裝配式變電站在分布式能源項(xiàng)目中的適用性分析

劉靜，宋洪濤

(華電分布式能源工程技術(shù)有限公司，北京 100160)

0 引言

燃?xì)夥植际侥茉凑景▍^(qū)域式和樓宇式2種主要建設(shè)模式，其設(shè)計(jì)理念與傳統(tǒng)火力發(fā)電廠熱電聯(lián)產(chǎn)有所不同，更加強(qiáng)調(diào)土地建設(shè)的節(jié)約化、一次能源利用的高效化、設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化以及系統(tǒng)的集成化。本文結(jié)合具體工程的電氣設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)探討區(qū)域式能源站的電氣設(shè)計(jì)，吸取電網(wǎng)裝配式變電站建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，將電氣部分進(jìn)行模塊化劃分，每個(gè)模塊在工廠進(jìn)行加工、組裝和預(yù)調(diào)試，最后在現(xiàn)場進(jìn)行組裝和調(diào)試。模塊化設(shè)計(jì)、制造和安裝的最大優(yōu)點(diǎn)是可以最大限度減少設(shè)計(jì)和安裝階段的錯(cuò)誤，減少現(xiàn)場安裝的工程量并降低技術(shù)復(fù)雜性，從而加快工程進(jìn)度，滿足工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)要求，提高系統(tǒng)可靠性；同時(shí)也可促進(jìn)分布式能源站標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，降低運(yùn)行成本，提高自動(dòng)化水平。

1 裝配式變電站簡介

1.1 裝配式智能變電站特點(diǎn)

裝配式智能變電站又稱為預(yù)裝式智能變電站，就是將變電站根據(jù)功能劃分為不同模塊，預(yù)先在工廠內(nèi)根據(jù)模塊要求進(jìn)行制造、裝配，包括變壓器、高壓開關(guān)設(shè)備、內(nèi)部接線(電纜、母排等)、繼電保護(hù)設(shè)備、交/直流電源設(shè)備、自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)、通信設(shè)備等，并集成了照明系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)。

預(yù)裝式變電站是針對面廣量大、建設(shè)工期緊迫、安裝風(fēng)險(xiǎn)加大的基建實(shí)際，應(yīng)運(yùn)而生的一種高效、可控、標(biāo)準(zhǔn)、節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的建(構(gòu))筑物建造的新模式、新方法、新途徑。它能有效減少占地面積、投資、工期等，推行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)化施工，也能降低工程管理難度和復(fù)雜性。

1.2 裝配式變電站應(yīng)用現(xiàn)狀

2008年年初，國家電網(wǎng)公司要求推行全過程和全壽命周期內(nèi)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)和建設(shè)，實(shí)現(xiàn)建設(shè)項(xiàng)目全壽命周期內(nèi)的功能匹配、壽命協(xié)調(diào)和費(fèi)用平衡，全面提高建設(shè)項(xiàng)目的技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)效益。在“兩型一化”(資源節(jié)約型、環(huán)境友好型、工業(yè)化)變電站建設(shè)的要求下，預(yù)裝式變電站從2008 年開始在各省(市)電力公司陸續(xù)開展試點(diǎn)建設(shè)，并逐漸演變成目前變電站設(shè)計(jì)、建設(shè)的一種新模式。

經(jīng)過4年的設(shè)計(jì)、制造、施工、調(diào)試和運(yùn)行實(shí)踐，多裝配式變電站的設(shè)計(jì)和制造等核心技術(shù)逐步走向成熟，110 kV及以下等級的裝配式變電站技術(shù)日趨完善并往智能化方向邁進(jìn)。個(gè)別省(市)已經(jīng)開始試點(diǎn)建設(shè)220 kV裝配式變電站，例如江蘇位莊220 kV變電站，建設(shè)規(guī)模達(dá)到3×240 MV·A+1×40 MV·A。據(jù)了解，目前已投產(chǎn)的35 kV電壓等級的裝配式智能變電站建設(shè)周期控制在3個(gè)月以內(nèi)；110 kV電壓等級可將建設(shè)周期控制在6個(gè)月以內(nèi)，其中現(xiàn)場施工僅需75 d。

2 分布式能源系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)

分布式能源系統(tǒng)是相對于大電網(wǎng)能源集中的生產(chǎn)方式而言的，是靠近用戶端直接向用戶提供各種形式能源的中小型終端供能系統(tǒng)。分布式能源系統(tǒng)包含燃?xì)饫錈犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電、光伏發(fā)電等多種形式。冷熱電三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)是分布式能源系統(tǒng)的主要實(shí)現(xiàn)形式，即將高品質(zhì)的電能與低品質(zhì)的熱、冷能這3種能源有效地結(jié)合成一個(gè)系統(tǒng)，從而達(dá)到能量的梯級利用，提高能源利用率。

