張 娟

(中冶京誠工程技術(shù)有限公司, 北京 100176)

隨著經(jīng)濟的迅猛發(fā)展,能源問題日益突出,為了貫徹綠色低碳發(fā)展理念,不斷發(fā)展能源的綜合利用,實現(xiàn)能源的可持續(xù)利用,各地加快能源站建設(shè)。 能源站作為多種能源綜合利用的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施,其工藝流程復(fù)雜、用電設(shè)備選擇多樣,配套的電氣設(shè)計方案較為靈活,電氣設(shè)計方案中大容量的能源站對于10 kV 配電的設(shè)計難度較大。 本文結(jié)合我國北方某能源站供冷供熱工程的工藝要求等,對相關(guān)電氣設(shè)計方案進行了闡述,重點分析了電氣工程設(shè)計中涉及到的電源方案確定、電氣主接線設(shè)計、電氣用房的布置、高壓電機啟動方式及高壓無功補償方案,供同行借鑒。

1 能源站電氣設(shè)計要點分析

某新區(qū)能源站供冷供熱工程主要采用水源熱泵機組實現(xiàn)熱能的供應(yīng),在此基礎(chǔ)上,采用深層地源熱泵系統(tǒng)提取地下水熱能用于供熱,采用太陽能供熱采暖系統(tǒng),采用空氣源熱泵供冷供熱系統(tǒng),同時采用2 臺燃?xì)庹{(diào)峰鍋爐來保障本地區(qū)的供熱效果,項目投入使用后可解決該水處理項目300×104m2建筑的供熱問題。 該能源站是多種能源綜合利用的能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng),涉及工藝流程多,用電負(fù)荷大,配套電氣方案較復(fù)雜。

1.1 供電電源選擇

該能源站主要用電設(shè)備有8 臺1 300 kW 的10 kV 水源熱泵機組電機、4 臺355 kW 的10 kV 熱水循環(huán)泵(其中2 臺變頻運行)、其他380 V 的水泵類等、相關(guān)弱電系統(tǒng)、照明系統(tǒng),主要用電負(fù)荷見表1。該工程作為供冷供熱的重要工程,根據(jù)工藝需求其用電負(fù)荷等級確定為二級負(fù)荷。 經(jīng)負(fù)荷計算和負(fù)荷分析,該工程主要及重要的用電負(fù)荷為其中的12 臺10 kV 用電設(shè)備。 經(jīng)過論證,采用10 kV 電壓等級作為供電電源等級,周邊電網(wǎng)可提供四路可用的10 kV 電源,滿足該工程用電容量和二級負(fù)荷的供電要求。

表1 主要用電負(fù)荷統(tǒng)計Tab.1 Main electricity load statistics

供電電源確定后,為保證電氣供配電設(shè)備運行的可靠性,并考慮整個能源廠站的管理運維,確定電氣用房作為單獨功能區(qū)域,采用雙層建筑設(shè)計。 此電氣樓內(nèi)將容納供配電及相關(guān)弱電監(jiān)控設(shè)施,滿足整個能源站的供電接入及運行需要,同時滿足生產(chǎn)自控系統(tǒng)等的運行維護要求。 因此,最終結(jié)合工藝需要、電氣設(shè)計需求及業(yè)主管理運維需求,確定該能源站主要建筑物為熱泵廠房、鍋爐房、電氣用房、辦公用房四個功能區(qū)域,其中熱泵廠房和鍋爐房為單層鋼結(jié)構(gòu)廠房,電氣用房為兩層建筑,辦公樓為三層建筑(含消防控制室、辦公室、廚房、餐廳等)。

