火電機組超低排放改造中電氣設(shè)備的仿真分析

胡建明，智建平

(揚州第二發(fā)電有限責(zé)任公司，江蘇 揚州 225000)

0 引言

隨著國家對火電企業(yè)減排要求日趨嚴格，江蘇省在省內(nèi)推進燃煤發(fā)電機組煙氣污染物超低排放示范工程的建設(shè)，揚州第二發(fā)電有限責(zé)任公司按此要求進行改造。該廠為4×600MW火電機組，廠用電電壓等級為10.50，3.15，0.40 kV。為滿足新增設(shè)備的用電要求，電氣側(cè)需增加10.50/3.15 kV除灰脫硫變壓器(以下簡稱灰硫變)、3.15 kV除灰脫硫段母線、3.15/0.40 kV濕式除塵變壓器(以下簡稱濕除變)A/B段、400 V濕式除塵(以下簡稱濕除)PC A/B段;新增或改造吸收塔循環(huán)泵 D/E、射流泵A/B、氧化風(fēng)機A/B等設(shè)備。為了解設(shè)備的運行特性，為設(shè)備選型、定值整定和設(shè)備運行提供指導(dǎo)，需對相關(guān)的電氣設(shè)備進行仿真分析。

目前常用的仿真分析軟件有PSASP，MATLAB，PSCAD，PSS/E等，本文采用ETAP，它由美國OTI公司研發(fā)，采用獨特的三維數(shù)據(jù)庫技術(shù)，適用于發(fā)配電工程的分析、設(shè)計、仿真及模擬，可進行潮流計算、短路計算、電機啟動、保護配合等多種分析。ETAP軟件的計算精度已為大量的理論分析及工程實例所驗證［1-3］。當(dāng)然，針對具體工程，仿真結(jié)果與實際運行狀況的吻合程度取決于建模參數(shù)的準(zhǔn)確性。

按照ETAP建模的要求，繪制電氣單線圖并輸入相關(guān)設(shè)備的參數(shù)，對廠家未提供的參數(shù)，采用典型值或ETAP設(shè)備庫中自帶的數(shù)據(jù)，完成建模工作。

1 潮流分析

潮流分析可完成各種運行方式下的“最大負荷”“最小負荷”和“平均負荷”的潮流計算，獲得各種工況下調(diào)壓方式和無功分配，校驗關(guān)鍵線路的潮流;可分析因一次接線更改、設(shè)備新增或擴容對系統(tǒng)造成的影響，為采取相應(yīng)措施或設(shè)備選型提供依據(jù)。

計算表明，除3.15 kV脫硫1B段運行電壓(95.94%Un，Un為額定電壓)稍低外，其他母線電壓基本正常，無設(shè)備過載現(xiàn)象，表明變壓器容量、開關(guān)型號、電纜截面的選型適當(dāng)。如選型偏小，軟件會給出報警，相應(yīng)設(shè)備在圖中以紅色顯示，提醒設(shè)計人員重新選型、核算。

2 短路計算

短路電流計算是保護整定計算的基礎(chǔ)和前提。ETAP軟件采用IEC 60909標(biāo)準(zhǔn)進行計算，相比于國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)或其他計算方法，ETAP計算量大，但原理清晰，結(jié)果也更準(zhǔn)確。建模完成后，該軟件可以計算三相短路、單相短路、兩相短路、兩相接地短路電流值。

大方式下，三相短路電流計算方式如圖1所示，計算結(jié)果見表1。

3 保護配合

STAR模塊可以將上下級保護的動作曲線繪制到同一張圖中(如圖2所示)，可以清晰地看出保護的各級配合是否滿足設(shè)計要求［4］。

從圖2可以看到，濕除變保護(曲線1)與濕除變勵磁涌流(點2)和濕除變過載運行特性(曲線3)的配合關(guān)系，灰硫變保護(曲線4)與灰硫變勵磁涌流(點5)和灰硫變過載運行特性(曲線6)的配合關(guān)系。曲線7為濕除變電纜過載運行特性曲線。由圖2可知，各級保護之間的配合良好。

模擬400 V濕除PC A段母線三相短路(如圖3所示)，可以看到各級保護的動作時序，可以檢查斷路器有無越級跳閘現(xiàn)象。

圖1 大方式下三相短路計算

表1 短路電流計算結(jié)果 kA

圖2 保護配合

圖3 三相短路故障模擬

4 電機啟動

對超低排放改造中容量最大的電機——吸收塔循環(huán)泵D電機進行啟動分析，用于校驗電機能否順利啟動，以及電機啟動時母線電壓的下降情況，應(yīng)保證電機啟動時不妨礙其他電氣設(shè)備工作。

