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        2×500 MW 燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組電氣設(shè)計分析

        2022-11-15 08:04:06梁曉曄
        能源與環(huán)境 2022年4期
        關(guān)鍵詞:廠用配電裝置接線

        梁曉曄

        (中國能源建設(shè)集團浙江省電力設(shè)計院有限公司 浙江杭州 310012)

        2020 年9 月,國家主席習(xí)近平在第75 屆聯(lián)合國大會一般性辯論中做出了 “2030 年前碳排放達(dá)到峰值,2060 年前實現(xiàn)碳中和”的莊嚴(yán)承諾[1]。這一承諾,無疑給電力行業(yè)的發(fā)展帶來了不小的挑戰(zhàn)。據(jù)統(tǒng)計,能源領(lǐng)域碳排放量約占全國總額的88%,而電力工業(yè)改革后碳排放量又占能源行業(yè)的41%[2]。達(dá)到“3060”碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo),能源電力行業(yè)是根本關(guān)鍵,能源電力生產(chǎn)低碳清潔化已成為必然趨勢。在燃煤發(fā)電受到限制、新能源裝機不足以提供可靠電量供應(yīng)的情況下,燃?xì)鈾C組具有清潔低碳且運行靈活的特點,成為了一定時期內(nèi)過渡電源的有效選擇[3]。

        劉高軍[4]對比了典型的燃煤、燃油、燃?xì)鈾C組的碳排放量,研究顯示燃?xì)鈾C組單位發(fā)電量碳排放最低,僅為燃煤機組的45%,為燃油機組的52%。除環(huán)境保護特性好的優(yōu)點外,以天然氣為能源的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組,還具有供電效率高、建設(shè)周期短、投資低、占地面積小和調(diào)峰性能好等一系列優(yōu)勢[5]。因此,燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的設(shè)計分析對能源電力行業(yè)的發(fā)展具有非常重要的意義。

        合理科學(xué)的電氣設(shè)計技術(shù)不但保障電廠的安全平穩(wěn)運轉(zhuǎn),還可以減少設(shè)備消耗,減少運營成本,從而大大提高電廠運營效益。本文以浙江某電廠擬建二期2×500 MW 燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)機組為例,對其進行電氣系統(tǒng)設(shè)計分析,為今后同類電廠的設(shè)計和建設(shè)提供參考。

        1 工程概況

        1.1 工程建設(shè)概況

        浙江某電廠一期工程2 臺400 MW 級燃機發(fā)電機組已投產(chǎn)發(fā)電。隨著浙江省電力電量供需的不斷快速增長,“十三五”中后期,浙江省開始出現(xiàn)用電短缺并逐漸加劇。工程所在區(qū)域用電需求也增長迅速,從電力平衡結(jié)果來看:峰荷時至2020 年500 kV 網(wǎng)供負(fù)荷達(dá)到865 萬kW,2025 年達(dá)到1 243 萬kW,2030 年達(dá)到1 555 萬kW;腰荷天然氣停發(fā)時,2020 年網(wǎng)供負(fù)荷達(dá)到997 萬kW,2025 年達(dá)到1 333 萬kW,2030 年達(dá)到1 605 萬kW。為此,隨著電力需求量的增加,擬在該廠新建二期工程,建設(shè)規(guī)模為2×500 MW 級的燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)機組,設(shè)計上采取“一拖一”的結(jié)構(gòu)形式,機組由2 臺500 MW 級燃?xì)廨啓C、2 臺余熱鍋爐、2 臺純凝式汽輪機、2 臺燃?xì)廨啺l(fā)電機以及輔助系統(tǒng)等構(gòu)成。

        1.2 工程擴建的意義

        (1)持續(xù)保障供電,滿足用電需求。隨著地區(qū)供電需求量的增加,本工程的建設(shè)將在一定程度上保障該區(qū)域的供電需求,同時對于就地均衡負(fù)載、增強地區(qū)供電調(diào)節(jié)工作的靈活性等,也都將發(fā)揮積極影響。

        (2)優(yōu)化電源結(jié)構(gòu),確保安全可靠供電。由于國家城鄉(xiāng)建設(shè)的規(guī)模和技術(shù)水平日益提升和我國較為嚴(yán)厲的耕地保護政策,外來電力通道路徑走廊實施越加困難。本項目在原廠區(qū)位置擴建,廠址處于省負(fù)荷中心,可避免大功率長距離傳輸,增加供電運營的經(jīng)濟性,保證各地區(qū)安全、可靠用電。

        (3)進一步提高國家能源效率,積極推行節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展政策戰(zhàn)略。由于城市燃?xì)饴?lián)合循環(huán)環(huán)境污染較小,且電廠能夠建立在城市人口相對稠密或用能資源相對集中的區(qū)域,通過就近生產(chǎn)與運輸能量,可以使發(fā)電、熱力等燃料量的損失減至最小化,因此能夠最大限度提升系統(tǒng)效率,從而達(dá)到節(jié)約減排,并合理減少地區(qū)內(nèi)單位GDP 的消耗量。

