蘇 亮

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司, 北京 100038)

設(shè)備及自動(dòng)化

大型銅聯(lián)合冶煉企業(yè)電源比較及供電方案優(yōu)化

蘇 亮

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司, 北京 100038)

大型銅聯(lián)合冶煉企業(yè)生產(chǎn)工藝復(fù)雜、工程規(guī)模龐大，用電量需求大。本文介紹了冶金企業(yè)電源及供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)要點(diǎn)，結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)大型銅聯(lián)合冶煉企業(yè)的電源方案選擇及供電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行比較和探討。

供電方案；供電系統(tǒng)：電源方案；銅冶煉

0 引言

大型銅聯(lián)合冶煉企業(yè)要求按照工藝先進(jìn)、技術(shù)成熟、節(jié)能、安全、環(huán)保、自動(dòng)化水平高、節(jié)省投資和降低生產(chǎn)運(yùn)行成本的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，而這類企業(yè)生產(chǎn)工藝復(fù)雜、工程規(guī)模龐大，用電量需求大，對(duì)電源和供電系統(tǒng)提出了更高要求。

公司在某大型銅聯(lián)合冶煉企業(yè)的設(shè)計(jì)中，根據(jù)地區(qū)電網(wǎng)現(xiàn)狀，合理選取電源方案，并完成供電系統(tǒng)規(guī)劃優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 項(xiàng)目基本情況

1.1 負(fù)荷情況及估算

某大型銅聯(lián)合冶煉企業(yè)的主要生產(chǎn)流程為火法冶煉、濕法冶煉、渣選礦及貴金屬精煉，輔助生產(chǎn)流程包含煙氣制酸、氧氣制備、余熱發(fā)電等。除濕法冶煉部分分兩期建設(shè)外，其他廠房均本期建成。經(jīng)估算，項(xiàng)目負(fù)荷情況見(jiàn)表1。

表1 負(fù)荷匯總表(不計(jì)余熱發(fā)電)

其中，最大同步電動(dòng)機(jī)為氧氣站空氣透平壓縮機(jī)21.5 MW，最大異步電動(dòng)機(jī)為制酸工程二氧化硫風(fēng)機(jī)8.7 MW。另外，為充分利用生產(chǎn)廢氣的余熱，設(shè)置了1臺(tái)16.5 MW的蒸汽汽輪發(fā)電機(jī)組。

1.2 用電負(fù)荷性質(zhì)和供電要求

根據(jù)工藝要求，并參照國(guó)標(biāo)GB500052[1]和GB50673[2]，企業(yè)內(nèi)一、二級(jí)負(fù)荷占總負(fù)荷比重約為5%、85%。工程總體用電負(fù)荷性質(zhì)為二級(jí)負(fù)荷，宜由兩個(gè)電源或兩回線路供電，且單回路應(yīng)滿足全部負(fù)荷需要，可以從一個(gè)具有雙電源的地區(qū)電網(wǎng)變電站兩段母線上取得電源。

2 電源方案選擇

在選擇電源方案時(shí)，從地區(qū)電網(wǎng)現(xiàn)狀與規(guī)劃，線路輸送能力、電壓損失、電費(fèi)、線損及設(shè)備投資等方面進(jìn)行考慮。在滿足線路輸送能力、電壓降的基礎(chǔ)上，進(jìn)行電費(fèi)、線損及設(shè)備投資的經(jīng)濟(jì)比較，得出優(yōu)選方案。

2.1 地區(qū)電網(wǎng)現(xiàn)狀及規(guī)劃

該工程位于某市工業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)，基礎(chǔ)設(shè)施較為完善。地區(qū)可以提供的電源點(diǎn)為當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的220 kV A變電站和220 kV B變電站，均以220 kV鏈?zhǔn)诫p回路接入電網(wǎng)。

其中，A變電站位于項(xiàng)目所在地以北約5 km處，可以提供220 kV出線。B變電站距離較近，位于項(xiàng)目所在地以北約0.5 km處，只能提供110 kV出線。

2.2 電源方案

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)考察，并結(jié)合供電部門和業(yè)主意見(jiàn)，該工程有以下兩種電源方案：

方案一：A變電站提供2回路220 kV電源，送電線路長(zhǎng)度5 km；

方案二：B變電站提供2回路110 kV電源，送電線路長(zhǎng)度0.5 km。

2.3 方案比較

以下從線路輸送能力、電壓損失、電費(fèi)、線損及設(shè)備投資，共五方面對(duì)兩種電源方案進(jìn)行比較[3-4]。

(1)線路輸送能力。由地區(qū)電網(wǎng)變電站提供的2回路電源，要求正常運(yùn)行時(shí)各帶一半負(fù)荷，故障時(shí)任一回路電源可滿足全部負(fù)荷要求。由于本工程終期負(fù)荷約101 MVA，為滿足經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和單回路帶全負(fù)荷要求，根據(jù)兩種方案線路輸送能力比較結(jié)果(見(jiàn)表2)，方案一選擇2回LGJQ- 240架空線路，方案二選擇2回LGJQ- 300的架空線路。