1.2 電氣主接線設(shè)計

在四路10 kV 供電電源可用情況下,該能源站電氣主接線設(shè)計考慮設(shè)置Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ共4 段10 kV 母線。 Ⅰ、Ⅱ段10 kV 母線采用單母線分段方式,設(shè)置母聯(lián)開關(guān),10 kV 進線斷路器與10 kV 的母聯(lián)斷路器之間設(shè)置軟件合閘閉鎖,只有當(dāng)母聯(lián)斷路器處在斷開狀態(tài)時,才允許兩個斷路器合閘;同樣,在兩路進線斷路器同時處于合閘狀態(tài)時,母聯(lián)斷路器不允許合閘。 Ⅰ、Ⅱ段10 kV 母線同時運行,母聯(lián)正常運行時斷開。 Ⅲ、Ⅳ段10 kV 母線采用單母線分段方式,設(shè)置母聯(lián)開關(guān),10 kV 進線斷路器與10 kV 的母聯(lián)斷路器之間設(shè)置軟件合閘閉鎖,只有當(dāng)母聯(lián)斷路器處在斷開狀態(tài)時,才允許兩個斷路器合閘;同樣,在兩路進線斷路器同時處于合閘狀態(tài)時,母聯(lián)斷路器不允許合閘。 Ⅲ、Ⅳ段10 kV 母線同時運行,母聯(lián)正常運行時斷開。

根據(jù)能源站低壓用電負(fù)荷分布的特點,該工程低壓用電負(fù)荷較大,配置2 臺1 600 kVA 變壓器。為了使兩臺變壓器能夠互為備用電源供電,設(shè)計低壓側(cè)采用單母線分段帶母聯(lián)接線方式,共設(shè)0.4 kV母線2 段,兩段母線同時工作,正常運行時母聯(lián)斷開。 2 臺變壓器分別接入Ⅱ、Ⅳ段10 kV 母線,電氣連接見圖1。

圖1 電氣主接線圖Fig.1 Electrical main wiring diagram

該能源站供配電系統(tǒng)采用這種主接線方式使得10 kV 側(cè)電源可兩兩互為備用,增加系統(tǒng)的可靠性。 若四路電源均采用單母線接線方式,四路電源均為單獨運行,會降低系統(tǒng)運行的可靠性。 在低壓側(cè)采用單母線分段運行方式,可使得低壓側(cè)母線可兩兩互為備用,同樣提高系統(tǒng)運行的可靠性。

1.3 站用電系統(tǒng)設(shè)計

在變電站的電氣設(shè)計中,站用電系統(tǒng)設(shè)計是一個很重要的部分。 站用電設(shè)計必須執(zhí)行國家的技術(shù)經(jīng)濟政策,積極慎重地采用經(jīng)過運行考驗和通過技術(shù)鑒定的新技術(shù)、新設(shè)備,使設(shè)計符合安全可靠、技術(shù)先進、經(jīng)濟適用的原則。

該能源站的站用電系統(tǒng)中高壓用電電壓采用10 kV 電壓,低壓用電電壓采用380/220 V,低壓二次控制回路電壓采用AC220 V,高壓柜合閘和操作電壓采用DC110 V。 高壓站用電接線采用單母線分段,低壓站用電接線采用低壓開關(guān)柜供電方式,原則上所有低壓用電負(fù)荷都由低壓開關(guān)柜供電。 采用單母線分段,中間設(shè)置母聯(lián)開關(guān),互為備用電源供電。站用電系統(tǒng)中性點接地方式為10 kV 系統(tǒng)中性點接地方式為中性點不接地,低壓0.4 kV 站用電系統(tǒng)中性點采用直接接地方式(TN-S 系統(tǒng))[1]。

1.4 電氣用房布置分析

電氣用房布置關(guān)系到整個電氣方案的合理性,關(guān)系到施工階段以及整個能源廠站后期運維階段的便利性。

該能源站的電氣設(shè)備布置按照技術(shù)可靠、經(jīng)濟合理、運行維護方便的原則設(shè)計。 根據(jù)實際情況,能源站供電電源從廠站南側(cè)引入,采用電纜排管方式接入。 電氣用房布置設(shè)計時,結(jié)合了10 kV 進線電源接入位置及接入方式,結(jié)合廠區(qū)總圖布置,設(shè)計10 kV 配電室位于整個能源站建筑的南側(cè),并且位于電氣樓的一層。 在10 kV 配電室間隔樓道的對側(cè)設(shè)置10 kV 變頻器室,并使得10 kV 變頻器室毗鄰10 kV 熱泵機組及熱水循環(huán)泵所在的廠房,方便10 kV 變頻柜組進線和出線。 考慮10 kV 高壓補償進出線方便,將10 kV 高壓補償室布置于10 kV 配電室的正上方,即電氣樓二層,方便高壓補償柜組接入10 kV 配電系統(tǒng)。 將變配電室及弱電機房、PLC 室及監(jiān)控中心置于電氣樓二層。 從辦公樓側(cè)樓道可連通進入監(jiān)控中心,方便管理人員運行維護及值班倒班。 消防系統(tǒng)布置于辦公樓一層門廳北側(cè)的消防控制室,其他弱電設(shè)備布置于機房,計算機監(jiān)控設(shè)備布置于機房及監(jiān)控中心。