        (4)解決清潔燃料替代引起能源生產(chǎn)成本大幅增長問題的有效手段。燃?xì)怆姀S由于環(huán)保代價較少、能量效率高、操作靈活、技術(shù)經(jīng)濟安全,與從單純的燃煤鍋爐改為內(nèi)燃?xì)鉅t比較,有著非常突出的技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)越性,是一種切實可行的系統(tǒng)節(jié)電舉措。本工程二期建設(shè)項目對解決該地區(qū)供電需要、確保不間斷供電、改善電力結(jié)構(gòu)、增加電能效率、增強供電工作的經(jīng)濟性、安全可靠均將發(fā)揮重大意義。

        (5)提升浙江省電力系統(tǒng)的調(diào)峰能力。“十四五”期間,為了滿足全省的電力需求,將受入白鶴灘直流800 萬kW 電力,其在豐水期期間將一直滿送浙江電力。同時,由于未來全省尚有三澳核電、象山核電、牛山島核電等大量新能源投入工作,因此國家電網(wǎng)的調(diào)峰力量更加緊張,將受到巨大的考驗。所以,為確保浙江供電工作的安全、可靠性和經(jīng)濟效益,需要采取措施提高電網(wǎng)的調(diào)峰能力,其中建設(shè)燃?xì)庹{(diào)峰電廠是提高浙江電網(wǎng)的調(diào)峰能力的有效措施之一。

        2 電氣接入系統(tǒng)方案

        該電廠已建設(shè)2 套F 級燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)機組,裝機容量2×40 萬kW,通過4 回220 kV 線路分別接入濱海變和瀝匯變。二期擴建工程在預(yù)留擴建場地上建設(shè)2 套F 機組50 萬kW級天然氣機組。擴建后電廠總?cè)萘?80 萬kW,根據(jù)《浙江電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計技術(shù)原則》,本工程考慮采用220 kV 電壓等級接入電網(wǎng)。

        根據(jù)周邊電網(wǎng)現(xiàn)狀,本工程外送線路已達(dá)到4 回,但除電廠出口段采用4×300 mm2架空線,其余線路均為2×300 mm2線路。考慮到電廠目前已投運2 臺機組是分列運行,每臺機組通過2 回線分接入濱海變和瀝匯變;對電廠外送線路中2×300 mm2線路進行改造,將其改造為4×300 mm2線路,屆時,每2 臺機組均通過2 回線分別送入濱海變和瀝匯變。

        因此,該電站二期示范工程在預(yù)留擴建場地上建設(shè)2 套9F 機組50 萬kW 級天然氣機組,裝機規(guī)模為:額定出力2×52.5 萬kW,功率因數(shù)0.85,并考慮采用2 臺62 萬kVA 主變升壓系統(tǒng),主接線將維持雙母線雙分段接線。本期電廠220 kV不新增出線,主變進線2 回。

        3 電氣設(shè)計

        3.1 主接線方案

        (1)電氣主接線設(shè)計。電廠一期工程目前已建成2 臺400 MW 級燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)供熱機組,2 臺機組均通過發(fā)電機—變壓器的雙單元接線方式接入廠內(nèi)220 kV 配電裝置,發(fā)電機裝有出口斷路器。220 kV 配電裝置采用雙母線接線方式,設(shè)計總出線4 回,接至220 kV 的濱海變和瀝匯變,一期工程GIS(氣體絕緣金屬封閉開關(guān))配電裝置包括3 個變壓器進線間隔,4 個出線間隔,2 個母設(shè)間隔,1 個母聯(lián)間隔,共10 個間隔。220 kV GIS 配電裝置遠(yuǎn)景可改造為雙母線雙直流限流熔斷器接線,一期的GIS 配電裝置已經(jīng)預(yù)留了母線分段開關(guān)的接口及安裝位置。一期工程已設(shè)置1 臺高壓備變作為與2臺機組6 kV 廠用母線串聯(lián)的自備供電,其電源直接引接自廠內(nèi)的220 kV 供電裝置。中壓廠用配電系統(tǒng)為6 kV 一級電壓、短路電流水平為40 kA。

        按照接入系統(tǒng)方案規(guī)定,本期工程不再新建單獨的配電裝置,2 臺發(fā)電機全部接入一期220 kV 的供電裝置,同時不考慮擴建出線間隔。擴建方案為:將220 kV 配電裝置變?yōu)殡p母線雙分段接線,并在濱海線路和瀝匯線路之間的預(yù)留位置新設(shè)母線分段斷路器,2 臺燃機發(fā)電機接入擴建的2 條母線,同時增加2 條擴建母線的母線設(shè)備及母聯(lián)斷路器。220 kV 配電裝置還將擴建2 個主變壓器進線間隔、2 個母分間隔、2 個母設(shè)間隔、1 個母聯(lián)間隔,共7 個間隔。