表2 線路輸送能力比較表

注：環(huán)境溫度按夏季室外40 ℃考慮，溫度系數(shù)取0.81。

(2)電壓降。由最大負(fù)荷電壓降計(jì)算結(jié)果(表3)可知，方案一和方案二的送電線路的電壓降小于5%，均能滿足要求。

表3 最大負(fù)荷電壓損失計(jì)算表

(3)電費(fèi)。根據(jù)當(dāng)?shù)仉妰r(jià)文件：220 kV電度電價(jià)為0.591 2元/kWh，110 kV電度電價(jià)為0.599 2元/kWh?；救萘抠M(fèi)為20元/kVA·月。由于方案一和方案二的主變壓器容量一致，基本容量費(fèi)相同，因此不在比較范圍之內(nèi)。

表4為不同電壓等級(jí)下，相同用電規(guī)模情況的對(duì)比，比較可知，方案一電費(fèi)支出較少。

表4 電費(fèi)對(duì)比計(jì)算表

(4)線損。表5為全年工作時(shí)間為8 760 h時(shí)，線損計(jì)算對(duì)比。

由表5可知，方案一線損較大。

表5 線損對(duì)比計(jì)算表

(5)設(shè)備投資。方案一、二的高壓設(shè)備均為一期一次建成，相應(yīng)規(guī)模、價(jià)格粗略對(duì)比如表6。

表6 投資對(duì)比計(jì)算表

由表6可知，方案二的設(shè)備投資費(fèi)用較省。

2.4 投資回收期

綜合上述各方面情況，方案一相比方案二，投資約增加2 085萬(wàn)元，但終期建成后，扣除線損，每年少支出電費(fèi)約509萬(wàn)元。設(shè)備運(yùn)行壽命按20 a，殘值按總價(jià)的5%計(jì)算，年折舊費(fèi)率約為0.95/20=4.75%，按照追加投資回收期計(jì)算方法，則靜態(tài)追加投資回收期為：n=2 085/(509-2 085×4.75%)=5.1 a。即方案一大約需要5.1 a可收回相對(duì)方案二所增加的投資，小于有色金屬行業(yè)通常要求的投資回收期為7 a的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[5]。

2.5 方案確定

通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較認(rèn)為：方案一建設(shè)投資較大，線損較大，但總電費(fèi)較少，運(yùn)行更為經(jīng)濟(jì)；而方案二前期投資相對(duì)節(jié)省，線損較小、但總電費(fèi)較多，建議業(yè)主選擇方案一。最終電源方案由業(yè)主綜合地區(qū)電網(wǎng)情況和企業(yè)預(yù)期投資額進(jìn)行確定。

3 供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.1 供電系統(tǒng)

適應(yīng)電源進(jìn)線方向和靠近大負(fù)荷，建設(shè)一座220 kV總降壓變電站。根據(jù)總圖布置及用電負(fù)荷分布，在各工藝分區(qū)負(fù)荷中心處建設(shè)10 kV配電站。

總降壓變電站主變壓器低壓側(cè)為10 kV系統(tǒng)，10 kV系統(tǒng)為單母線分段接線。各分區(qū)設(shè)10 kV配電站，接入總降壓變電站的10 kV系統(tǒng)。

3.2 短路電流計(jì)算與限制

當(dāng)供電系統(tǒng)中發(fā)生短路時(shí)，過(guò)大的短路電流會(huì)使電氣設(shè)備和導(dǎo)體過(guò)熱或受電動(dòng)力作用而遭到損壞，同時(shí)使系統(tǒng)內(nèi)的電壓大大降低，破壞系統(tǒng)內(nèi)用電設(shè)備的正常工作。因此，需要進(jìn)行短路計(jì)算，并校驗(yàn)電氣設(shè)備與導(dǎo)體的動(dòng)穩(wěn)定、熱穩(wěn)定，最后以此為依據(jù)完善和優(yōu)化供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

根據(jù)本工程電源和負(fù)荷情況，常規(guī)的工業(yè)供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)為在總降設(shè)置2臺(tái)220/10 kV雙繞組主變壓器，220 kV和10 kV系統(tǒng)接線方式均為單母線分段接線。各工藝區(qū)的10 kV配電站的2回電源取自總降10 kV系統(tǒng)的2段母線，每回電源均滿足單回路帶全部負(fù)荷的要求。主接線示意和短路計(jì)算等值阻抗圖見(jiàn)圖1、圖2，短路計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7。其中，根據(jù)當(dāng)?shù)毓╇姽咎峁┑南到y(tǒng)參數(shù)，系統(tǒng)短路容量約為5 000 MVA；短路基準(zhǔn)容量按100 MVA計(jì)算，母線正常運(yùn)行時(shí)分段運(yùn)行，后同。

