國外大型火力發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)研究

楊光磊，張邦彬

(中國華電科工集團(tuán)有限公司，北京 100160)

國外大型火力發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)研究

楊光磊，張邦彬

(中國華電科工集團(tuán)有限公司，北京 100160)

通過對國內(nèi)外多個電廠的調(diào)研，對幾種不設(shè)置啟動/備用電源的廠用電接線形式進(jìn)行了分析，并討論了公用段的設(shè)置問題及明備用的必要性；通過對2種方案的經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，得出了1種適用于東南亞地區(qū)火力發(fā)電廠的接線形式。通過在simulink環(huán)境下的仿真，表明這種接線方式是可行的。

廠用電；手拉手；simulink；明備用

0 引言

傳統(tǒng)的廠用電系統(tǒng)一般由1回引自當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的電源作為電廠的啟動/備用電源。隨著“一帶一路”戰(zhàn)略的實施，中國的電力投資逐漸向東南亞發(fā)展，已在越南、印尼等多國投資了若干大型發(fā)電廠。但是，當(dāng)?shù)氐碾娋W(wǎng)系統(tǒng)較薄弱，且電廠和電網(wǎng)的產(chǎn)權(quán)等問題也涉及多方面因素，很多情況下不能向電廠提供啟動/備用電源。

本文為了克服這種困難，調(diào)研了國內(nèi)外多個電廠，對幾種不設(shè)置啟動/備用變壓器的接線方案進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，并在simulink環(huán)境下對其電氣系統(tǒng)進(jìn)行了正常運行和故障時的仿真，以期找到一種可靠性較高且操作靈活的、適用于國外大型電廠的高壓廠用電系統(tǒng)，為今后的國內(nèi)外電廠建設(shè)提供理論參考。

1 廠用電接線形式分析

1.1常規(guī)發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)

目前國內(nèi)大部分火電廠均設(shè)有接自當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的啟動/備用變壓器，作為電廠的啟動/備用電源，接線形式如圖1所示(高廠變?yōu)楦邏簭S用變壓器，低廠變?yōu)榈蛪簭S用變壓器，啟/備變?yōu)閱?備用變壓器)。這種形式雖然增加了項目的初期投資，并會在運營期間向電網(wǎng)公司繳納基本電費，但是卻大大提高了機(jī)組運行的可靠性。在國內(nèi)，雖然廠網(wǎng)早已分開，但仍同屬國有，因此這種矛盾并不明顯。而在國外，以東南亞為例，電廠多以BOT 的方式建設(shè)[1]，中國投資方僅負(fù)責(zé)電廠的建設(shè)和運營，開關(guān)站仍歸當(dāng)?shù)仉娏Σ块T運營，因此就必須考慮方案的經(jīng)濟(jì)性。另外，東南亞國家的電網(wǎng)相對薄弱，新建電廠大多需要承擔(dān)基礎(chǔ)供電，在場址附近可能沒有高壓電源可供接入。有的項目甚至在合同中強調(diào)無外送電源接入或明確要求不設(shè)置啟動/備用變壓器[2]。

圖1 有啟動/備用變壓器的廠用電接線

1.2不設(shè)置啟動/備用變壓器的幾種接線形式

隨著設(shè)備制造水平的逐漸提高，設(shè)備的運行可靠性也大幅提升，廠用電系統(tǒng)不單獨設(shè)置啟動/備用變壓器成為可能[3]。

根據(jù)《大中型火力發(fā)電廠設(shè)計規(guī)范》[4]16.3.13條規(guī)定，600 MW級及以上的機(jī)組，若裝設(shè)了發(fā)電機(jī)斷路器(GCB)，當(dāng)從另1臺機(jī)組的高廠變低壓側(cè)母線引接本機(jī)組的高壓停機(jī)電源，機(jī)組之間對應(yīng)的高壓廠用母線設(shè)置聯(lián)絡(luò)，互為事故停機(jī)電源時，可不設(shè)專用的高壓廠用備用變壓器。這也為電廠不單獨設(shè)置啟動/備用變壓器提供了設(shè)計依據(jù)。

目前，采用不設(shè)置啟動/備用變壓器的廠用電“手拉手”形式的電廠有如下幾種接線。

(1)接線1：湖南某電廠廠用電接線如圖2所示[5]。

由圖2知，每臺機(jī)組設(shè)置1臺雙分裂變壓器，為機(jī)組單元負(fù)荷、脫硫單元負(fù)荷、低壓脫硫變壓器及另一臺機(jī)組事故停機(jī)負(fù)荷供電；每臺機(jī)組設(shè)1臺雙繞組變壓器，為全廠公用負(fù)荷供電。雙分裂變壓器、雙繞組變壓器均為有載調(diào)壓。

