柴治國，汪作凡

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，廣州510230）

1 引言

隨著水運港口行業(yè)的快速發(fā)展，以及高自動化用電設(shè)備的應(yīng)用，對供電可靠性的要求不斷提高，特別是針對國外項目，如非洲、東南亞等基礎(chǔ)設(shè)施相對落后的地域，社會電網(wǎng)相對匱乏，無法滿足港口碼頭設(shè)備用電需求。因此，為滿足作業(yè)設(shè)備的可靠性供電需求，越來越多的碼頭項目中需要設(shè)置柴油發(fā)電機組。

碼頭10kV進(jìn)線電源一般引自同一變電站，滿足不了系統(tǒng)雙回路電源供電的可靠性，而從不同變電站引入雙回路電源十分困難且造價高。考慮到設(shè)備成本及施工便捷性等因素，小型油碼頭、重件配套碼頭等用電設(shè)備較少的工程主要采用低壓柴油發(fā)電機組，大型工業(yè)園、自貿(mào)區(qū)以及集裝箱碼頭等項目中，用電設(shè)備較大且作業(yè)頻繁，應(yīng)考慮采用高壓柴油發(fā)電機組作為備用電源系統(tǒng)。

本文結(jié)合巴基斯坦瓜達(dá)爾自由區(qū)起步區(qū)項目的工程實踐，討論在水運港口項目中使用高壓柴油發(fā)電機組的可行性，進(jìn)而推廣高壓柴油發(fā)電機組在水運港口項目中的應(yīng)用。

2 發(fā)電機系統(tǒng)容量選擇

發(fā)電機系統(tǒng)容量是柴油發(fā)電機組供電系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)，需要考慮的因素較多，如要滿足消防負(fù)荷容量需求、滿足電機啟動時電流沖擊、滿足季節(jié)性負(fù)荷運行需求等，這些都需要進(jìn)行準(zhǔn)確的負(fù)荷計算才能確定。另外，柴油發(fā)電機組功能不同，選擇容量時參考的數(shù)據(jù)亦不相同，如柴油發(fā)電機組作為消防電源備用電源時，僅需考慮消防時消防負(fù)荷以及重要負(fù)荷即可，消防時需要切除的負(fù)荷不需要考慮；柴油發(fā)電機組作為常用電源時，則需要考慮系統(tǒng)所有用電負(fù)荷。

2.1 柴油發(fā)電機組容量選擇的原則

根據(jù)本工程實際情況，暫無外部電源作為本工程用電電源，即本工程柴油電機組系統(tǒng)是常用電源。在選擇確定柴油發(fā)電機組容量時，應(yīng)遵循以下原則：

1）柴油發(fā)電機組的容量應(yīng)根據(jù)用電負(fù)荷大小、投入順序及單臺發(fā)電機組最大啟動容量等因素綜合考慮【1】。

2）校驗發(fā)電機的短時過載能力時，應(yīng)選用發(fā)電機組最大視在功率。

3）不考慮短時不連續(xù)運行的負(fù)荷。

4）啟動時母線電壓不低于額定電壓的75%。

2.2 發(fā)電機系統(tǒng)容量計算確定

不同計算方式得出的發(fā)電機系統(tǒng)容量不同，具體如下：1）按照供電系統(tǒng)穩(wěn)定負(fù)荷計算，見式（1）：

式中，pε為總負(fù)荷，kW；ηε為所帶負(fù)荷的綜合效率，一般取0.82～0.88；cosψ為功率因數(shù)，一般取0.8。

2）按尖峰電流計算，見式（2）：

式中，Kj為電動機功率下降的系數(shù)，一般取0.9～0.95；S0為Smax投入運行前已投入運行的負(fù)荷容量，kV·A；Smax為最大單臺電動機或成組電動機的啟動容量，kV·A；Kg為發(fā)電機允許的短時過載系數(shù)，一般取1.4～1.6。

3）按母線允許壓降計算，見式（3）：

巴基斯坦瓜達(dá)爾自由區(qū)起步區(qū)項目中，輸入各項用電負(fù)荷，通過計算得：Sc1=7 932kV·A，Sc2=3 637kV·A，Sc3=4 849kV·A。故選擇的發(fā)電機組總?cè)萘浚? 932kV·A即可。

考慮到發(fā)電機組并機問題，選擇的發(fā)電機臺數(shù)越少，系統(tǒng)運行故障率越低，可靠性越高，故應(yīng)選擇單臺大容量發(fā)電機組。通過對比單臺發(fā)電機的各項參數(shù)，如發(fā)電機耗油量、機組尺寸等，同時考慮經(jīng)濟性，柴油發(fā)電機組的主用功率選擇為1 250kW/1600kV·A，數(shù)量為5用1備。

3 發(fā)電機系統(tǒng)并機設(shè)計

本工程共有6臺高壓柴油發(fā)電機，并機系統(tǒng)是此發(fā)電機系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，發(fā)電機系統(tǒng)有自同期和準(zhǔn)同期2種并列方法。準(zhǔn)同期并列法在發(fā)電機并機系統(tǒng)中被廣泛采用，其有手動、半自動及自動3種實現(xiàn)方式。在本工程中，采用的是自動準(zhǔn)同期并列法。

