孙彦果
山东电力建设第三工程公司，山东青岛， 266100
The Capacity Computing Method For the Diesel Generator in Solar Thermal Project
SunYanguo
摘要：针对目前国内日渐兴起的光热项目.如何正确选择柴油发电机组容量，将直接影响项目前期设备选型和造价，并进一步影响运行阶段电厂能否安全启停.本文依据相关国内规范，并与国外某设计院的计算方法进行了比较，为在光热项目中柴油机容量选择计算提供了更多比较。
关键词：柴油发电机组 安全停机 负荷清单 计算方法
Abstract: In view of the current domestic emerging solar thermal projects. How to selected the diesel generator capacity, it shall be impacting the equipment selection and price, further, it shall be impacting the plant start and stop. This article according to related standard and compare to calculation method of the foreign designing institute. The result shall be give a more compare for the diesel generator capacity selection.
Key words: Diesel Generator Set Safe Shutdown Load list Calculation Method
1引言
进入21世纪以来，能源和环境问题日益突出。预计未来20年，稳定、经济的太阳能光热发电技术将日趋成熟。随着国内发电设计行业逐步走向国际市场，光热电站项目的发展将不可小觑。针对目前国内外项目的要求，其光热电站由于运行方式不同于传统发电厂运行模式，机组启停比较频繁，所以，光热电站项目中设置保安柴油发电机机组必不可少。如何正确选择柴油发电机组的容量，在容量选择过程中，计算方法将直接决定最终的容量选择。本文将根据国内规程规定的计算方法，并进一步与国外设计院的方法进行比较，最终得出更接近实际的柴油机容量值。
2论文正文
为了适当降低柴油发电机组的容量，减少设备投资，在设计中就需要对柴油发电机的容量做出一个正确合理的选择，用以保证启动/停机设备的在应急模式下的安全运行。
《火力发电厂厂用电设计技术规定》DL/T5153-2014附录D对柴油机容量选择计算做出了规定。同时，根据工程实践，国外设计院也给出了相应计算方法。本文通过对两种不同的计算方法进行分析研究，给出推荐意见。
首先给出电建三公司已执行并投入运行的某光热项目的安全停机负荷清单如下：
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2.1.两种柴油发电机组容量计算方法介绍
2.1.1《火力发电厂厂用电设计技术规定》中的计算方法
柴油发电机组的负荷计算方法采用换算系数法。负荷的计算原则与厂用变压器的负荷计算相同，但应考虑保安负荷的投运规律。对于在时间上能错开运行的保安负荷不应全部计算，可以分阶段统计同时运行的保安负荷，取其大者作为计算功率。
柴油发电机的计算负荷可按下列公式计算：
Sc=K∑P Pc=Sc cosφc
Sc--------------计算负荷（kVA）；
∑P---------每个单元机组事故停机时，可能同时运行的保安负荷（包括旋转和静止的负荷）的额定功率之和（kW）；
K------------换算系数，取0.8；
Pc--------计算负荷的有功功率（kW）；
cosφc----计算负荷的功率因数，可取0.86。
由Table1可知，
Sc=K∑P=0.8x5163.78=4131.02（kVA）
Pc=Sc cosφc=4131.02x0.86=3552.68（kW）
柴油发电机的容量选择应满足以下要求：
a. 柴油发电机组的连续输出容量应大于最大计算负荷，即Se≥nSc
Se---------发电机的额定容量（kVA）；
n--------每个单元机组配置1台柴油发电机组时，n=1，两个单元机组配置1台柴油发电机组时n=2，由技术经济比较确定。
Se≥Sc=4131.02（kVA）
b. 发电机带负荷启动一台最大容量的电动机时短时，过负荷能力应满足如下要求：
Se≥[nSc+(1.25Kq-K) Pdm]/Kol