圖2 湖南某電廠廠用電接線

(2)接線2：新疆某電廠廠用電接線如圖3所示。

圖3 新疆某電廠廠用電接線

由圖3知，每臺機(jī)組設(shè)置1臺雙分裂變壓器，機(jī)組單元電負(fù)荷和公用負(fù)荷分別從2臺機(jī)組工作段引接，不設(shè)置單獨公用段。每臺機(jī)廠用母線分2段，主廠房區(qū)域的單元機(jī)組的輔機(jī)、低廠變分接在2臺機(jī)組的2段上，2臺機(jī)組公用的輔機(jī)及互為備用的低廠變分接在2臺機(jī)組的1段上。每臺機(jī)組各設(shè)1段高壓脫硫母線，分別由對應(yīng)主廠房高壓工作母線各引1路電源，互為備用。2臺機(jī)組設(shè)2段“手拉手”的輸煤高壓母線，分別由2臺機(jī)組主廠房高壓工作段各引1路電源，互為備用。

(3)接線3：印尼某電廠廠用電接線如圖4所示。

圖4 印尼某電廠廠用電接線

由圖4知，每臺機(jī)組設(shè)置1臺有載調(diào)壓雙分裂變壓器，并設(shè)置獨立的公用段。一臺機(jī)組高壓廠用段給高壓公用段供電，另一臺機(jī)組高壓廠用段作為高壓公用段的備用電源；當(dāng)一臺機(jī)組啟動時，另一臺機(jī)組的廠用段能供給啟動機(jī)組的啟動負(fù)荷。即2臺機(jī)組的高廠變通過高壓公用段“手拉手”。

(4)接線4：越南某電廠廠用電接線如圖5所示。

圖5 越南某電廠廠用電接線

由圖5知，每臺機(jī)組設(shè)2臺有載調(diào)壓雙分裂廠用變壓器，設(shè)置單獨公用段。其中1臺高廠變?yōu)楸九_機(jī)組負(fù)荷和公用負(fù)荷供電；另設(shè)1臺專用高壓廠用備用變壓器，為另一臺機(jī)組的高廠變備用。每臺機(jī)組各設(shè)2段高壓工作段，向機(jī)組負(fù)荷供電。設(shè)置2段公用段，為公用負(fù)荷供電。公用段間設(shè)聯(lián)絡(luò)，2段公用段分別從2臺機(jī)組的1個工作段取1路電源。

1.3幾種接線方式的分析

1.3.1 關(guān)于單獨的公用段

設(shè)置單獨的公用段，將公用負(fù)荷與機(jī)組本身負(fù)荷區(qū)分開，加強了機(jī)組的單元性，便于機(jī)組的停運和檢修，但也增加了設(shè)備投資和占地，接線也較復(fù)雜。對于有啟動/備用電源的電廠，大多將公用段電源引自啟/備變，這樣啟/備變長期處于低負(fù)荷運行狀況，損耗較大；若無啟動/備用電源，則公用段電源取自機(jī)組工作段, 雖然公用負(fù)荷與機(jī)組負(fù)荷不在一段上，但降低了機(jī)組的單元性，與不設(shè)公用段效果是一樣的[6-7]。

對于接線4，如果不設(shè)置獨立公用段，則其中1臺雙分裂高廠變帶本機(jī)組負(fù)荷和全廠公用負(fù)荷運行，另1臺作為另1機(jī)組高廠變的明備用。每臺機(jī)設(shè)2段工作母線段，電源分別引自帶負(fù)荷的高廠變的2個分裂繞組，接線5如圖6所示。

圖6 接線5

1.3.2 明備用

對比接線2，接線5在每臺機(jī)組上增加了1臺同容量的分裂變壓器作為另一臺機(jī)組高廠變的明備用。

對于國內(nèi)的電廠，電網(wǎng)架構(gòu)已經(jīng)足夠堅強。特別是在坑口等電廠集中的區(qū)域，某個發(fā)電廠單臺機(jī)組的停機(jī)不會對整個電網(wǎng)造成很大的影響。因此考慮到投資成本，可采用接線2的形式。開關(guān)柜、共箱母線及輔助裝置(快切、中性點設(shè)備等)數(shù)量最少，便于運行維護(hù)及高壓開關(guān)柜的采購。

中國已在越南以EPC或BOT的形式建設(shè)了多個600 MW級的大型發(fā)電廠，但仍無法滿足越南日益增加的電力需求。這些發(fā)電廠的年利用小時數(shù)大多高達(dá)7 000多h。有的電廠甚至要求在設(shè)計時要滿足“當(dāng)1臺高廠變發(fā)生較為嚴(yán)重的故障，停機(jī)將故障廠用變壓器切除后，仍能夠正常發(fā)電”。

因此，對于國外的大型發(fā)電廠，需要采用可靠性較高的接線形式，即接線5比接線2更適用于國外的發(fā)電廠。

綜上所述，本文僅對2種接線方式進(jìn)行分析，接線方案見表1。

表1 廠用電接線方案

1.42種“手拉手”接線形式的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

以越南某電廠實際情況為例：機(jī)組額定功率，660 MW；機(jī)端額定電壓，22.0 kV；升壓變壓器額定容量，780 MW；升壓變壓器額定電壓，500±10×1.25%/22.0 kV；高壓廠用電額定電壓，6.6 kV。