本工程選用全自動并機控制屏，可與選定的柴油發(fā)電機組配套使用，控制多臺發(fā)電機組實現(xiàn)全自動并機運行。自動并機控制屏具有機組自動同步并車、自動負(fù)載分配、并機自動裝卸載、逆功保護(hù)、油機各故障保護(hù)、負(fù)載過載保護(hù)等一系列功能[2]。自動并機控制屏選用智能控制器，采用西門子工業(yè)PLC編程控制。全自動并機控制屏可實現(xiàn)以下功能。

3.1 自動并機

機組啟動成功后，并機柜受電；需要并機時，由同步器檢測信號，將需要并機機組的頻率和相位自動調(diào)節(jié)與母線一致，發(fā)出信號，完成并機。

3.2 自動分配負(fù)荷

當(dāng)多臺機組并列運行，負(fù)荷分配器將作用控制器，根據(jù)機組以及用電負(fù)荷的功率平均分配每臺機組所帶負(fù)荷。

3.3 調(diào)峰

當(dāng)多臺機組并聯(lián)運行時，可根據(jù)供電系統(tǒng)負(fù)荷率的大小，增減發(fā)電機機組的臺數(shù)，并根據(jù)用戶需求自行設(shè)定單臺機組負(fù)荷率。本工程設(shè)定為：若負(fù)荷率＜35%時，機組解列；若負(fù)荷率＞80%，增加機組，以使機組運行在最經(jīng)濟的狀態(tài)。

4 發(fā)電機系統(tǒng)差動保護(hù)整定計算

本工程采用獨立的發(fā)電機系統(tǒng)作為整個工業(yè)園區(qū)的電源系統(tǒng)，發(fā)電機的安全穩(wěn)定運行至關(guān)重要，決定整個工業(yè)園區(qū)用戶用電質(zhì)量。為保證發(fā)電機系統(tǒng)運行的可靠性，同時降低發(fā)電機故障率，設(shè)置發(fā)動機差動保護(hù)。差動保護(hù)能否可靠動作取決于差動保護(hù)整定計算。如表1所示為發(fā)電機出廠參數(shù)。

表1 發(fā)電機性能參數(shù)表

根據(jù)發(fā)電機性能參數(shù)，結(jié)合本工程所在地環(huán)境以及當(dāng)?shù)仉娏ο到y(tǒng)一般運行規(guī)定，本工程發(fā)電機系統(tǒng)差動保護(hù)計算如下。

4.1 比率制動系數(shù)

比率制動系數(shù)Kz整定原則：應(yīng)按躲過三相短路時產(chǎn)生的最大不平衡電流來整定。通常，對發(fā)電機差動保護(hù)0.3≤Kz≤0.5，根據(jù)實際情況，本工程取0.42。

4.2 差動保護(hù)啟動電流

啟動電流Iq整定原則：按照躲過正常工況下最大不平衡電路來整定；差動保護(hù)裝置中通道回路的調(diào)整誤差以及兩側(cè)電流互感器的變比誤差都會產(chǎn)生保護(hù)不平衡電流。本工程取

Iq=1.1A。

靈敏度校驗：靈敏系數(shù)Ksen為按照發(fā)電機端兩相短路時，短路電流與差動保護(hù)動作電流的比值，要求Ksen≥2【3】。經(jīng)校驗，本工程Ksen=15≥2，靈敏度滿足要求。

4.3 拐點電流

差動保護(hù)開始產(chǎn)生制動作用的電流取決于拐點電流Ig的大小。本工程取Ig=1.94A，經(jīng)校驗，Ksen=9.5≥2，靈敏度滿足要求。

4.4 差動速斷保護(hù)

差動速斷保護(hù)，應(yīng)按躲過三相短路時最大不平衡差流來整定。為保證可靠，一般取差動速斷倍數(shù)為3～12，本工程取3。故速斷差動電流Is=8.3A，取8A；經(jīng)校驗，Ksen=2.1≥2，靈敏度滿足要求。

表2所示為發(fā)電機差動保護(hù)整定值計算表，現(xiàn)場柴油發(fā)電機組及高低壓開關(guān)柜安裝完成后，可根據(jù)此整定值計算表進(jìn)行校驗定值。

表2 發(fā)電機差動保護(hù)整定值計算表

5 結(jié)語

通過對11kV高壓發(fā)電機機組容量確定、設(shè)備選型、并機系統(tǒng)設(shè)計、差動保護(hù)整定計算等，完成了巴基斯坦瓜達(dá)爾自由區(qū)起步區(qū)項目中11kV高壓發(fā)電機獨立供電系統(tǒng)的設(shè)計。目前該項目已完成施工，通過現(xiàn)場試驗調(diào)試，結(jié)果表明發(fā)電機供電系統(tǒng)保證自貿(mào)區(qū)滿負(fù)荷供電，6臺發(fā)電機可以實現(xiàn)自動并機并且可以自動分配負(fù)荷，實現(xiàn)了本工程供電系統(tǒng)的預(yù)期功能。隨著高壓柴油發(fā)電機技術(shù)的不斷改進(jìn)完善，相信高壓柴油發(fā)電機組在水運港口領(lǐng)域的應(yīng)用會越來越廣泛。