        鑒于本工程的新建機組都是調(diào)峰發(fā)電機組,且必須經(jīng)常起停,若設(shè)置發(fā)電機斷路器則可增加廠用電的安全性和操作的靈活性;F 級燃機采用變頻啟動,在燃機廠商的典型工程設(shè)計中即推薦設(shè)有發(fā)電機出口斷路器。因此本工程設(shè)計采用了在發(fā)電機和主變壓器之間增設(shè)發(fā)電機出口斷路器(簡稱GCB)的接線形式。

        2 臺燃機均采用發(fā)電機—交流變壓器組單元的接線方法,高壓廠用變壓器直接支接于燃機發(fā)電機出口一側(cè),不設(shè)高壓備用變壓器。發(fā)電機中性點一般采用高電阻接地方式。電氣主接線圖詳見圖1。

        圖1 電氣主接線圖

        (2)主變壓器選擇。本工程機組功率因數(shù)為0.85,為了控制電廠接入后220 kV 短路電流,考慮電廠的升壓變阻抗電壓為20%??紤]三相變壓器在初始投資及后期運行維護經(jīng)濟性方面的優(yōu)勢,本工程主變壓器推薦采用三相變壓器,具體參數(shù)見表1。

        表1 三相雙圈升壓變壓器主要參數(shù)

        本期機組將接入老廠220 kV 配電裝置,220 kV 配電裝置選型與老廠相同,但選用屋外GIS 方法。主變壓器低壓側(cè)通過離相封閉母線連接,與發(fā)電機、高壓廠用變壓器高壓側(cè)相連;而高壓廠用變壓器低壓側(cè)通過共箱母線,引入主廠房高壓廠用配電裝置。

        3.2 廠用電系統(tǒng)

        (1)高壓廠用電系統(tǒng)。每套發(fā)電機組設(shè)置1 臺20 MVA 高壓廠用變壓器,用作每套發(fā)電機組6 kV 廠用配電母線的工作電源。高壓廠用變壓器則使用有載調(diào)壓的雙圈變壓器,由主變壓器低壓側(cè)支接。6 kV 廠用配電母線的備用電源從一期的高壓供電備變引接。而高壓廠用電系統(tǒng)則采取不接地方式,其原則性接線圖詳見圖2。

        圖2 高壓廠用電原則性接線圖

        (2)低壓廠用電系統(tǒng)。低壓廠用電系統(tǒng)采用動力管理中心(PC)和電動機控制中心(MCC)的配電方式,即由本發(fā)電機組6 kV 工作段的低壓廠用變壓器,進行發(fā)電機組低壓廠用負(fù)荷的供電。配置2 臺低壓廠用變壓器,2 臺低壓廠用變壓器互為備用。在發(fā)電機組正常運行時若聯(lián)絡(luò)斷路器斷開,當(dāng)其中1 臺廠用變壓器脫離工作狀態(tài)時,可手動進行切換,不考慮自動投入的方式。

        3.3 其他設(shè)計

        (1)電氣設(shè)備布置。主變壓器、高壓廠用變壓器均布置在主廠房A 列柱前。需在一期220 kV 配電裝置東面擴建間隔,2臺機組的主變壓器與220 kV GIS 之間均通過架空線連接。原網(wǎng)絡(luò)繼電器室內(nèi)備用屏位不足,220 kV GIS 擴建部分保護、測控等二次屏柜需布置在新建的網(wǎng)絡(luò)繼電器室內(nèi)。

        (2)二次接線及自動化。單元控制室采用機、爐、電的集中監(jiān)控方法。本工程將自動化電氣控制納入機組DCS,以實現(xiàn)發(fā)電機及交流配電變壓器組的起動、升壓、并網(wǎng)以及正常運行停機的順序監(jiān)控,廠用電氣控制系統(tǒng)的管理也隨之納入DCS,以進行全面CRT 監(jiān)控。控制的主要設(shè)備和元件有發(fā)—變組、高壓廠用變壓器、高壓廠用電源線、互為備用的低壓廠用變壓器等。發(fā)電機變壓器組采用零點五自動準(zhǔn)同期方式。

        220 kV 升壓站電氣設(shè)備,接入原網(wǎng)絡(luò)計算機監(jiān)控系統(tǒng)NCS 控制。需相應(yīng)的擴展智能測控單元,以實現(xiàn)其監(jiān)控功能。

        4 結(jié)論

        本文以浙江某電廠擬建二期2×500 MW 燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)機組為例,對其進行電氣系統(tǒng)設(shè)計分析。本期工程考慮采用220 kV 電壓等級接入電網(wǎng),不新增出線。220 kV 配電裝置改為雙母線雙分段接線方法,在發(fā)電機和主變壓器的中間增設(shè)了發(fā)電機出口斷路器(GCB)。主變壓器建議使用三相變壓器,采用屋外GIS 方案。每套機組設(shè)1 臺20 MVA 高壓廠用變壓器,采用有載調(diào)壓的雙圈變壓器。低壓廠用的配電控制系統(tǒng)一般采取動力管理中心(PC)和電動機控制中心(MCC)的供電方法。電氣設(shè)備布置緊湊,接入原網(wǎng)絡(luò)計算機監(jiān)控系統(tǒng)NCS控制。

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