卞海林

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038)

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有色金屬冶煉廠余熱電站的電氣設(shè)計(jì)

卞海林

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038)

余熱電站的電氣設(shè)計(jì)直接影響其最大效能。本文對(duì)有色金屬冶煉廠余熱電站的電氣主接線、并網(wǎng)點(diǎn)的選擇、繼電保護(hù)和自動(dòng)化裝置等進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

有色冶煉； 余熱發(fā)電； 主接線； 并網(wǎng)； 繼電保護(hù)

1 工藝概述

為了充分利用火法冶煉過程中產(chǎn)生的蒸汽，絕大部分新建的有色金屬冶煉企業(yè)都要求建余熱電站，以降低企業(yè)的綜合能耗，提高企業(yè)的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

余熱電站由汽輪發(fā)電機(jī)組及輔機(jī)，循環(huán)水冷卻系統(tǒng)等組成。有色金屬冶煉企業(yè)的余熱電站多采用凝氣式或背壓式汽輪發(fā)電機(jī)組。余熱電站的發(fā)電能力取決于冶煉工藝及其規(guī)模，如某6萬t/a鉛冶煉項(xiàng)目配置一臺(tái)余熱發(fā)電機(jī)組(1×8 825 kVA)，某30萬t/a銅冶煉項(xiàng)目配置2臺(tái)余熱發(fā)電機(jī)組(2×11 MVA)，某40萬t/a銅冶煉項(xiàng)目配置3臺(tái)余熱發(fā)電機(jī)組(2×12 875 kVA+1×3 077 kVA)。

2 發(fā)電機(jī)組成套裝置

目前，有色冶金企業(yè)采購(gòu)的余熱發(fā)電機(jī)組多為進(jìn)口成套設(shè)備。該設(shè)備主要由透平機(jī)、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、油系統(tǒng)及其儀控裝置、中壓配電裝置及其監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)等組成。廠家自帶的控制系統(tǒng)測(cè)控和保護(hù)原理如圖1所示，可以完成勵(lì)磁、同期、繼電保護(hù)、電能計(jì)量、聯(lián)鎖控制等功能。

發(fā)電機(jī)組成套裝置與外部接口的技術(shù)參數(shù)及其監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)的功能如下:

(1)出口電壓：一般與企業(yè)內(nèi)部中壓配電電壓相同，如6 kV系統(tǒng)發(fā)電機(jī)的出口電壓為6.3 kV，10 kV系統(tǒng)發(fā)電機(jī)的出口電壓為10.5 kV。

(2)頻率：與企業(yè)所在電網(wǎng)一致，國(guó)內(nèi)項(xiàng)目一般為50 Hz。

(3)中性點(diǎn)接地方式：由于國(guó)內(nèi)有色冶金企業(yè)10(6) kV系統(tǒng)的中性點(diǎn)多采用消弧線圈接地方式，因此發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)為全絕緣設(shè)計(jì)，經(jīng)過避雷器接地。

(4)勵(lì)磁：采用AVR自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)，通過監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)運(yùn)行工況的變化，能自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，維持發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓的穩(wěn)定，調(diào)節(jié)無功功率的輸出。

(5)同期控制：發(fā)電機(jī)組同期點(diǎn)設(shè)置在出口斷路器的兩側(cè)，通過自動(dòng)同期和頻率調(diào)節(jié)繼電器、同期檢查繼電器、同期選擇開關(guān)來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)同期控制。

(6)繼電保護(hù)：設(shè)置多功能發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置，具有復(fù)合電壓起動(dòng)的過電流保護(hù)、電流速斷保護(hù)、復(fù)合電壓起動(dòng)的過電流保護(hù)(反時(shí)限)、過載保護(hù)、不平衡負(fù)載保護(hù)、差動(dòng)保護(hù)、欠勵(lì)保護(hù)、逆功率保護(hù)、正向功率檢查、欠電壓保護(hù)、過電壓保護(hù)、頻率保護(hù)、過勵(lì)保護(hù)、定子接地故障保護(hù) (90%)、接地故障診斷、斷路器故障保護(hù)、相序檢查等功能。

