新聞主題	康明斯對柴油發(fā)電機組并機運行的研究

摘要：隨著(zhù)獨立電力系統的不斷發(fā)展，在特殊工況領(lǐng)域中多臺柴油發(fā)電機組并聯(lián)運行的供電模式受到廣泛應用。由于備用型柴油發(fā)電機組存在并機系統擴容和不同廠(chǎng)家、不同容量、不同型號并機問(wèn)題，以及供電系統中并聯(lián)操作頻繁且對可靠性及穩定性要求較高，因此研究多臺發(fā)電機組并聯(lián)運行的現實(shí)意義凸顯。

 

一、問(wèn)題的提出

    隨著(zhù)社會(huì )時(shí)代信息化、數據化的進(jìn)程，跟多的企業(yè)關(guān)注企業(yè)數據庫的建立和網(wǎng)絡(luò )信息的互聯(lián)，數據中心的建設在進(jìn)幾年的需求呈井噴狀發(fā)展，早今年的數據中心建設的規模建設相對較小，多數早期建設數據中心的后備電源系統呈現擴容需求。而數據中心大型化、集中化是目前數據中心建設的趨勢，且10kV備用發(fā)電機組的應用在各數據中心的使用日趨廣泛，并機系統終期容量相對較大，容量范圍在10000kW～30000kW之間，若建設初期投入較多的發(fā)電機組，對數據中心的初步投資成本難以控制，同時(shí)數據中心的成本回收期也相對加大，故一般建設均是前期不認投入，待需求增加后再行發(fā)電機組擴容。從上述可以看出，備用發(fā)電機組的擴容是所遇數據中心建設發(fā)展中都面臨的問(wèn)題。

    備用發(fā)電機組并機系統擴容一般采用與原有發(fā)電機組同型號、同容量的發(fā)電機組進(jìn)行擴容，對后期設備采購的成本難以實(shí)現最佳性?xún)r(jià)比，而不同廠(chǎng)家，不同型號，不同容量的發(fā)電機組擴容在理論上完全可行，但是對于具體的工程實(shí)踐操作還是在試探階段，在電信行業(yè)特別是大型數據中心的備用發(fā)電機組并機系統擴容方案中不曾采納實(shí)施過(guò)。

圖1 柴油發(fā)電機組并機系統示意圖

 

 

二、前期研究和準備

某數據中心建設中面臨了10kV備用發(fā)電機組的擴容問(wèn)題，在對設備進(jìn)行招標采購之前，對并機系統現狀及并機方案進(jìn)行了研究和對比。

1、并機系統現狀

    某數據中心一套10kV備用發(fā)電機組并機系統先接入5臺康明斯備用高壓發(fā)電機組供電系統，系統包含5臺2000kW/10kV發(fā)電機組、并機分配屏、發(fā)電機組控制屏、啟動(dòng)電池等，構成一套并機系統，并機控制屏安裝于動(dòng)力維護室系統輸出至高壓油機供電系統，系統終期容量按8臺發(fā)電機組16000kW設計。發(fā)電機組的HGM9510控制屏分三種工作模式：自動(dòng)模式、手動(dòng)模式和停止模式

2、并機方式研究

    目前部分油機廠(chǎng)家可以實(shí)現不同廠(chǎng)家、不同容量的發(fā)電機組在同一供電系統并機工作，工作方式一般有以下幾種：

（1）第三方制造并機控制柜，即將所有不同廠(chǎng)家、容量的發(fā)電機組的輸出信號接入并機柜，并機柜中的控制器采集所有發(fā)電機組的運行情況，當滿(mǎn)足并機要求時(shí)，實(shí)現多臺不同廠(chǎng)家、不同容量發(fā)電機組的并機；

（2）柴發(fā)廠(chǎng)家自帶控制器，通過(guò)追蹤已有發(fā)電機組的運行情況，當滿(mǎn)足并機要求時(shí)，將新增發(fā)電機組接入原有并機系統，實(shí)現多臺不同廠(chǎng)家、不同容量發(fā)電機組的并機。

