IGCC電廠電氣設(shè)計優(yōu)化思路

姚 雯，張慧新

（中南電力設(shè)計院，湖北 武漢 430071）

IGCC電廠電氣設(shè)計優(yōu)化思路

姚 雯，張慧新

（中南電力設(shè)計院，湖北 武漢 430071）

為優(yōu)化整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電（Integrated Gasification Combined Cycle， IGCC）電廠電氣設(shè)計，筆者對我國已投運的IGCC電廠投運一年來的運行情況進(jìn)行了調(diào)研。本文通過對運行反饋信息進(jìn)行分析，對后續(xù)IGCC項目的電氣設(shè)計提出了設(shè)計優(yōu)化思路。

IGCC；電氣設(shè)計；優(yōu)化。

1　概述

IGCC發(fā)電技術(shù)，將煤氣化、凈化與燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電有機結(jié)合，是未來高效超低排放煤基發(fā)電的重要技術(shù)方向。與傳統(tǒng)燃煤電廠相比，具有近零排放、高效率、資源利用充分、用水量少、適于調(diào)峰等優(yōu)點。然而，其工藝系統(tǒng)和裝備復(fù)雜，工程造價高（大約是同規(guī)模燃煤電廠的2～3倍），運行廠用電率高，在我國設(shè)計和生產(chǎn)經(jīng)驗尚未成熟，至今尚處在概念驗證和工業(yè)試點階段。以電氣專業(yè)設(shè)計為例，IGCC電廠的電氣系統(tǒng)總體設(shè)計原則和設(shè)計方法與常規(guī)燃煤電廠基本相同，但由于IGCC電廠工藝系統(tǒng)復(fù)雜，且跨越了電力和化工兩個行業(yè)，其電氣設(shè)計與常規(guī)燃煤電站相比有其特殊和復(fù)雜之處。

本文從電氣設(shè)計角度，對我國已投運IGCC試點電廠的電氣設(shè)計方案及其運行反饋情況進(jìn)行分析，并對后續(xù)同類工程提出電氣設(shè)計優(yōu)化思路，供設(shè)計同行參考。

2　電廠主要電氣系統(tǒng)

該項目一期建設(shè)1×250MW級整體煤氣化燃?xì)?蒸汽IGCC機組，機組配置型式：1+1+1（1套燃?xì)廨啺l(fā)電機組、1臺余熱鍋爐和1套蒸汽輪發(fā)電機組），燃機發(fā)電機額定功率180MW，汽機發(fā)電機額定功率100MW，發(fā)電機冷卻方式均為空冷。

電廠以220 kV一級電壓、出線1回至附近220 kV變電站，線路長度約2 km，廠內(nèi)設(shè)220 kV戶內(nèi)GIS配電裝置。

燃機發(fā)電機和汽輪發(fā)電機采用發(fā)電機-變壓器組單元接線型式接入廠內(nèi)220 kV母線，220 kV配電裝置采用單母線接線。不設(shè)發(fā)電機出口斷路器（Generator Circuit-Breaker， GCB）。

燃機發(fā)電機主變壓器容量為200 MVA，汽輪發(fā)電機主變壓器容量為110 MVA。

全廠起動/備用電源由廠內(nèi)220 kV配電裝置母線引接。

電氣主接線見圖1。

圖1　電廠電氣主接線圖

高壓廠用電系統(tǒng)采用10 kV一級電壓，高壓廠用電源由燃機發(fā)電機出口引接，設(shè)1臺分裂繞組高廠變和2段10 kV廠用工作母線，設(shè)1臺與高廠變同容量的起動/備用變壓器，高廠變和起動/備用變壓器的額定容量為68/41-41 MVA。

空分系統(tǒng)的空壓機與增壓機分別接在廠用10 kV A、B段上，空壓機和增壓機的電動機采用異步電機。2臺大容量電機采用變頻啟動方式，并共用1套變頻啟動裝置。變頻啟動裝置接線采用通過2臺10 kV開關(guān)分別接在10 kVA、B段的方式，以避免發(fā)生2臺大電機接在同一段10 kV母線上的情況。

聯(lián)合循環(huán)發(fā)電、空分、氣化及凈化等裝置的負(fù)荷采用集中供電方式，設(shè)置電氣綜合樓。變頻啟動裝置、10 kV配電裝置、空分、氣化及凈化等裝置 PC、汽機PC、MCC、燃機PC、保安PC及低壓變壓器等均布置在電氣綜合樓內(nèi)。

