油先燃烧。因此直接将汽油灌入进气管，会使柴油发电机工作粗暴而产生强烈的敲缸现象，严重时还可发生柴油机反转。
6、过度使用乙醚
乙醚可以有效的提高柴油机的启动性能。但过度使用乙醚，会造成柴油机气缸组件、气缸盖等的异常损坏。同时也会大大缩短柴油发电机的使用寿命。
7、加大油门启动
发电机启动时不要加油门。一般将油门放置到怠速位置上即可。但很多人为了能使柴油发电机快点启动，启动前或启动过程中猛加油门。这种做法的害处是：①浪费燃油。多余的柴油会冲刷缸壁，使活塞、活塞环与气缸套之间润滑恶化而加剧磨损;余油流入油底壳会稀释机油而降低润滑效果;气缸中过多的柴油燃烧不完全会形成积碳。②柴油机大油门启动后，转速可能升高很快，这会对运动部件造成较大的损坏(加剧磨损或造成拉缸等故障)。
8、不按季节换用机油和燃油
在天气寒冷的季节，如果不及时改换粘度低的机油和燃油，发电机就很难起动或根本不能启动。即使是强行启动成功，也可能对柴油发电机造成无法估量的损伤。
9、进气管处引火起动
如果在柴油发电机进气管处引火起动，会使物质燃烧产生的灰烬及硬杂物吸进气缸，易造成进、排气门关闭不严并拉伤气缸。
10、直接将机油加入气缸
将机油加入气缸，虽可起到密封增压增温的作用，便于发电机冷机起动，但机油不能完全燃烧，易产生积碳，使活塞环的弹性减弱，气缸的密封性能下降。此外，还会加速气缸套的磨损，导致发电机的功率下降，使起动更加困难，所以不能直接将机油加入气缸。
11、忌长时间连续起动
柴油上的起动电机是在低电压、大电流的情况下工作的，长时间使用会损坏蓄电池。其连续工作的时间不得超过10s;一次起动不行，应隔15s再起动。
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