電機的銘牌參數(shù)為:型號，YKK500-4W;電壓，3 kV;額定功率，1000 kW;電流，234.8 A;功率因數(shù)，0.87;轉(zhuǎn)速，1489 r/min;絕緣等級，F(xiàn)。

由電機原理可知，啟動時間與電源條件、電機本身的機械特性及負載軸系特性相關(guān)［5］。進行啟動分析前需要先建立電機的電路模型，該模型所需參數(shù)較多，用戶一般很難收集齊全。ETAP內(nèi)置有5種電機動態(tài)模型，并提供了電機參數(shù)估算模塊，根據(jù)電機的銘牌值，可估算得到電機的電路模型，如圖4所示。

本例中動態(tài)模型選sigle2，即感應(yīng)電機的標(biāo)準(zhǔn)模型為有深槽效應(yīng)的、轉(zhuǎn)子電阻和電抗隨轉(zhuǎn)速變化的單籠型電路模型，負載類型選PUMP，電機轉(zhuǎn)動慣量Jm取典型值44 kg·m2，負載轉(zhuǎn)動慣量取0.15Jm。設(shè)定好電路模型、轉(zhuǎn)動慣量和負載阻力矩模型后，ETAP通過仿真逐步求解電機的動態(tài)方程，計算出電機的啟動時間。

仿真結(jié)果表明:電機啟動時間約為2.85 s，啟動電流約為5倍的電機額定電流(啟動電流曲線為圖5中的實線)，3.15 kV灰硫1段母線電壓約為83%Un，10.5kV 1AX段母線電壓約為97%Un，滿足規(guī)程要求，電機可以順利啟動，不會對其他電機的運行造成不利影響。

ETAP自帶設(shè)備庫中電纜、變壓器、電機、保護裝置等均為歐美設(shè)備，參數(shù)和國產(chǎn)設(shè)備略有差異。按照DL/T 5153—2002《火力發(fā)電廠廠用電設(shè)計技術(shù)規(guī)定》［6］計算，啟動時間為2.88 s。實測吸收塔循環(huán)泵D，E電機啟動時間約為3.00s，3.15kV灰硫段母線電壓約為82%Un。

設(shè)定灰硫變的高壓側(cè)10.5 kV 1AX段母線失電切換時間為0.1 s，通過仿真可看到:10.5 kV 1AX段、3.15 kV灰硫1段母線電壓下降至62%Un;自啟動電流為760 A(圖5中的虛線為吸收塔循環(huán)泵D電機自啟動時的電流曲線)，約為3.2倍的電機額定電流。因母線失電時間較短，電機自啟動電流和自啟動時間均小于直接啟動的情況。

圖4 電機模型及參數(shù)估計

圖5 啟動分析

仿真表明，當(dāng)失電切換時間大于0.2 s時，10.5 kV 1AX段、3.15 kV灰硫1段母線電壓降至44%Un，該泵自啟動困難。

5 結(jié)束語

通過仿真，可以對設(shè)計進行驗證，對相關(guān)設(shè)備的運行特性進行定量分析，為設(shè)備的運行、定值整定提供指導(dǎo)，提高系統(tǒng)的可靠性。

［1］李升.MATLAB和ETAP電力系統(tǒng)仿真比較研究［J］.南京工程學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)，2006，4(2):50-55.

［2］謝文，朱永強，崔文進.IEC 60909短路電流計算標(biāo)準(zhǔn)分析［J］.電力建設(shè)，2005，26(2):23-25，43.

［3］劉麗影，李楊，侯淑蓮，等.基于ETAP仿真的核電機組廠用電系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析［J］.電力建設(shè)，2013，34(2):68-73.

［4］劉森，汪洋，周瑩瑩，等.ETAP軟件在水泥廠短路計算及繼電保護整定的應(yīng)用［J］.中國水泥，2010(6):70-72.

［5］戴江江，賈云浪.基于ETAP電力系統(tǒng)計算軟件的電機軟啟動仿真計算［C］//中國化工機械動力技術(shù)協(xié)會.第五屆全國石油和化學(xué)工業(yè)電氣管理(技術(shù))交流研討會論文集.延吉:中國化工機械動力技術(shù)協(xié)會，2006.

［6］火力發(fā)電廠廠用電設(shè)計技術(shù)規(guī)定:DL/T 5153—2002［S］.