根據(jù)廠用電負(fù)荷統(tǒng)計情況，得出如下方案。

(1)接線1：每臺機(jī)組設(shè)置2臺高廠變，一臺為有載調(diào)壓分裂變壓器，容量暫定為78/45-45 MV·A，另一臺為有載調(diào)壓雙卷變壓器，容量暫定為45 MV·A，短路阻抗均按13%考慮。正常運行時2臺高廠變的負(fù)荷約為其額定容量的50%，剩余容量作為另一臺機(jī)組的熱備用。

(2)接線5：每臺機(jī)組設(shè)置2臺同容量雙分裂高壓廠用工作變壓器，有載調(diào)壓，容量暫定為70/40-40 MV·A，短路阻抗按照12%考慮。

短路計算和電動機(jī)啟動時的電壓校驗見表2。

表2 短路計算和電壓校驗結(jié)果 kA

由上表知，接線5選擇常規(guī)的10 kV斷路器，開斷水平在40 kA即可滿足要求，且工作電源和備用電源較為明晰，中壓段為2段，進(jìn)線和備用進(jìn)線開關(guān)數(shù)量較少；而接線1，若進(jìn)一步抬高高廠變短路阻抗，雖然能降低短路電流，從而將動穩(wěn)定控制在100 kA以內(nèi)，但廠用電壓校驗無法通過，并且對設(shè)備選型造成了一定的困難，若采用開斷水平50 kA的產(chǎn)品，造價將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過接線5。

因此，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)對比，選擇接線5作為廠用電方案更為合理。

2 simulink環(huán)境下的仿真

在simulink環(huán)境下搭建了廠用電系統(tǒng)的模型。發(fā)電機(jī)經(jīng)GCB連接變壓器后并入當(dāng)?shù)?00 kV電網(wǎng)，含2個系統(tǒng)負(fù)荷，分別為700 MW和680 MW；廠用電負(fù)荷均為40 MW，分別接在4段工作母線上。接線如圖7所示。

正常運行時，負(fù)荷1A和1B分別由#11高廠變的2個分裂繞組供電，負(fù)荷2A和2B分別由#21高廠變的2個分裂繞組供電。

在0.02 s，#11A和#11B 2個斷路器斷開，高壓廠用負(fù)荷1A和1B切換為由#22高廠變供電，#22A和#22B 2個斷路器合閘。

在0.05 s，#11A和#11B 2個斷路器重新合閘，跳開#22A和#22B 2個斷路器，高壓廠用負(fù)荷1A和1B轉(zhuǎn)換回由#11高廠變供電。

#11母線A端和B端的電流和電壓波形如圖8、圖9所示。

由圖8和圖9知，在廠用電電源的切換過程中，電壓和電流波形均未出現(xiàn)畸變，滿足運行要求。

圖7 simulink仿真系統(tǒng)圖

圖8 #11母線A端和B端的電流波形圖(截圖)

圖9 #11母線A端和B端的電壓波形圖(截圖)

3 結(jié)束語

本文通過對國內(nèi)外多個電廠的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，廠用電系統(tǒng)不設(shè)置啟動/備用電源的方案是可行的，尤其是在電網(wǎng)薄弱的地區(qū)，當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)不能提供啟動/備用電源的引接。通過對目前存在的4種接線形式進(jìn)行整理分析，發(fā)現(xiàn)對于不設(shè)置啟動/備用電源的系統(tǒng)，再獨立設(shè)置公用工作段沒有意義。而為了提高電廠的可靠性，滿足電廠年利用小時數(shù)過高的要求，設(shè)置明備用是必要的。

通過在simulink環(huán)境下搭建模型進(jìn)行仿真，在切換高廠變時，電流和電壓的波形均未出現(xiàn)畸變，表明這種接線方式是滿足運行要求的。

[1]TranThiHaiYen.越南BOT電廠項目風(fēng)險管理案例研究[D].大連:大連理工大學(xué),2016.

[2]羅進(jìn).淺談印尼發(fā)電工程(2×175 MW)不設(shè)高壓啟動/備用變壓器的利弊[C]//2013年中國電機(jī)工程學(xué)會年會論文集,2013.

[3]劉思佳,黃海才,賈麗英.大型火電廠廠用電接線方案研究[J].電網(wǎng)與清潔能源,2013(10):37-41,46.

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[6]王樹森.關(guān)于發(fā)電廠廠用高壓母線設(shè)置公用段的探討[J].電力勘測設(shè)計,2005(3):48-51.

[7]季浩.淺談越南沿海2×622 MW火力發(fā)電廠項目管理[J].科技向?qū)?2015(7):80-81.

(本文責(zé)編：劉炳鋒)

2017-07-05；

:2017-08-04

TK 39

：A

：1674-1951(2017)09-0027-04

楊光磊(1983—)，男，河北石家莊人，高級工程師，工學(xué)碩士，從事電力設(shè)計和設(shè)計咨詢工作(E-mail:yangguanglei008@163.com)。張邦彬(1963—)，男，陜西西安人，高級工程師，從事發(fā)電廠、變電站所及新能源發(fā)電工程電氣設(shè)計、咨詢及技術(shù)評審工作。