Pdm--------最大电动机的额定功率（kW）；
Kq--------最大电动机的启动电流倍数；
Kol------柴油发电机短时过负荷系数。一般情况下，发电机在热状态下，能承受150%Se，时间为15S。
为便于比较计算结果，在这里，我们首先假设柴油发电机组的数量是1台，使用环境都为标准使用条件。
将Sc=K∑P代入上式中可得
Se≥[1.25KqPdm+K(∑P-Pdm)]/1.5
Se≥（1.25 KqPdm+S1）/1.5。
式中S1为除去最大一台电动机外其他负荷之和。
假设∑P=Q Pdm，电动机启动电流倍数一般是5-7倍，取中间值6，则最终推导计算可得：
Se≥（6.7 +0.8Q）Pdm /1.5。
Se≥（6.7/Q+0.8）∑P/1.5。
当Q=1时，柴油发电机组空载启动1台最大容量电动机，Se至少应该大于5倍的最大一台电动机额定功率，Se≥5∑P；当Q=9.57时，Se=∑P；当Q=16.75时，Se=0.8∑P=Sc。
表Table中，∑P=5163.78（kW），最大电动机的额定功率Pdm=600（kW），Q=5163.78/600=8.606，故Se≥（6.7/Q+0.8）∑P/1.5=5434.11（kVA）。
c. 柴油发电机组启动电压的校验。
最大电动机启动时，为保证保安母线段上的运行电动机少受影响，以保持不低于额定电压的75%为宜(或按业主要求）。由于发电机空载启动电动机所引起的母线电压降低比有载启动更为严重，因此取发电机空载启动作为校验工况。其母线压降按下式计算：
Um=Se/(Se+1.25KqPdmX'd) ≥75%；
式中，X'd-------发电机的暂态电抗（标幺值）。
则（Se+1.25KqPdmX'd）/Se≤1.33
1.25 KqPdmX'd/ Se≤0.33
Se≥Sc=K∑P，所以当1.25 KqPdmX'd/ (K∑P)≤0.33时，必有1.25 KqPdmX'd/ Se≤0.33。
同时根据Se≥（6.7 +0.8Q）Pdm /1.5，则只需要求1.25 KqPdmX'd/[（6.7 +0.8Q）Pdm /1.5] ≤0.33即可。
变化为：1.875 KqX'd/（6.7 +0.8Q）≤0.33
X'd/（6.7 +0.8Q）≤0.0296
X'd≤0.198+0.02368Q
0.198+0.02368Q≥0.22168≥X'd(Q≥1)
这里，Q=8.606，0.198+0.02368Q=0.4017≥X'd=0.312，启动电压满足要求。
在光热电站项目里，柴油发电机组一般作为安全停机时的保安电源，因此，柴油发电机组的选择除了考虑上述三个原则之外，还应该考虑柴油发电机组的启动性能，主要是考虑发电机的加载能力。
d. 柴油发电机组1小时的输出功率应大于计算负荷的有功功率，即
Px≥aPc/（1.1ηG）
式中Px为柴油发电机组的输出功率（kW）；Pc为计算负荷的有功功率（kW），Pc=Sccosφ；a为柴油发电机组的功率配合系数，取1.10~1.15；ηG为柴油发电机组的效率，本次计算取值0.9；cosφ为计算负荷的功率因数，取0.86。则Px≥a Sccosφ/（1.1ηG）=a K∑Pcosφ/（1.1ηG）=1.15x0.8x∑Px0.86/(1.1x0.9)=0.8∑P.故
Px≥0.8∑P，Px=0.8Se≥0.8∑P，柴油发电机组的功率因数取0.8，则Se≥∑P。
这里，Px=5060kW，0.8∑P=0.8*5163.78=4131.024kW，满足要求。
e. 柴油机的首次加载能力校验；制造厂保证的柴油发电机首次加载能力不低于额定功率的50%。为此，要求柴油机的实际输出功率不小于2倍初始投入的启动有功功率。
Px≥2.5KQ∑P''eDcosφQ
式中，∑P''eD------初始投入的保安负荷额定功率之和（kW）；
KQ------启动负荷的电流倍数，宜取5；
cosφQ----启动负荷的功率因数，宜取0.4。
则Px≥2.5x5x0.4x∑P''eD=5∑P''eD
Px=0.8Se≥5∑P''eD
柴油发电机组的功率因数取0.8，则Se≥6.25∑P''eD
该项目，柴油发电机组首次加载负荷∑P''eD=832.79kW，故Se≥6.25∑P''eD=6.25x832.79=5204.9kVA
但是，如果首先启动最大一台电动机时，应修改为
Px≥2KqPdm，Px≥2x7Pdm=14Pdm。
综上所述，不难得到如下结论。
柴油机作为安全停机保安电源时；
1）柴油发电机组的容量应该满足大于需要同时供电的负荷的额定功率之和，柴油发电机组的有功功率输出应该大于需要同时供电的负荷的额定功率之和的0.8倍（机组功率因数按0.8考虑）.
