LNG接收站電能質(zhì)量分析及治理措施探討

中海浙江寧波液化天然氣有限公司 徐菲菲 張 雷

液化天然氣（LNG）接收站如果接收站突然中斷供電時會引起連續(xù)性生產(chǎn)過程混亂，需長時間恢復(fù)，并可能引起火災(zāi)、爆炸、人身傷亡及設(shè)備損壞等重大事故或較大經(jīng)濟(jì)損失。根據(jù)GB-50052《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，石化企業(yè)通常由雙重電源供電，且要求供電系統(tǒng)應(yīng)連續(xù)和穩(wěn)定運(yùn)行。目前LNG 接收站的供電電源一般都采用110kV 等級電源，雙回路架空線供電。站內(nèi)的電源供電方式都采用單母分段的接線方式，用母聯(lián)備自投的方式進(jìn)行電源切換。在外部電源盡失的情況下，啟動事故發(fā)電機(jī)并斷開正常母線段的進(jìn)線開關(guān)，由事故發(fā)電機(jī)組向廠區(qū)內(nèi)的特別重要負(fù)荷提供應(yīng)急電源。

1 電能質(zhì)量相關(guān)

電能質(zhì)量指標(biāo)。由于LNG 接收站設(shè)計按8760h/年連續(xù)運(yùn)行考慮，設(shè)備基本無檢修窗口期，所以優(yōu)質(zhì)的電能質(zhì)量也對設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性提供了基本保證。依據(jù)我國現(xiàn)已出臺的電能質(zhì)量評估指標(biāo)國家標(biāo)準(zhǔn)，對電壓偏差、電壓波動和閃變、諧波畸變、三相不平衡、頻率偏差以及暫態(tài)過電壓和瞬態(tài)過電壓的水平分別作出了相關(guān)規(guī)定，把電能質(zhì)量各個單項(xiàng)指標(biāo)劃為五個等級，1～3級為電能合格，4、5級為電能不合格。

電能質(zhì)量擾動源分析。接收站內(nèi)的主要工藝設(shè)備有高低壓泵、壓縮機(jī)、海水泵、鼓風(fēng)機(jī)、變頻器等。變頻器作為非線性負(fù)載，使用中會產(chǎn)生諧波。諧波可能引發(fā)諧振現(xiàn)象，導(dǎo)致部分敏感設(shè)備因過電流或過電壓而損壞。同時也增大了繼電保護(hù)等安全裝置的誤動作機(jī)率，或使設(shè)備因長時間過熱運(yùn)行縮短使用壽命。另外LNG 接收站使用的大功率高壓電機(jī)的啟動過程會對電網(wǎng)電壓造成波動。電壓波動主要會影響熒光燈，當(dāng)電壓在較大范圍內(nèi)持續(xù)波動時有閃爍感。也會對其他異步電動機(jī)的電流造成影響，出現(xiàn)過負(fù)荷或轉(zhuǎn)速不穩(wěn)現(xiàn)象，影響壽命。對電子計算機(jī)、監(jiān)控和控制設(shè)備也會造成影響。

表1 110kV 電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)表

2 電能質(zhì)量分析

由于采用高壓變頻器等生產(chǎn)裝置會產(chǎn)生諧波，接收站設(shè)計時在廠用變內(nèi)增加了無功功率補(bǔ)償裝置。電氣主接線方式為單母線分段，每段補(bǔ)償電容3600kVar，分四步投（300+600+900+1800），四組電抗器CKSC-18/6-6%，CKSC-36/6-6%，CKSC-54/6-6%，CKSC-108/6-6%。根據(jù)2018年12月的電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)（表1）發(fā)現(xiàn)電壓總畸變率、各奇數(shù)次諧波電壓畸變率、各偶數(shù)次諧波電壓畸變率、諧波電流等均未超過國標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的限制值，對照電能質(zhì)量評估指標(biāo)表，可劃分到電能質(zhì)量等級1級，可以說110kV 等級的電能質(zhì)量優(yōu)質(zhì)。

針對380V 電壓等級進(jìn)行電能質(zhì)量檢測，采用FLUCK 435系列電能質(zhì)量分析儀進(jìn)行測試。如圖1所示，可看出電壓照明類負(fù)荷諧波測試記錄，在晚間6點(diǎn)至早上7點(diǎn)間，有3、5、7次諧波，此諧波為大量LED 等非線性負(fù)載導(dǎo)致。圖2是照明類負(fù)荷不平衡測試記錄，與諧波增大的時間段一致，有諧波時不平衡電流也增大。

除諧波外，針對大功率高壓電機(jī)的啟動過程會對電網(wǎng)電壓造成波動的情況進(jìn)行電能質(zhì)量的監(jiān)測。根據(jù)國標(biāo)GB/T 12326-2008《電能質(zhì)量-電壓波動和閃變》中對波動負(fù)荷產(chǎn)生的電力系統(tǒng)公共連接點(diǎn)的電壓變動限值進(jìn)行了規(guī)定。高壓電機(jī)在啟動過程中無功沖擊負(fù)荷會造成電網(wǎng)電壓波動，110kV 電壓等級下，變動頻率10＜r ≤100單個用戶引起的系統(tǒng)公共連接點(diǎn)電壓波動不得超過1.5%[2]。實(shí)際情況是如果有兩臺大功率電機(jī)同時啟動，電壓波動會超過限制。所以生產(chǎn)裝置啟停安排就顯得尤為重要，合理安排啟動順序，避免兩臺同時啟動的工況。