（3）采用和現有系統相同的并機控制系統，實(shí)現不同廠(chǎng)家發(fā)電機組的并機控制。

3、并機存在的問(wèn)題

    不同廠(chǎng)家、型號容量發(fā)電機組并機最關(guān)鍵的問(wèn)題是廠(chǎng)家控制屏的互聯(lián)互通問(wèn)題。原有發(fā)電機組的關(guān)鍵圖紙資料不全，現場(chǎng)電纜的標識褪色模糊，只有對原來(lái)的控制信號逐一梳理清楚后，才能在不影響原來(lái)發(fā)電機組待機的情況下進(jìn)行升級改造。并機發(fā)電機組之間最為關(guān)鍵的負載分配信號，也只能通過(guò)現場(chǎng)測量收集。數據中心對并機系統并機成功輸出的時(shí)間要求嚴格，控制在90s內，也是不同廠(chǎng)家油機系統并機的難題。

三、并機實(shí)踐中的問(wèn)題和解決

    我們選擇和原有發(fā)電機組相同的并機控制系統，但是軟件版本不同，是相對保守和成功可靠性較高的方式。事實(shí)遠比想像復雜，在并機系統擴容建設過(guò)程中，研究的問(wèn)題往往涵蓋不了出現的問(wèn)題，于是我們的問(wèn)題和解決方法成為最寶貴的工程經(jīng)驗。

1、負載分配

    并機發(fā)電機組之間最為關(guān)鍵的負載分配信號，也只能通過(guò)現場(chǎng)測量收集，形成一條功率和控制電壓的關(guān)系曲線(xiàn)，再輸入到我們的智能控制系統進(jìn)行處理，經(jīng)過(guò)現場(chǎng)空載和帶載等各種工況的測試驗證，已經(jīng)達到無(wú)縫兼容的實(shí)際效果，并且十分穩定流暢。

 

圖2 發(fā)電機動(dòng)態(tài)穩定性分析功角特性曲線(xiàn)圖

 

2、并機控制的改造

    由于康明斯的HGM9510控制屏程序，觸摸屏源程序和包含參數地址的MODBUS通訊協(xié)議已無(wú)法獲得，只能采用串口程序現場(chǎng)調測數據，一個(gè)數據包，一個(gè)數據地進(jìn)行驗證，出現過(guò)個(gè)別數據格式不符，亂碼，數據丟包的現象，甚至還偶爾出現觸摸屏死機需要重啟復位的情況，經(jīng)過(guò)改進(jìn)和測試，系統才逐步趨向完美，達到目前的運行穩定。

3、環(huán)流及接地電阻控制邏輯

    通過(guò)對接地電阻的控制優(yōu)化以及控制系統相關(guān)無(wú)功控制參數的優(yōu)化，降低了接地環(huán)流，提供了發(fā)電機組運行和供電系統的穩定性。

    原有系統中性點(diǎn)接地電阻的控制邏輯是與輸出高壓斷路器的合閘、分閘控制信號是聯(lián)動(dòng)的，即只要發(fā)電機組一合閘，其配套的接地電阻也是同時(shí)跟隨合閘的，這樣勢必在多臺發(fā)電機組并機運行時(shí)，相應臺數的發(fā)電機組的接地電阻都是同時(shí)合閘的，通過(guò)接地電阻，所有運行發(fā)電機組的中性點(diǎn)實(shí)際上就相互導通，并聯(lián)接在一起了，容易產(chǎn)生環(huán)流導致誤報警跳閘，甚至造成發(fā)電機組故障，影響系統穩定運行，也是發(fā)電機廠(chǎng)家所明令禁止的。

     通過(guò)增加PLC可編程邏輯控制器硬件，優(yōu)化接地電阻合閘程序，高壓斷路器的合閘控制信號不再同時(shí)給接地電阻去控制其合閘，而是將所有斷路器的合閘位置反饋信號輸入PLC可編程邏輯控制器里面，經(jīng)過(guò)邏輯處理完成后，再去控制相應運行發(fā)電機組的接地電阻合閘，這樣確保不管多少臺發(fā)電機組在并聯(lián)合閘運行，系統里面始終只有一臺接地電阻是合閘的，如果合閘位置的那臺接地電阻對應的發(fā)電機組停機，則接地電阻會(huì )同時(shí)分閘，并自動(dòng)合上正在運行且合閘的發(fā)電機組對應的接地電阻，完成接地電阻的同步切換。