設(shè)1臺1000kW柴油發(fā)電機組，為機組事故失電提供保安電源。

3　電氣系統(tǒng)運行反饋

3.1空分裝置

3.1.1大功率電動機啟動和運行對母線電壓的影響

空分裝置的空壓機電動機為22500 kW，增壓機電動機為19000 kW，兩臺電動機合用一套容量約8000 kW的變頻啟動裝置，機組啟動前這兩臺電動機先后進(jìn)行空載變頻啟動。各電動機啟動時電流從0開始，切換至工頻時尚未達(dá)到其額定電流。投運至今變頻裝置未發(fā)現(xiàn)異常或啟動失敗的情況。

由于這兩臺電動機均先于機組啟動，其啟動時廠用高壓母線負(fù)荷很低（一般不足5000 kW），因此電動機啟動時母線壓降不大，實測電壓約為10.2 kV，壓降約2%，低壓母線電壓為390～395V。所以大容量電動機啟動對其他電動機運行基本無影響。

另一方面，機組正常運行時，空壓機和增壓機始終在運行，10 kV、380 V母線運行電壓約為9.9 kV、382～394 V，相對于高、低壓廠用變壓器低壓側(cè)額定電壓分別為10.5、0.4 kV來說，母線電壓是偏低的。但是運行時不能因此調(diào)整變壓器抽頭以提高母線電壓，因為一旦空壓機或增壓機停運，母線電壓將立刻上升，電壓偏高將影響其他設(shè)備壽命。

對后續(xù)工程設(shè)計的啟示：空分裝置為電動機驅(qū)動時，采用容量為25%左右的變頻器是可行的，可多臺電動機共用1套變頻器啟動裝置。對于大功率空分裝置電動機供電，建議同類工程可參考化工行業(yè)的習(xí)慣做法，將大型電動機采用單獨的變壓器供電，而不與其他用電負(fù)荷一起從同一母線供電。

3.1.2空分裝置采用電驅(qū)方式對啟動費用的影響

從空分裝置啟動到機組滿負(fù)荷，冷態(tài)啟動約65 h，熱態(tài)啟動約40 h。啟動一次費用約需300～700萬元，其中空分裝置耗電費用所占比重較大。

機組啟動時一般最先啟動空分裝置空壓機，然后啟動增壓機；停機時最后?？諌簷C（氣化爐停即可?？辗蛛妱訖C）。為節(jié)省啟停費用，如果機組停機時間僅1～2 d，空分裝置的電動機一般保持運轉(zhuǎn)；當(dāng)停機時間超過3 d，則停運空分裝置。雖然電廠采用的是近年來制造及應(yīng)用技術(shù)較為成熟的E級燃機，但是由于燃燒天然氣和合成氣的技術(shù)有所不同，燃機仍需要做特別設(shè)計，投產(chǎn)初期機組運行不穩(wěn)定，啟停頻繁導(dǎo)致運行費用較大。

對后續(xù)工程設(shè)計的啟示：由于空分裝置耗電量大、變頻器投資較高（近1千萬元），當(dāng)具備采用汽輪機驅(qū)動的條件時（即附近有合適的汽源），建議采用汽輪機驅(qū)動方案。

3.2電氣主接線方案

該電廠未裝設(shè)發(fā)電機斷路器，機組啟停電源通過起/備變引自廠內(nèi)220 kV母線。由于投產(chǎn)初期機組運行不穩(wěn)定，啟停頻繁，為避免廠用電切換失敗導(dǎo)致機組啟動失敗而耗費巨額啟動費用，該廠投運后長期由起/備變帶廠用電運行。雖然關(guān)口表裝設(shè)在線路上，由起/備變帶廠用電不會因購電導(dǎo)致運行費用增加，但是起/備變作為工作電源，一旦故障則再無停機/備用電源。由此可見，不設(shè)GCB對機組運行可靠性是不利的。

對后續(xù)工程設(shè)計的啟示：建議燃機發(fā)電機出口裝設(shè)GCB以避免機組啟停時的廠用電切換，提高運行可靠性；對于關(guān)口表裝設(shè)在主變高壓側(cè)的工程，這樣還可以避免通過起/備變啟動買電導(dǎo)致啟動費用增加。

