基于電纜增容的上海市中心城區(qū)節(jié)能減排實(shí)踐

賀 林 李紅雷 華東電力試驗(yàn)研究院有限公司

1 前言

隨著城市發(fā)展，上海中心城區(qū)電力需求不斷上升，加之近幾年上海電網(wǎng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椤皬?qiáng)饋入弱開(kāi)機(jī)”運(yùn)行模式，出現(xiàn)了局部熱點(diǎn)地區(qū)負(fù)荷較重、部分220 kV電纜通道存在潮流重載的問(wèn)題，已成為上海電網(wǎng)中的關(guān)鍵輸電瓶頸，制約了地區(qū)供電能力，降低了供電安全性。上海閘電燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電廠是上海電網(wǎng)楊行分區(qū)的電源點(diǎn)，也是上海電網(wǎng)的調(diào)峰電廠和黑啟動(dòng)電廠。閘北、鋼鐵和森林等局部區(qū)域220 kV熱點(diǎn)地區(qū)對(duì)外聯(lián)絡(luò)線中蘊(yùn)鐵2210線為400導(dǎo)線，閘蘊(yùn)2205/2268均為電纜線路，區(qū)內(nèi)閘蘊(yùn)輸電通道在閘電燃機(jī)電廠長(zhǎng)期發(fā)電頂潮流下仍存在潮流重載問(wèn)題，且存在220 kV電纜段雙線阻抗不匹配，部分220 kV電纜更易過(guò)載的問(wèn)題，需要閘電燃機(jī)長(zhǎng)期開(kāi)機(jī)來(lái)緩解潮流過(guò)載問(wèn)題，在用電高峰時(shí)期必須大開(kāi)機(jī)甚至過(guò)夜運(yùn)行，降低電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。僅2013年，閘電燃機(jī)電廠全年發(fā)電量就高達(dá)5.35億度，折耗標(biāo)煤21.61萬(wàn)t，排放二氧化碳59.86萬(wàn)t，嚴(yán)重影響環(huán)境。通過(guò)電纜增容運(yùn)行，可以避免電廠長(zhǎng)期發(fā)電，降低能耗，減少排放，保護(hù)環(huán)境，提升附近居民生活質(zhì)量。

圖1 閘北、鋼鐵、森林地區(qū)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)圖

2 地區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)分析

隨著城市發(fā)展，上海中心城區(qū)電力需求不斷上升，加之近幾年上海電網(wǎng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椤皬?qiáng)饋入弱開(kāi)機(jī)”運(yùn)行模式，出現(xiàn)了局部熱點(diǎn)地區(qū)負(fù)荷較重、部分220 kV電纜通道存在潮流重載的問(wèn)題，已成為上海電網(wǎng)中的關(guān)鍵輸電瓶頸，制約了地區(qū)供電能力，降低了供電安全性。閘北、鋼鐵和森林地區(qū)即為其典型代表，該地區(qū)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該地區(qū)是上海中心城區(qū)供電比較薄弱的區(qū)域，且該地區(qū)重要負(fù)荷較多，包括鋼鐵企業(yè)、軍事設(shè)施、三甲醫(yī)院、大型商業(yè)廣場(chǎng)以及大量居民負(fù)荷，對(duì)供電可靠性要求較高。

區(qū)域內(nèi)有鋼鐵、森林、新江灣等220 kV變電站，主要由某電廠以及蘊(yùn)藻浜站進(jìn)行供電，而且蘊(yùn)藻浜站兩回出線電纜阻抗不匹配，并列運(yùn)行潮流相差較大，一旦2205線故障，2268線易發(fā)生過(guò)載，導(dǎo)致斷面限額較低，迫使某電廠需要長(zhǎng)期開(kāi)機(jī)來(lái)降低斷面輸送潮流。這一狀況不僅影響該地區(qū)運(yùn)行方式安排、降低了地區(qū)用電可靠性，而且在用電高峰時(shí)期電廠必須大開(kāi)機(jī)甚至過(guò)夜運(yùn)行，降低電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

因此，蘊(yùn)藻浜——閘北斷面輸電能力需要進(jìn)一步提升，而將2268線更換較大截面電纜的建設(shè)費(fèi)用需要約1億元，相比之下，若對(duì)該回電纜實(shí)施增容，可達(dá)到節(jié)能減排效果。

3 電纜增容工程實(shí)施

2268線總長(zhǎng)6.7 km，全程排管敷設(shè)，敷設(shè)環(huán)境包括工井、電纜溝道（空氣中敷設(shè)）、排管，各位置鄰近的電纜的數(shù)量、電壓等級(jí)、負(fù)荷情況各不相同，排管結(jié)構(gòu)也有所不同，因此對(duì)工井進(jìn)行了逐個(gè)排查分析（見(jiàn)圖2），確定可3個(gè)工況最惡劣電纜段開(kāi)展分析計(jì)算。

排查結(jié)果表明2268電纜全線發(fā)熱最大、工況最惡劣的是位于蘊(yùn)藻浜站和第一個(gè)中間接頭之間的電纜段（1），其載流量明顯低于其他電纜段。

該位置電纜敷設(shè)于24孔水泥排管內(nèi)（圖3），該處排管分4層，第1層4孔（內(nèi)徑175 mm），第2層6孔（內(nèi)徑175 mm），第3、4層均7孔（內(nèi)徑150 mm）。該處排管埋深為0.5～1.0m（排管和地面的距離），共敷設(shè)有1回220 kV電纜和10回35 kV電纜。10回35kV電纜均為3×400截面的交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜。

圖2 全線瓶頸點(diǎn)分析

圖3 瓶頸點(diǎn)排管結(jié)構(gòu)