4、不同品牌調速器動(dòng)態(tài)響應一致

    康明斯柴油機采用的是電子調速器，擴容的10kV備用發(fā)電機組采用的是高壓共軌電噴ECM管理系統，二者由于調速系統方式不同，無(wú)法直接握手通訊，為了滿(mǎn)足數據中心項目高比例非線(xiàn)性負載頻繁大幅變化對調速系統快速響應的要求，采用了國際上應用最廣泛的現場(chǎng)總線(xiàn)-高速CANBUS控制器局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行控制器間的并機數據傳輸，并且優(yōu)化調速器本身的PID閉環(huán)控制動(dòng)態(tài)參數，達到了理想效果。

5、接地開(kāi)關(guān)與控制系統實(shí)現互鎖

    一般高壓開(kāi)關(guān)柜廠(chǎng)家都設計了比較完善的“五防”即：防止帶負荷合閘、防止帶接地線(xiàn)合閘、防止誤入帶電間隔、防止帶電掛接地線(xiàn)、防止帶負荷拉刀閘。

    以上針對出線(xiàn)柜是沒(méi)有問(wèn)題的，但是用于10kV備用發(fā)電機組供電系統接入柜時(shí)，即高壓開(kāi)關(guān)柜的接地開(kāi)關(guān)在位置上位于高壓開(kāi)關(guān)柜最下面，在電路邏輯上處于可以提供應急10kV高壓動(dòng)力電源的電源端，如果在高壓開(kāi)關(guān)柜接地開(kāi)關(guān)處于合閘狀態(tài)時(shí)，柴油發(fā)電機組啟動(dòng)回路沒(méi)有被閉鎖，發(fā)生啟動(dòng)并發(fā)電的情況，將造成發(fā)電機的動(dòng)力輸出直接通過(guò)接地開(kāi)關(guān)短接，更為嚴重的是由于在發(fā)電機和接地開(kāi)關(guān)之間沒(méi)有斷路器進(jìn)行保護，后果將不堪設想。

    通過(guò)完善控制回路，實(shí)現當接地開(kāi)關(guān)處于合閘位置即系統接地時(shí)，發(fā)電機組不能開(kāi)機運行，如果正在運行的發(fā)電機組檢測到接地開(kāi)關(guān)狀態(tài)變換到合閘，也會(huì )立即保護停機，杜絕帶接地開(kāi)關(guān)啟動(dòng)運行的可能。

6、60秒鐘內并機帶載

    由于發(fā)電機組并機系統最多支持32臺并機，并機的方式是接到啟動(dòng)信號，同時(shí)啟動(dòng)，誰(shuí)最先穩定誰(shuí)即作為首臺發(fā)電機組，立即合閘到無(wú)壓母排，后續發(fā)電機組采取同時(shí)與母排電壓即首臺合閘發(fā)電機組的電壓信號進(jìn)行跟蹤同步的方式進(jìn)行同步控制，理論上增加3臺發(fā)電機組不會(huì )增加并機所需要的時(shí)間。這個(gè)優(yōu)于并機時(shí)間疊加的傳統的排隊并機模式。

    通過(guò)現場(chǎng)調試及參數優(yōu)化，并通過(guò)反復并機測試，改造后8臺發(fā)電機組總的并機時(shí)間比原來(lái)5臺并機的時(shí)間還要短。