(7)測(cè)量表計(jì)：電流表 (3相，發(fā)電機(jī))、功率因數(shù)表 (發(fā)電機(jī))、有功功率及電度、雙電壓表(發(fā)電機(jī)/系統(tǒng))、雙頻率表(47～53 Hz，發(fā)電機(jī)/系統(tǒng))、同期表、透平機(jī)轉(zhuǎn)速表、電池電壓表(0～40 V)、電池電流表(0～40 A)等等。

圖1 發(fā)電機(jī)組測(cè)控及保護(hù)原理圖

(8)聯(lián)鎖控制：自帶PLC，在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)透平機(jī)組內(nèi)軸承、齒輪的振動(dòng)和溫度，蒸汽的溫度和壓力、油壓和油溫、透平機(jī)的轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)定子溫度、軸承溫度和振動(dòng)等一系列關(guān)鍵狀態(tài)量，當(dāng)參數(shù)超過正常設(shè)定值時(shí)，發(fā)出預(yù)警或聯(lián)鎖跳閘信號(hào)，對(duì)整套機(jī)組進(jìn)行儀控保護(hù)。

(9)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(中方配套)：在余熱發(fā)電站內(nèi)設(shè)置計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，用于監(jiān)控余熱鍋爐、汽輪發(fā)電機(jī)、余熱電站循環(huán)水系統(tǒng)。

3 接入電力系統(tǒng)要求

余熱發(fā)電量需要單獨(dú)計(jì)量，并直接傳輸至電力調(diào)度中心。電氣工程設(shè)計(jì)中需要在并網(wǎng)回路設(shè)置計(jì)量專用電流互感器(0.2 s)和電壓互感器(0.2)，并設(shè)置專用電能計(jì)量表(I類)和電能采集裝置。

當(dāng)外方成套電控與電網(wǎng)要求(如頻率保護(hù)、電壓保護(hù))不相符時(shí)，宜在并網(wǎng)線路加裝發(fā)電機(jī)繼電保護(hù)裝置。

當(dāng)電氣主接線復(fù)雜時(shí)，宜設(shè)置綜合保護(hù)屏(含自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置、失步解列裝置、頻率電壓緊急控制裝置等)。

4 電氣主接線和并網(wǎng)方案

余熱電站依附于冶煉廠，并網(wǎng)于企業(yè)內(nèi)部電網(wǎng)，電能完全消耗于企業(yè)內(nèi)部。余熱電站并網(wǎng)點(diǎn)的選擇除考慮機(jī)組的出口電壓、容量、臺(tái)數(shù)，以及電力系統(tǒng)要求以外，還需要考慮企業(yè)總平面布置、用電負(fù)荷分布等諸多因數(shù)。下面以典型工程為例，對(duì)以下三種電氣主接線方式及并網(wǎng)方案進(jìn)行分析。

4.1 在中壓配電站并網(wǎng)

某6萬t/a鉛冶煉廠內(nèi)設(shè)3個(gè)10 kV配電站，6回10 kV電源引自鋅廠總降壓變電所(已建)。鉛廠蒸汽與原鋅廠蒸汽并網(wǎng)后發(fā)電，余熱電站建于鉛廠內(nèi)，余熱電站距離總降壓變電所約為800 m，余熱電站內(nèi)設(shè)置一套發(fā)電機(jī)組(1×8 825 kVA)。電氣主接線如圖2所示。

圖2 在中壓配電站并網(wǎng)

該并網(wǎng)方式主要適用于發(fā)電容量小，可并網(wǎng)至就近10 kV配電站的工程。其主要優(yōu)缺點(diǎn)如下:

(1)余熱發(fā)電電量在該中壓配電站內(nèi)就地消耗，潮流流向較為合理，能有效減少功率損失和壓降。

(2)并網(wǎng)線路距離較短，電纜投資少，更經(jīng)濟(jì)。

(3)發(fā)電機(jī)至用電負(fù)荷所在母線有4個(gè)斷路器，發(fā)電機(jī)至總降壓變電所10(6) kV母線有6個(gè)斷路器，繼電保護(hù)整定和時(shí)限配合較為困難。

4.2 在總降壓變電所并網(wǎng)