注：空壓機(jī)房，硫酸區(qū)及選礦區(qū)三個(gè)10kV配電站至總降壓變電所距離相同。

圖2 短路計(jì)算等值阻抗圖(1)

表7 短路電流計(jì)算結(jié)果表(1)

由于本工程設(shè)有余熱發(fā)電機(jī)組和大型同步電動(dòng)機(jī)，短路時(shí)均會(huì)對(duì)系統(tǒng)注入短路電流，其與電網(wǎng)系統(tǒng)側(cè)提供的短路電流疊加后，對(duì)廠內(nèi)10 kV系統(tǒng)沖擊較大。

經(jīng)短路電流計(jì)算，并進(jìn)行動(dòng)、熱穩(wěn)定校驗(yàn)，電氣設(shè)備和電纜的抗短路能力均需提高，如：所有10 kV斷路器分?jǐn)嗄芰恍∮?0 kA，所有10 kV出線電纜截面均不小于150 mm2，電氣設(shè)備和導(dǎo)體造價(jià)會(huì)相應(yīng)大幅增加，并且電氣運(yùn)行安全性降低，因而應(yīng)限制短路電流。

目前常用的限制短路電流措施為：變壓器分列運(yùn)行；采用高阻抗或小容量變壓器；裝設(shè)限流電抗器[3]。

在本供電系統(tǒng)內(nèi)的2臺(tái)主變壓器，正常時(shí)運(yùn)行方式已為分列運(yùn)行；而由于企業(yè)用電負(fù)荷已確定，主變壓器容量無(wú)法減小。在主變低壓側(cè)出口設(shè)置限流電抗器和增大主變的短路阻抗的效果相同，因此，在圖1所示供電系統(tǒng)下，按主變的短路阻抗為20%進(jìn)行短路計(jì)算，短路計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 短路電流計(jì)算結(jié)果表(2)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，大幅增大主變壓器短路阻抗后，系統(tǒng)內(nèi)短路電流水平有所下降，但是并沒(méi)有降至合理范圍內(nèi)，同時(shí)還增大了主變壓器運(yùn)行損耗。

由于空壓機(jī)和余熱發(fā)電機(jī)組直接接入10 kV系統(tǒng)，相當(dāng)于在系統(tǒng)內(nèi)增加了2處短路電源。僅僅在主變壓器入口處裝設(shè)限流電抗器和提高主變壓器短路阻抗，將無(wú)法限制系統(tǒng)內(nèi)部提供的短路電流。如需降低系統(tǒng)內(nèi)短路電流水平，需要在總降10 kV系統(tǒng)的每回出線處均設(shè)置限流電抗器。但采取該措施會(huì)增大系統(tǒng)損耗，擴(kuò)大總降壓變電所建筑規(guī)模，使運(yùn)行維護(hù)更加復(fù)雜。

為優(yōu)化供電系統(tǒng)，合理限制系統(tǒng)內(nèi)短路電流，并就地消納余熱發(fā)電量，采取以下限流方案：主變壓器短路阻抗增至14%，余熱發(fā)電機(jī)直接接入總降10 kV系統(tǒng)，而氧氣站空壓機(jī)使用變壓器- 電動(dòng)機(jī)組直接接入總降高壓系統(tǒng)。主接線示意和短路計(jì)算等值阻抗圖見(jiàn)圖3、圖4，短路計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表9。

圖3 主接線示意圖(2)

圖4 短路計(jì)算等值阻抗圖(2)

表9 短路電流計(jì)算結(jié)果表(3)

經(jīng)短路電流計(jì)算，供電系統(tǒng)內(nèi)的短路電流均能限制在31 kA以下。采取本方案，需要增加部分高壓設(shè)備投資，包括GIS出線間隔和空壓機(jī)專用變壓器；但是系統(tǒng)短路電流較小，供電系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)明清晰，供電系統(tǒng)內(nèi)電氣設(shè)備和導(dǎo)體造價(jià)較低，對(duì)運(yùn)行維護(hù)更為有利。

因此，最終供電系統(tǒng)方案為：總降壓變電所設(shè)置3臺(tái)主變壓器，其中1臺(tái)主變?yōu)檠鯕庹究諌簷C(jī)專用變壓器，另外2臺(tái)為工程其他負(fù)荷供電。