3 應(yīng)用方案分析

本文以某分布式能源項(xiàng)目為背景，淺析裝配式智能變電站在區(qū)域式分布式能源項(xiàng)目的主要設(shè)計(jì)方案和應(yīng)用優(yōu)勢。

3.1 項(xiàng)目背景

系統(tǒng)裝機(jī)方案為2×33 MW燃?xì)廨啓C(jī)(LM2500+G4 RD型)+1×4.6 MW次高溫次高壓背壓機(jī)+1×6 MW供熱抽凝式汽輪機(jī)的聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，總裝機(jī)容量為76.6 MW(2×33 MW+1×4.6 MW+1×6 MW)。能源站采用110kV電壓等級接入系統(tǒng)；廠用電采用10 kV/380 V 2種電壓等級。

3.2 電氣主接線

2×33 MW燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組采用發(fā)電機(jī)-變壓器組單元接線，經(jīng)主變壓器升壓至110 kV，接入廠內(nèi)110 kV配電裝置；2臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)組接入10 kV機(jī)壓母線段，經(jīng)1臺(tái)主變壓器升壓至110 kV接入廠內(nèi)110 kV配電裝置。以上發(fā)電機(jī)均設(shè)置發(fā)電機(jī)出口斷路器(GCB)。

設(shè)置3段10 kV廠用電母線，燃?xì)廨啓C(jī)廠用電電源T接于燃?xì)廨啓C(jī)出口斷路器之后，蒸汽輪機(jī)廠用電直接接自機(jī)壓母線段。

3.3 設(shè)計(jì)方案

分布式能源站中電氣設(shè)備的配置不同于常規(guī)電網(wǎng)項(xiàng)目，也與火力發(fā)電廠的電氣部分有所差異。分布式能源站往往位于冷熱電負(fù)荷中心，直接向經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)、工業(yè)園區(qū)、大學(xué)、醫(yī)院和商業(yè)中心等區(qū)域供應(yīng)各種能源，這些區(qū)域的主要特點(diǎn)是土地資源緊張，價(jià)格昂貴。能源站設(shè)計(jì)必須要與周圍建筑協(xié)調(diào)一致，設(shè)備布置應(yīng)因地制宜，節(jié)約投資，設(shè)計(jì)理念要體現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)性、靈活性、安全性、可靠性及智能性的特點(diǎn)。

遵循裝配式變電站設(shè)計(jì)理念進(jìn)行分布式能源站項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)，既要改變傳統(tǒng)火力發(fā)電廠的設(shè)計(jì)模式，也不能完全照搬電網(wǎng)變電站的設(shè)計(jì)方法。筆者在進(jìn)行該項(xiàng)目電氣設(shè)計(jì)時(shí)，盡可能選用免維護(hù)的、集成度及智能化程度較高的設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)分布式能源站的單元化和智能化。

3.3.1 模塊劃分

對分布式能源站進(jìn)行裝配式設(shè)計(jì)，首先就要對電氣設(shè)備進(jìn)行模塊化劃分，將電氣設(shè)備按其功能劃分為不同的模塊，然后對模塊進(jìn)行合理布置。模塊供應(yīng)廠家按照設(shè)計(jì)要求在工廠進(jìn)行模塊化生產(chǎn)、組裝和預(yù)調(diào)試，最后整體運(yùn)至工程現(xiàn)場進(jìn)行模塊安裝、組合和調(diào)試。

該案例中能源站電氣部分主要分為燃?xì)廨啓C(jī)電氣模塊、蒸汽輪機(jī)電氣模塊、主變壓器模塊、110 kV配電模塊、化學(xué)站用電模塊、水工站用電模塊、制冷站用電模塊、其他生產(chǎn)辦公用電模塊、發(fā)電廠電氣監(jiān)控系統(tǒng)(ECMS)、通信系統(tǒng)(含站內(nèi)通信及系統(tǒng)通信)等。

3.3.2 模塊功能

(1)燃?xì)廨啓C(jī)電氣模塊：集中設(shè)置2臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)出口高壓電氣設(shè)備、高/低壓廠用電設(shè)備、燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)保護(hù)控制等。

(2)蒸汽輪機(jī)電氣模塊：集中設(shè)置2臺(tái)蒸汽輪機(jī)出口斷路器設(shè)備、高/低壓廠用電設(shè)備、勵(lì)磁設(shè)備、保護(hù)測控設(shè)備、同期設(shè)備等。