3.3廠用電率

IGCC電廠的廠用電率是比較高的，一般約為15～20%。由于本項目機組投運初期較長一段時間內(nèi)都不能保持穩(wěn)定滿發(fā)，運行廠用電率更是偏大。2013年時穩(wěn)定運行的廠用電率約為33%；2014年5月15-18日進(jìn)行的綜合出力測試顯示，整套機組發(fā)電功率可穩(wěn)定達(dá)到22萬kW，最高功率近23萬kW，穩(wěn)定運行期間的廠用電率降至25%左右。

空壓機電動機一般運行容量為額定容量的90%，增壓機電動機為100%，這兩種電動機只要機組運行即投入運行。所以，空分裝置的廠用電率可估算為：（22500+19000）/250000=16.6%。因此，當(dāng)空分裝置采用電驅(qū)動時，廠用電率是比較高的。

對后續(xù)工程設(shè)計的啟示：由于空壓機和增壓機在機組運行期間持續(xù)以高負(fù)荷率運行，為選擇高壓廠用變壓器進(jìn)行負(fù)荷計算時，不宜采用常規(guī)燃煤電廠的換算系數(shù)。該電廠高廠變和起/備變選擇68/41-41 MVA，運行反映變壓器容量偏緊。為避免高壓廠用變壓器選擇容量不足，建議后續(xù)工程在選擇高壓廠用變壓器時，應(yīng)向化工島設(shè)計單位仔細(xì)了解負(fù)荷運行特性，必要時采用公式Sjs=P/cosφ。

3.4交流保安電源

由于電廠僅由220 kV單回線送出，當(dāng)220 kV線路故障時，高廠變、起/備變均會失去電源，此時廠內(nèi)交流應(yīng)急停機負(fù)荷由交流保安電源系統(tǒng)供電。

電廠的交流保安電源系統(tǒng)除引接了正常工作電源外，還引接了第三方電源及一臺常用功率為1120 kW的柴油發(fā)電機組。

常規(guī)西門子或GE的E級燃機聯(lián)合循環(huán)機組所配保安電源柴油發(fā)電機組容量一般為1200 kW?？梢?，該廠采用西門子燃機，所配柴油發(fā)電機組容量與常規(guī)燃機聯(lián)合循環(huán)機組項目是相當(dāng)?shù)?。但考量接入保安電源系統(tǒng)的負(fù)荷，化工島負(fù)荷是否接入保安有可商榷之處。一方面是化工行業(yè)一般沒有設(shè)置保安電源的做法，另一方面從其負(fù)荷運行特性看也沒有必要接入保安。如氣化裝置的事故氮泵（170 kW，帶變頻裝置），由于配置了氮槽，事故停機時沒有必要繼續(xù)供電。如果不考慮這些化工負(fù)荷，柴油發(fā)電機組容量還可以進(jìn)一步降低。

對后續(xù)工程設(shè)計的啟示：對化工島負(fù)荷的供電要求和運行特性需做深入了解，確認(rèn)其是否有事故停機時繼續(xù)供電的必要性，合理選擇柴油發(fā)電機組的容量。

3.5照明供電方式

電廠采用照明與動力合并供電的方式。由于空分裝置的空壓機及增壓機與其他廠用高壓負(fù)荷共用母線供電，停機后空分裝置停運、母線電壓升高，導(dǎo)致很多照明燈具損壞。

對后續(xù)工程設(shè)計的啟示：當(dāng)空分裝置的空壓機及增壓機與其他廠用高壓負(fù)荷共用母線時，建議照明與動力分開供電，設(shè)置專門的照明變壓器。

4　電氣設(shè)計優(yōu)化思路

通過對已投運的IGCC電廠的調(diào)研，及對IGCC電廠電氣設(shè)計特殊問題的研究，對后續(xù)同類IGCC項目的電氣設(shè)計提出如下優(yōu)化思路。

4.1空分裝置采用汽驅(qū)時設(shè)計優(yōu)化思路

當(dāng)具備合適的引接蒸汽的條件時，推薦配置汽驅(qū)壓縮機，實際上化工行業(yè)的空分裝置也多有采用汽驅(qū)方式，則電氣設(shè)計可做如下優(yōu)化：