2）热状态下，柴油发电机组若启动一台电动机，其容量应该满足大于该启动电动机额定功率的5倍。柴油发电机组如果启动多台电动机，其容量应该满足与最大一台启动电动机所占需要启动的所有电动机额定功率之和的比例成正比。
3）柴油发电机组的额定容量应该满足大于6.25倍的需要首次加载的额定功率之和，已保证能够实现应急保安作用。
2.1.2国外设计院关于柴油机容量的计算方法介绍
Table 1为某光热项目在电厂安全停机工况下的应急负荷清单。在该表中，详细的给出了如下设备参数：
a.RATED ACTIVE POWER (kW)，设备额定功率，也是装机功率。
b.MAXIMUM CONSUMED ACTIVE POWER，负荷最大消耗功率，也就是设计点的功率。
c.NORMAL CONSUMED ACTIVE POWER，正常运行点的负荷电耗，该值参与变压器容量选择计算及柴油发电机组的容量选择计算。
d.Motor / load Efficiency，电动机/负荷的效率。
e.VFD Efficiency，变频器回路变频器的工作效率。
f.Transformer or UPS Efficiency，变压器或UPS的效率。
g.Total Efficiency，整个配电回路的效率，该效率为电动机/负荷，变频器，变压器或UPS的综合效率。
h.Power factor，功率因数。
Table 1表格中，举例来说，Air Compressor A 100%回路，设备额定功率为252kW，最大消耗功率为252kW，设备正常运行时的有功功率为200kW，电动机效率为0.95，该回路没有单独的变频器及变压器，所以变频器及变压器的效率值取1。整个回路效率为0.95*1*1=0.95。功率因数取0.89，安全停机时，该回路负荷100%运行，停机系数取1。安全停机时，该回路有功功率值为设备正常运行有功功率除以整个回路效率再乘以安全停机系数，数值为210.53kW。视在功率为有功功率除以功率因数，数值为236.55kVA，无功功率通过有功功率及视在功率推算所得，数值为107.86kVAR。
其他回路计算方法同上所述。
最终求和所得，在安全停机工况下，设备总的有功功率消耗值为4321.71kW，无功功率为2977.21kVAR，视在功率为5278.11kVA。由国内计算方法最终确定的柴油发电机组功率值为大于5434.11kVA。两种计算方法所差数值在200kVA左右，国内计算方法偏大。
2.1.3结论
由国内外两种不同算法可以看出，国内算法最终结果明显偏大于国外计算方法，且很多计算过程数值不是根据每个负荷的实际情况来考虑，例如，计算负荷的功率因数，均取0.86，该值太过于笼统，以至于最终计算结果有偏差。所以，为了更切合实际的计算柴油机的容量，采用国外的计算方法更精确，从一定程度上减少了设备容量，也降低了工程造价。
3参考文献
［1］《火力发电厂厂用电设计技术规程》
［2］《电力工程电气设计手册-电气一次部分》
［3］《电力工程电气设计手册-电气二次部分》
【作者简介】
姓名：孙彦果 工作单位：山东电力建设第三工程有限公司 职务：设总