1.5 高壓電機啟動方式選擇

因能源站的電網(wǎng)供電電壓等級與主要用電負(fù)荷的供電電壓等級均為10 kV,需要特別注意高壓電機啟動方式的選擇,防止電機啟動對電網(wǎng)的沖擊影響。

普通鼠籠式電動機在空載全壓直接啟動時,啟動電流會達(dá)到額定電流的4 ～7 倍。 當(dāng)電動機容量相對較大時,該啟動電流將引起電網(wǎng)電壓急劇下降,電壓頻率也會發(fā)生變化,這會破壞同電網(wǎng)其它設(shè)備的正常運行,甚至?xí)痣娋W(wǎng)失去穩(wěn)定,造成更大的事故。 另外,電動機全壓啟動時的大電流在轉(zhuǎn)子鼠籠條和定子線圈上產(chǎn)生很大的沖擊力,會造成鼠籠條斷裂和破壞繞組絕緣,引起電機故障,大電流還會產(chǎn)生大量的焦耳熱,損傷繞組絕緣,減少電機壽命。

經(jīng)過詳細(xì)計算并與供電部門溝通確定,能源站10 kV 熱水循環(huán)泵的啟動電流較小,可采用直接啟動的方式進行啟動,而離心式熱泵機組電機啟動電流較大,對電網(wǎng)沖擊大,不能采用直接啟動方式,初步考慮可采用高壓軟啟動器啟動或者采用高壓變頻器變頻啟動,啟動后均切到旁路以實現(xiàn)正常運行。

軟啟動本質(zhì)上就是降壓啟動,通過軟啟動器,在啟動過程中將電機端電壓從0 V 連續(xù)平滑升高至10 kV 正常運行電壓,同降壓啟動一樣,這種啟動方式的缺點是起動力矩小,并且有一定的沖擊電流[2]。 變頻啟動則是通過變頻器,在啟動過程中同時改變電壓和頻率,在不降低啟動轉(zhuǎn)矩的情況下,連續(xù)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。 變頻是通過改變頻率來啟動,它可以帶載啟動,可以做到無操作過電壓,對電網(wǎng)不會有沖擊電流,但是大功率變頻啟動,在變頻轉(zhuǎn)工頻的瞬間,由變頻器切換到工頻旁路的過程中存在不同步和相位差的問題[3]。

通過核實離心式熱泵機組的啟動轉(zhuǎn)矩要求,并考慮離心式熱泵機組是整個能源站工藝環(huán)節(jié)中最重要的水源熱泵機組,是完成整個工藝的必經(jīng)環(huán)節(jié),并且8 臺熱泵在正常供冷供熱過程中為全部運行狀態(tài),最終選定采用變頻啟動并在切旁路時采用同步投切方式,避免不同步和相位差的問題。

1.6 高低壓無功補償方案選擇

隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展及各種大功率開關(guān)器件的廣泛應(yīng)用,供配電系統(tǒng)存在功率因數(shù)不足、暫態(tài)條件下無功缺額及接入點電壓不穩(wěn)定等問題。 與此同時,高壓電機對電能質(zhì)量要求也逐漸提高,無功補償是提高電能質(zhì)量的重要方法之一。應(yīng)對電壓波動的常規(guī)解決手段為電容投切控制,然而對一些存在快速無功交換的場合,電容投切控制并不適用。 另外,并聯(lián)電容器作為應(yīng)用最廣泛的無功電源,其缺點也很突出,只能發(fā)出感性無功,調(diào)節(jié)特性不好,始終是成組投入和成組退出,不能連續(xù)調(diào)節(jié)無功功率、調(diào)節(jié)功率因數(shù)。 隨著電力行業(yè)的發(fā)展,傳統(tǒng)的無功補償裝置反應(yīng)速度以及連續(xù)控制等方面效果差的缺點越來越明顯,不能滿足現(xiàn)代電網(wǎng)的需求,因此,應(yīng)用電力電子技術(shù)的現(xiàn)代無功補償裝置應(yīng)運而生。