（1）高壓廠用變壓器容量降低

經(jīng)初步估算，高廠變和起/備變?nèi)萘靠蛇x擇55～60 MVA，與已投運IGCC電廠采用的68 MVA相比，容量降低較多。

（2）高壓廠用電系統(tǒng)可采用6 kV一級電壓

當(dāng)IGCC電廠采用電驅(qū)空分裝置時，為滿足大容量電動機的啟動和運行要求，高壓廠用電系統(tǒng)采用10 kV電壓是合適的。當(dāng)空分壓縮機采用汽驅(qū)方案、沒有其他大容量電動機時，采用6 kV電壓等級在降低初投資和運行損耗方面更具經(jīng)濟性，高壓廠用母線短路水平亦未超出6 kV開關(guān)設(shè)備最大開斷水平，且電壓等級與常規(guī)發(fā)電廠工程一致更符合電廠運行習(xí)慣。

（3）技術(shù)指標(biāo)優(yōu)化

經(jīng)初步估算，采用汽驅(qū)方案的廠用電率約為6%，大大低于已投運IGCC電廠設(shè)計廠用電率和機組運行狀況較好時的運行廠用電率（約25%）。

（4）其他

取消大容量電動機及其啟動裝置后，可節(jié)省投資數(shù)千萬元。在電氣綜合樓或其他場所節(jié)省了布置變頻啟動裝置所需的配電室面積。

4.2空分裝置采用電驅(qū)時設(shè)計優(yōu)化思路

空分裝置為電動機驅(qū)動時，可多臺電動機共用1套變頻器啟動裝置，變頻器容量可按最大一臺電動機的容量的25%左右選擇。

為避免大功率空分裝置電動機啟停對母線電壓的影響，可將大型電動機采用單獨的變壓器供電，而不與其他用電負(fù)荷一起從同一母線供電。

當(dāng)未單獨設(shè)置母線給空分裝置空壓機及增壓機的大型電動機供電時，建議照明與動力分開供電，設(shè)置專門的照明變壓器。

4.3電氣主接線優(yōu)化思路

根據(jù)運行反饋，為提高機組運行可靠性，建議后續(xù)同類IGCC項目在燃機發(fā)電機出口裝設(shè)GCB。當(dāng)主機考慮采用9F燃機時，相應(yīng)GCB價格約400萬元/臺?？紤]到IGCC電廠在我國運行經(jīng)驗尚淺，機組啟動失敗后重新啟動耗費巨大，適當(dāng)增加投資、提高可靠性是必要的。

5　結(jié)語

IGCC是高效、綠色優(yōu)質(zhì)能源，由于其工藝系統(tǒng)的復(fù)雜性，設(shè)計單位仍需針對其電氣系統(tǒng)設(shè)計的特殊問題進(jìn)行深入研究。目前，根據(jù)已投運IGCC電廠的運行情況，暫對電氣系統(tǒng)設(shè)計提出以下幾點設(shè)計優(yōu)化思路：

（1） IGCC項目的空分裝置驅(qū)動方式對電氣系統(tǒng)設(shè)計和廠用電率影響很大。從電氣設(shè)計角度看，在具備條件時，采用汽驅(qū)方式更有利于降低電氣系統(tǒng)投資和運行費用。

（2）當(dāng)空分裝置采用汽驅(qū)方式時，建議高壓廠用電系統(tǒng)采用6 kV一級電壓。

（3）當(dāng)空分裝置采用電驅(qū)方式時，建議對空分裝置大容量電動機采用單獨的變壓器供電，其計算負(fù)荷的換算系數(shù)取值需根據(jù)其運行特性確定。

（4）考慮到IGCC電廠在我國運行經(jīng)驗尚淺、機組啟動失敗后重新啟動耗費較大，建議在燃機發(fā)電機出口裝設(shè)GCB。

［1］ 焦樹建.IGCC技術(shù)發(fā)展的回顧與展望［J］.電力建設(shè)，2009，30（1）.

［2］ GB 50660-2011，大中型火力發(fā)電廠設(shè)計規(guī)范［S］.

［3］ DL/T 5153-2014，火力發(fā)電廠廠用電設(shè)計技術(shù)規(guī)程［S］.

Optimization Thoughts on Electrical Design for IGCC Power Plant

YAO Wen，ZHANG Hui-xin
（Central Southern Electric Power Design Insistute， Wuhan430071， China）

In order to optimize the electrical design for IGCC project， operating IGCC power plant in China was investigated. According to the analysis on the feedback information from operation， the optimization thoughts on electrical design for subsequent IGCC project are presented.

IGCC； electrical design； optimization.

TM621

B

1671-9913（2016）03-0052-04

2015-07-24

姚雯 （1972- ），女，浙江杭州人，高級工程師，主要從事發(fā)電廠電氣設(shè)計工作。