7、液晶屏顯示界面

    考慮到擴容3臺發(fā)電機組是先進(jìn)的高壓共軌電噴發(fā)電機組，通過(guò)柴油機機帶電腦板ECM，發(fā)電機微處理器數字式調壓器BE2000E和控制器RS485通訊所能夠提供的參數要比原來(lái)5臺發(fā)電機組的多得多，為了運行值班人員全面掌握了解實(shí)時(shí)運行參數，在觸摸屏界面增加了大量實(shí)時(shí)監控數據比如發(fā)電機三相定子繞組的實(shí)時(shí)溫度顯示，柴油機的進(jìn)氣壓力，增壓壓力和溫度，中冷器水溫和壓力等等監測數據。

    在項目實(shí)施過(guò)程中，由于前面5臺已經(jīng)作為備用電源在網(wǎng)待機，申請進(jìn)行改造及測試的時(shí)間窗口非常有限，凡是需要動(dòng)到原來(lái)5臺發(fā)電機組控制屏的時(shí)候都面臨不少風(fēng)險，因此系統性的策劃和事無(wú)巨細的實(shí)施方案編制顯得尤為重要，為了保障實(shí)施的安全性，方案實(shí)施前準備了極為細致的書(shū)面方案，并采用實(shí)物或者現場(chǎng)演示等方式向相關(guān)各方進(jìn)行演示說(shuō)明。詳細說(shuō)明各時(shí)間節點(diǎn)需要哪些相關(guān)方面配合到場(chǎng)，順利與失敗的各種應對措施，比如怎么恢復出廠(chǎng)設置，恢復未改造前的初始狀態(tài)，需要準備什么預案來(lái)保障數據中心的供電保障等等。

 

圖3 柴油發(fā)電機組控制器硬件系統框圖

 

8、遺留百葉窗

    原來(lái)百葉窗控制是分手動(dòng)及自動(dòng)二種模式，在自動(dòng)模式下，百葉窗的開(kāi)窗和關(guān)窗受控制屏的干觸點(diǎn)自動(dòng)控制，完全無(wú)須人工干預，在手動(dòng)模式下，百葉窗的開(kāi)窗和關(guān)窗都是通過(guò)百葉窗控制箱上面的開(kāi)窗和關(guān)窗選擇開(kāi)關(guān)實(shí)現的，同時(shí)百葉窗與發(fā)電機組間存在聯(lián)鎖功能，不管處于自動(dòng)或者手動(dòng)模式，當百葉窗出現故障，未能在開(kāi)機前開(kāi)窗和運行過(guò)程中突然關(guān)窗，發(fā)電機組均會(huì )自動(dòng)聯(lián)鎖停機，以防止發(fā)電機組悶死或者機房出現負壓破壞降噪箱的情況出現。

    在觸摸屏上通過(guò)RS485和MODBUS通訊實(shí)現開(kāi)機時(shí)，由于控制百葉窗開(kāi)窗的繼電器是受開(kāi)關(guān)柜來(lái)的干接點(diǎn)硬接線(xiàn)的啟動(dòng)信號控制的，該外部啟動(dòng)信號沒(méi)有的話(huà)，則百葉窗開(kāi)窗控制繼電器不會(huì )得電動(dòng)作，因此百葉窗也不會(huì )自動(dòng)開(kāi)窗，需要值班人員在操作觸摸屏之前去機房將百葉窗控制模式轉換到手動(dòng)模式，并通過(guò)百葉窗控制箱上的手動(dòng)開(kāi)窗按鈕進(jìn)行手動(dòng)開(kāi)窗，要徹底解決此問(wèn)題，需要所有發(fā)電機組的控制屏與百葉窗相關(guān)的線(xiàn)路重新接線(xiàn)并敷設新控制電纜，連接發(fā)電機組控制箱和百葉窗控制箱。這也是下一步要進(jìn)行的工作。

 

總結：

    從系統運行可行性的前期研究和設備安裝后的現場(chǎng)問(wèn)題分析，可見(jiàn)不同廠(chǎng)家、不同型號、不同容量的備用發(fā)電機組并機擴容已經(jīng)不是一個(gè)難題，是完全可以在工程實(shí)踐中應用的，當然不同案例出線(xiàn)的問(wèn)題不盡相同，在工程中盡量收集可能收集的數據，做好各種應急備案才是每個(gè)新工程、新實(shí)踐能夠成功的依據。

 

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