圖1 LNG 接收站內(nèi)380V 系統(tǒng)電能質(zhì)量分析測試數(shù)據(jù)圖

圖2 照明類負(fù)荷不平衡測試數(shù)據(jù)圖

上述都是電力系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下的電能質(zhì)量監(jiān)測情況，但由于LNG 接收站來自同一個變電所的同塔雙回路架空線供電，可記錄的事件仍有雷擊和晃電的情況出現(xiàn)，會造成短時的電壓暫降。電壓暫降主要是由于自然原因和外網(wǎng)故障，雖然出現(xiàn)的次數(shù)很少，但是往往影響的設(shè)備面大，對生產(chǎn)裝置會造成大面積停車，不論是設(shè)備的可靠性和恢復(fù)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)損失都往往較大。

例如2016年12月4日6點(diǎn)24分進(jìn)線厚液1847線電流異常，電壓降為0，持續(xù)時間1.1s。事后故障排除發(fā)現(xiàn)當(dāng)時厚液1847外線線路C 相接地故障，上級變接地距離一段保護(hù)動作，動作后自動重合閘重新合閘，厚液1847線1.1s 后重新恢復(fù)供電。故障原因是厚液1847架空線受雷擊影響。之后12月7日雷擊天氣，進(jìn)線厚中1845線在13點(diǎn)56分和14點(diǎn)28分也出現(xiàn)兩次晃電事件，影響到了負(fù)載交流UPS 和變頻器運(yùn)行，出現(xiàn)熔絲燒毀和斷路器分閘保護(hù)動作。

3 電能治理措施

首先電能質(zhì)量分析需掌握供電網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)，對電能質(zhì)量開展實(shí)時監(jiān)測，在詳細(xì)分析電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過相關(guān)軟件計算與分析排除虛假的諧波干擾，開展合理的設(shè)計和改造，除設(shè)計和投運(yùn)前需進(jìn)行諧波源負(fù)荷及電能質(zhì)量要求等方面的技術(shù)咨詢，運(yùn)營階段也要結(jié)合運(yùn)行負(fù)荷的特點(diǎn)開展濾波裝置或無功補(bǔ)償裝置的調(diào)試和現(xiàn)場測試，了解效果并總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)[3]。目前LNG 接收站除電力監(jiān)控系統(tǒng)外，一般還安裝電能能源管理系統(tǒng)，對電能質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，主要是當(dāng)各指標(biāo)超限時發(fā)出報警提示，更好的掌握電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，為電能質(zhì)量分析打好了基礎(chǔ)。

第二，LNG 接收站一般都采用單母線分段的接線形式、母聯(lián)備自投的方式進(jìn)行電源切換。但備自投動作所需時間較長，即使動作成功電動機(jī)也已或接近停止運(yùn)行，為了在電動機(jī)轉(zhuǎn)速開始下降時就能迅速切換至備用電源，從而保證電動機(jī)的連續(xù)工作，所以引入安裝了可快速切換和同期捕捉功能的無擾動快速切換裝置，簡稱快切?？烨醒b置最早應(yīng)用于發(fā)電廠，采用該裝置后可提高切換時間，如失去快速切換機(jī)會，則裝置自動轉(zhuǎn)為同期判別或是殘壓判別的慢速切換，提高故障時切換的成功率，保障運(yùn)行設(shè)備的安全。經(jīng)過實(shí)踐，出現(xiàn)上述110kV 系統(tǒng)晃電的情況下快切裝置可快速切換到備用電源，電動機(jī)由于機(jī)械慣性保持轉(zhuǎn)動，切換動作時間短，不影響電機(jī)的連續(xù)運(yùn)行。

第三，除快切裝置，LNG 接收站由于全年8760小時連續(xù)性生產(chǎn)的要求，還設(shè)置有110kV 系統(tǒng)同期裝置。在生產(chǎn)運(yùn)行過程中，因電源故障或上級變電站檢修等情況，往往需要進(jìn)行倒閘操作。首先由生產(chǎn)人員確認(rèn)故障或檢修段的設(shè)備停機(jī)，再有電儀人員對生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行斷電，然后通過母聯(lián)開關(guān)合閘由另一段電源供電。此過程不僅需要中斷外輸，為了盡快回復(fù)生產(chǎn)，還需電儀人員進(jìn)行大量的倒閘操作及停送電工作。增加同期裝置后，在需檢修倒閘操作時可直接“合環(huán)”操作，不需工藝進(jìn)行任何作業(yè)，無需中斷外輸，操作簡易。也是提高供電可靠性和高質(zhì)量的一項(xiàng)重要舉措。

第四，LNG 接收站內(nèi)的高壓變頻器，即使在安裝有快切裝置的情況下，但在電能質(zhì)量合格的情況下變頻器室敏感負(fù)載仍出現(xiàn)變頻器停運(yùn)的情況。在實(shí)際運(yùn)行的情況經(jīng)驗(yàn)總結(jié)下，在變頻器的控制電源前端增加30kVA 交流UPS 裝置，在二次控制回路中增加了抗“晃電”功能，保證變頻器的連續(xù)運(yùn)行。

此外常規(guī)的設(shè)置無功補(bǔ)償裝置，就地進(jìn)行無功功率補(bǔ)償。無功補(bǔ)償裝置可改善電能質(zhì)量、提高功率因素，這是公認(rèn)最有效的措施。目前中壓6kV 系統(tǒng)和低壓400V系統(tǒng)分別都進(jìn)行了補(bǔ)償，在總變補(bǔ)償2x3000kVar，使系統(tǒng)功率因數(shù)達(dá)到供電局要求的數(shù)值0.92。

綜上，電能質(zhì)量治理是一項(xiàng)與時俱進(jìn)的工作，目前還有零序諧波治理的措施和裝置、低壓系統(tǒng)設(shè)置欠電壓再啟動功能的微機(jī)綜合保護(hù)裝置（MCU）等措施可以進(jìn)一步研究，持續(xù)提供企業(yè)穩(wěn)定生產(chǎn)的能力。