大型有色金屬冶煉企業(yè)用電負(fù)荷較大，同時(shí)為了保證供電可靠性，外部供電電源宜為35 kV及以上電壓等級(jí)輸電線路(至少2回)，企業(yè)需要建設(shè)總降壓變電所。

當(dāng)余熱發(fā)電量較大，就地消耗較為困難時(shí)，宜選擇在總降壓變電所內(nèi)并網(wǎng)。

4.2.1 余熱發(fā)電機(jī)組直接并網(wǎng)

某30萬t/a銅冶煉廠內(nèi)總降壓變電所的建設(shè)規(guī)模為2回110 kV進(jìn)線、 2臺(tái)110/10 kV，40 MVA主變。余熱電站內(nèi)設(shè)有2套11 MVA發(fā)電機(jī)組。電氣主接線如圖3所示。

圖3 在總降壓變電所直接并網(wǎng)

該并網(wǎng)方式主要適用于余熱發(fā)電容量大，余熱電站周圍用電負(fù)荷小的工程。其主要優(yōu)缺點(diǎn)如下：

(1)主接線簡(jiǎn)單，每臺(tái)機(jī)組獨(dú)立并網(wǎng)，管理和調(diào)度相對(duì)容易。

(2)發(fā)電機(jī)至總降壓變電所10(6) kV母線只有2個(gè)斷路器，繼電保護(hù)整定和時(shí)限配合較為容易。

(3)全部發(fā)電量輸送到總降壓變電所，再?gòu)目偨祲鹤冸娝峙涞街袎号潆娬?。潮流流向不合理，存在迂回，?dǎo)致電能損失和壓降較大。

(4)余熱電站一般距離總降壓變電所較遠(yuǎn)，并網(wǎng)線路較長(zhǎng)，并網(wǎng)電流大，導(dǎo)致電纜投資較大。

4.2.2 余熱發(fā)電機(jī)組間接并網(wǎng)

某40萬t/a銅冶煉廠內(nèi)總降壓變電所的建設(shè)規(guī)模為2回110 kV進(jìn)線、2臺(tái)110/10 kV，63 MVA主變。余熱電站內(nèi)安裝了3套余熱發(fā)電機(jī)組(2×12 875 kVA+3 077 kVA)，在余熱電站內(nèi)設(shè)置10 kV配電站，在該配電站內(nèi)就地消耗部分電能，剩余發(fā)電量并網(wǎng)至總降壓變電所。電氣主接線如圖4所示。

圖4 在總降壓變電所間接并網(wǎng)

該并網(wǎng)方式主要適用于余熱發(fā)電容量大，余熱電站周圍用電負(fù)荷也較大的工程。其主要優(yōu)缺點(diǎn)如下：

(1)余熱電站內(nèi)為單母線分段接線，正常情況下G1并網(wǎng)到I段，G2、G3并網(wǎng)到II段；當(dāng)某回并網(wǎng)線路故障時(shí)，所有發(fā)電機(jī)組可以通過另一條線路并網(wǎng)，即兩條并網(wǎng)線路互為備用。

(2)余熱電站內(nèi)就地消耗大部分電能，潮流流向最為合理，并網(wǎng)線路上輸送功率小、損耗也小。

(3)并網(wǎng)線路既作為受電線路又作為輸電線路，其計(jì)量以及保護(hù)配置較為復(fù)雜。

5 結(jié)束語

余熱電站電氣設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)工程，其主接線和并網(wǎng)方案應(yīng)根據(jù)工程的實(shí)際情況，從多方面進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較論證，擇優(yōu)選取。

Electrical design for exhaust heat power station of nonferrous metals smelter

BIAN Hai-lin

The electrical design directly influences the highest efficiency of exhaust heat power station.The main electrical connection,selection of grid-connection point,relay protection and automation equipments of exhaust heat power station of nonferrous metals smelter were introduced in detail in this paper.

nonferrous metals smelting; power generation with exhaust heat; main connection; grid-connection; relay protection

卞海林(1983—),男，湖北宜昌人，工程師，主要從事有色金屬冶煉的供配電設(shè)計(jì)工作。

2014-04-27

TF083.1

B

1672-6103(2015)01-0036-03