SVG 靜止無功發(fā)生器作為先進的無功補償裝置,不計等效電阻時,SVG 并網(wǎng)等效電路圖見圖2,為SVG 并網(wǎng)點電壓矢量,為并網(wǎng)電流矢量。在SVG 并網(wǎng)中,取理想情況,不計SVG 本身有功損耗,不存在兩個系統(tǒng)之間有功的傳輸,在系統(tǒng)正常工作狀態(tài)下,鎖相環(huán)的存在使得SVG 與電網(wǎng)不存在相角差,故有功功率Psvg=0,電網(wǎng)和SVG 只存在無功的傳輸。

圖2 SVG 并網(wǎng)等效電路圖(不計電阻)Fig.2 SVG grid connected equivalent circuit diagram(ignoring resistance)

如圖3a 所示,當(dāng)Ug＞Usvg時,并網(wǎng)電流滯后SVG并網(wǎng)電壓90°,SVG 呈感性,SVG 及等效電抗吸收電網(wǎng)發(fā)出的無功;如圖3b 所示,當(dāng)Usvg＞Ug時,電流反向,SVG 呈容性,SVG 發(fā)出無功補償給等效電抗及電網(wǎng)。 當(dāng)Ug=Usvg時,電網(wǎng)與SVG 不產(chǎn)生無功交換,并網(wǎng)電流Isvg=0,也不存在等效電抗的無功損耗。 通過上述分析,可以得出SVG 裝置既可以發(fā)出感性無功,又可以發(fā)出容性無功,可以靈活的調(diào)節(jié)功率因數(shù),并實現(xiàn)電壓的平衡穩(wěn)定[4]。

圖3 SVG 并網(wǎng)電路電壓矢量圖(不計電阻)Fig.3 Voltage vector diagram of SVG grid connected circuit(ignoring resistance)

另外,能源站供電電源電壓等級為10 kV,主要用電設(shè)備為10 kV 大功率熱泵機組電機及10 kV 熱水循環(huán)水泵,10 kV 側(cè)無功補償方式直接影響電網(wǎng)側(cè)供電電能質(zhì)量,因此,在確定高壓無功補償方式時與當(dāng)?shù)毓╇姴块T進行了詳細(xì)的方案確認(rèn)。 最終選用在10 kV 側(cè)并聯(lián)接入靜止無功發(fā)生器SVG,同時在變壓器的低壓側(cè)采用并聯(lián)傳統(tǒng)的電容器組作為就地補償,兩種方法結(jié)合使用可有效解決上述問題。 本工程通過10 kV 側(cè)的SVG 裝置快速動態(tài)調(diào)節(jié)來補償末端的無功功率,使得電源線路傳輸無功功率得以補償,又因10 kV 熱水循環(huán)泵為直接啟動,因此SVG的投入可以減小熱水循環(huán)泵啟動時的短時電壓波動,從而起到穩(wěn)定供電點電壓的作用。 同時SVG 還可以兼顧不同控制模式,如調(diào)節(jié)功率因數(shù)及補償無功等,在正常工作時,上述控制模式均可實現(xiàn)在線切換。 與此同時,在變壓器低壓側(cè)并聯(lián)電容器組,投資較小,運行靈活,安裝維護方便,同時能達(dá)到在低壓側(cè)就地動態(tài)無功補償?shù)男Ч?/p>

2 結(jié)論

通過對某水處理項目供冷供熱綜合能源工程項目的整體電氣設(shè)計方案中的供電電源設(shè)計、電氣主接線設(shè)計、電氣用房的布置、高壓電機啟動方式及高壓無功補償設(shè)計等要點進行深入分析,解決了能源站電氣設(shè)計中的重點、難點問題,采用高壓變頻器啟動方式的同時加入同步投切裝置,消除了變頻切換工頻過程中的電壓、電流的不同步與相角差問題,將10 kV SVG 裝置應(yīng)用到10 kV 配電網(wǎng)中,在進行平滑的無功補償調(diào)節(jié)的同時,達(dá)到穩(wěn)定10 kV 供配電系統(tǒng)側(cè)電壓穩(wěn)定的效果。