3.3 主變壓器選擇

根據(jù)國(guó)標(biāo)規(guī)范[6]強(qiáng)制性條文3.1.3和行標(biāo)規(guī)程[7]條文7.2.1，裝有兩臺(tái)及以上主變壓器的變電站，當(dāng)斷開(kāi)一臺(tái)主變壓器時(shí)，其余主變壓器的容量(包括過(guò)負(fù)荷能力)應(yīng)滿足全部一、二級(jí)負(fù)荷用電要求。

由于廠區(qū)內(nèi)約90%負(fù)荷均為一級(jí)或二級(jí)負(fù)荷，而當(dāng)僅考慮本期負(fù)荷時(shí)，除去氧氣站空壓機(jī)外的總負(fù)荷約為69 MVA，使用2臺(tái)63 MVA主變壓器，可以滿足規(guī)范要求。而考慮二期擴(kuò)建濕法冶煉工程后，除去氧氣站空壓機(jī)外的總負(fù)荷約為85 MVA，如仍使用2臺(tái)63 MVA主變，當(dāng)其中1臺(tái)斷開(kāi)后，另1臺(tái)主變壓器需在過(guò)負(fù)荷135%情況下運(yùn)行。

如果嚴(yán)格按照規(guī)范選擇主變壓器，需要選擇2臺(tái)75 MVA主變壓器，由于本次一次上齊，每年因此會(huì)增加電費(fèi)中基本容量費(fèi)部分。按基本容量費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)20元/kVA月計(jì)算，年電費(fèi)增加額約為(75-63)×2×12×20×1 000=5 760 000元，即576萬(wàn)元。

設(shè)計(jì)考慮到以下因素：首先，二期濕法冶煉工藝建設(shè)時(shí)間未確定，如本期直接選擇較大容量的主變壓器，備用容量較多，造成每年的基本容量費(fèi)繳納過(guò)多。其次，在實(shí)際運(yùn)行中，濕法冶煉工藝可以在不中斷生產(chǎn)的前提下，臨時(shí)調(diào)低整流裝置的功率輸出；渣選礦工藝為非連續(xù)生產(chǎn)流程，可以在主變壓器超載運(yùn)行時(shí)停止生產(chǎn)。因此，可以在適當(dāng)調(diào)配生產(chǎn)負(fù)荷的情況下，滿足1臺(tái)主變壓器帶全部一級(jí)和二級(jí)負(fù)荷要求。在征得工藝專業(yè)意見(jiàn)，并與業(yè)主協(xié)商后，業(yè)主同意按本方案設(shè)計(jì)。

因此，在主變壓器的容量選擇中，可以根據(jù)工藝運(yùn)行特點(diǎn)，通過(guò)合理調(diào)節(jié)負(fù)荷，適當(dāng)減少主變壓器備用容量，從而節(jié)省設(shè)備投資和節(jié)約電費(fèi)中的基本容量費(fèi)部分。主變壓器的方案為：設(shè)置3臺(tái)主變壓器2×63 MVA+31.5 MVA。

4 小結(jié)

為滿足大型銅聯(lián)合冶煉企業(yè)的用電需求，企業(yè)的電源接入和供電系統(tǒng)應(yīng)按安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的要求確定方案。在滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的同時(shí)，應(yīng)結(jié)合企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模、企業(yè)本身的承受能力以及增加投入對(duì)企業(yè)和社會(huì)產(chǎn)生的實(shí)際效益，經(jīng)過(guò)經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，合理確定電源方案，優(yōu)化供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從而節(jié)約企業(yè)投資和運(yùn)行成本。

[1]GB50052—2009，供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]GB50673—2011，有色金屬冶煉廠電力設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]水利電力西北電力設(shè)計(jì)院. 電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊(cè)(電氣一次部分)[M]. 北京: 中國(guó)電力出版社, 1989:119-227, 933-934.

[4]《鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計(jì)手冊(cè)》編委會(huì). 鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計(jì)手冊(cè)(上冊(cè))[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 1996: 539-570.

[5]師利熙等. 有色金屬工業(yè)項(xiàng)目技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)[M].北京: 冶金工業(yè)出版社, 1998: 296-298.

[6]GB50059—2011.35～110 kV變電所設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[7]DL/T5218—2005.220～500 kV變電所設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程[Z].

Powercomparisonoflarge-scalecopperunitedsmeltingenterprisesanditsoptimizationofpowersupplyplan

SU Liang

In large-scale copper united smelting enterprises, the production process is complex, the project scale is large, and the electricity consumption is high. The related points of designs on power and power supply systems of metallurgical industry were introduced. And based on the practical project, the power schemes selection and power supply system optimization design of large copper united smelting enterprises were compared and discussed.

power supply system; power supply scheme; power schemes; copper smelting

蘇 亮(1983—)，男，湖北荊門人，工程師，從事電氣設(shè)計(jì)工作。

TF083.1; TF811

B