(3)升壓兼?zhèn)溆米儔浩髂K：每個(gè)模塊設(shè)置1臺(tái)變壓器及相應(yīng)變壓器本體進(jìn)/出線端子、控制設(shè)備等。

(4)110 kV配電模塊：設(shè)置全站氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備(GIS)、110 kV各間隔保護(hù)測控裝置、變壓器保護(hù)測控設(shè)備等。

(5)化學(xué)站用電模塊：化學(xué)專業(yè)相關(guān)高/低壓站用電設(shè)備及相應(yīng)的保護(hù)測控裝置。

(6)水工站用電模塊：水工專業(yè)相關(guān)高/低壓站用電設(shè)備及相應(yīng)的保護(hù)測控裝置。

(7)制冷站用電模塊：暖通專業(yè)相關(guān)高/低壓站用電設(shè)備及相應(yīng)的保護(hù)測控裝置。

(8)其他生產(chǎn)辦公用電模塊：生產(chǎn)、生活用電配電設(shè)備。

(9)ECMS：包含分散安裝的保護(hù)測控裝置、遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)、綜合自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、站用直流系統(tǒng)、站用不間斷電源(UPS)系統(tǒng)等。

(10)通信系統(tǒng)：站內(nèi)通信設(shè)備、站外通信設(shè)備等。

3.3.3 電氣設(shè)備選型、布置方式及土建

(1)考慮緊湊型、免維護(hù)型預(yù)裝式變電站設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想，電氣開關(guān)設(shè)備盡量選擇各種封閉式組合電器作為進(jìn)線模塊的基礎(chǔ)；主變壓器高壓側(cè)采用可拔插的電纜附件或油氣套管與進(jìn)線模塊相連，低壓側(cè)可以考慮電纜或金屬排2種出線方式；10 kV配電裝置主要考慮采用緊湊型SF6氣體開關(guān)柜，其體積小、質(zhì)量小、維護(hù)量小、吊裝和運(yùn)輸方便，提高了出線模塊拼裝模式的可行性。

(2)電氣二次部分保護(hù)測控裝置可分散布置于開關(guān)設(shè)備內(nèi)，各裝置間經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通信線連接，可大大減少二次電纜用量并降低現(xiàn)場敷設(shè)電纜、接線、調(diào)試的工程難度。

(3)建筑物主體及圍墻可采用裝配式結(jié)構(gòu)，在施工現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)一次就位和安裝。

3.3.4 模塊化設(shè)備布置

能源站采用緊湊型總體布置方案，各專業(yè)界限應(yīng)簡潔、清晰。將電氣設(shè)備劃分為相應(yīng)功能模塊后，因地制宜分布于能源站各功能區(qū)。

考慮燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)出口電氣接線及廠用電負(fù)荷分布情況，將燃?xì)廨啓C(jī)電氣模塊布置于2臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)之間，在燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)出口附近，靠近主變壓器低壓側(cè)。

根據(jù)蒸汽輪機(jī)專業(yè)提供的資料，蒸汽輪機(jī)電氣模塊可考慮布置于蒸汽輪機(jī)主廠房B列柱外。

結(jié)合主變壓器高壓側(cè)接線及110 kV出線方向終端塔的位置，在能源站總平面布置中，110 kV配電模塊可布置在主變壓器10 m外一處靠近終端塔的空地。

其他各專業(yè)高、低壓配電模塊根據(jù)相應(yīng)專業(yè)建筑設(shè)置靈活考慮。

3.4 優(yōu)勢分析

分布式能源項(xiàng)目遵循裝配式變電站的設(shè)計(jì)理念，改變了傳統(tǒng)火力發(fā)電廠的建設(shè)模式和外觀，將高聳于戶外的高壓電氣設(shè)備布置于建筑設(shè)施內(nèi)，使其外觀整齊，布置靈活，節(jié)省占地面積；保證安裝質(zhì)量，提高工作效率；能源站運(yùn)行時(shí)各模塊功能清晰，運(yùn)行維護(hù)量小，操作流程簡單，誤操作的幾率大大降低。

4 結(jié)束語

本文對裝配式智能變電站的建設(shè)優(yōu)勢進(jìn)行分析，探索裝配式變電站應(yīng)用于分布式能源建設(shè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)思路，促進(jìn)制定并完善燃?xì)夥植际侥茉错?xiàng)目的設(shè)計(jì)、加工、施工、管理、定額等標(biāo)準(zhǔn)，從而有效地控制工程質(zhì)量、建設(shè)周期和工程造價(jià)，使分布式能源項(xiàng)目建設(shè)走向科技含量高、資源消耗低、環(huán)境污染少、精細(xì)化建造的道路。

參考文獻(xiàn)：

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