根據(jù)IEC60287標(biāo)準(zhǔn)中的電纜載流量計(jì)算理論，影響電纜載流量的主要外部因素包括鄰近電纜負(fù)荷、土壤熱阻系數(shù)、混凝土熱阻系數(shù)、土壤溫度、排管埋深等。對(duì)該瓶頸點(diǎn)進(jìn)行建模計(jì)算得到了各因素對(duì)2268電纜載流量影響的程度差異見(jiàn)于表1。

表1 各因素對(duì)2268線載流量的影響

在表1所列各影響因素中土壤熱阻系數(shù)和混凝土熱阻系數(shù)可歸結(jié)為對(duì)外部熱阻的影響（確定值），地溫通過(guò)每天測(cè)量鄰近土壤的溫度獲得（實(shí)測(cè)值），電纜埋深由設(shè)計(jì)圖紙確定（確定值），而對(duì)2268線載流量影響最大的臨近35 kV電纜負(fù)荷則是實(shí)際運(yùn)行中可以控制的因素。

根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，電網(wǎng)春秋季的最高負(fù)荷不到夏季最高負(fù)荷的60%，因此，可以確定實(shí)施增容前該排管內(nèi)每條35 kV電纜的夏季最大負(fù)荷，將其60%作為春秋季的長(zhǎng)期負(fù)荷。為留出一定的安全于都，在計(jì)算中，初步假定35 kV電纜始終工作在長(zhǎng)期負(fù)荷（如表2）。

表2 排管內(nèi)35kV電纜電流 A

由此計(jì)算得到不同地溫條件下的春秋季載流量限額見(jiàn)表3。

表3 春秋季載流限額表

在冬夏季用電高峰期間，通過(guò)對(duì)2268電纜運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量以及臨近電纜負(fù)荷的精細(xì)化控制，可在原有基礎(chǔ)上提高其夏季載流量限額。

圖3中2268電纜同排管內(nèi)共敷設(shè)有10回35 kV電纜，其中3回長(zhǎng)期以來(lái)電流都很小（2012年最高負(fù)荷日電流分別為2.8 A、8.2 A、42.8 A）。正常情況下可將其電流分別限制在：30 A、40 A、50 A以下。針對(duì)剩余負(fù)荷較大的7回35 kV電纜（2012年最高負(fù)荷均超過(guò)200A），下面列出了2種典型的夏季限流方式的計(jì)算結(jié)果（冬季高峰期間計(jì)算方式與之類似）。

（1）7回35 kV電纜全部限制

如將7回35 kV電纜限制在夏季最高負(fù)荷的100%、85%、60%、50%以內(nèi)，則2268電纜在地溫28℃下的輸送容量如表4所示。

表4 限制7回電纜負(fù)荷后的2268容量（地溫28℃）

（2）僅限制最靠近的3回35kV電纜

如限制最靠近2268線的3回35 kV電纜的負(fù)荷，可以有效提高2268的輸送容量。計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 限制最靠近的3回電纜負(fù)荷后的2268的輸送容量

5 增容實(shí)踐成效

（1）實(shí)際增容效果

2268電纜從2013年1月開(kāi)始實(shí)施輸送能力提升運(yùn)行，全年的載流量計(jì)算值都超過(guò)2268原限額。在2013年夏季最高負(fù)荷日達(dá)到了674.6 A（257 MVA），地溫為28.8℃。而該電纜原限額是523 A（199 MVA），實(shí)際運(yùn)行增容了28%。增容效果顯著。

增容運(yùn)行期間，根據(jù)2268光纖測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)，對(duì)電纜運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了跟蹤分析，在最高負(fù)荷日（8月5日），通道內(nèi)溫度仍滿足要求，所以電纜增容發(fā)熱不會(huì)威脅其安全運(yùn)行。

（2）節(jié)能減排效果

實(shí)施增容之前一年，該電廠全年發(fā)電量5.35億度，折耗折耗標(biāo)煤21.61萬(wàn)t，排放二氧化碳59.86萬(wàn)t，SO2排放量1421.95 t，NOX排放量1 506.99 t，顆粒物排放量102.69 t。實(shí)施增容后，電廠全年發(fā)電量1.96億度，實(shí)現(xiàn)節(jié)能量9.165萬(wàn)t標(biāo)煤，二氧化碳排放量下降了63.36%，SO2排放量削減61.40%，NOX排放量削減58.94%，顆粒物排放量削減62.95%，節(jié)能減排效果明顯，產(chǎn)生了良好的社會(huì)效益。

（3）創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益

由于實(shí)施2268電纜增容運(yùn)行，該電廠的開(kāi)機(jī)方式全面優(yōu)化（開(kāi)機(jī)時(shí)間和啟停次數(shù)大幅減少）。增容運(yùn)行前年發(fā)電量為53 507萬(wàn)kWh，增容運(yùn)行后發(fā)電量?jī)H為19 602萬(wàn)kWh，發(fā)電量累計(jì)減少63.36%（33 905萬(wàn)kWh），該電廠的燃料是重油、成本很高，約為1.7元/kWh，而上海的火電廠上網(wǎng)電價(jià)一般為0.46元/kWh，由此簡(jiǎn)單估算，全年減少發(fā)電燃料成本為4.2億元。如將2268電纜更換為較大截面電纜，建設(shè)費(fèi)用需要約1億元，而實(shí)施了2268輸送容量提升工程后，可節(jié)省電纜更換的費(fèi)用。直接經(jīng)濟(jì)效益明顯。

（4）對(duì)電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行的效益

2268電纜輸送能力提升后，充分發(fā)揮了該電纜載流能力，相應(yīng)提高了閘北～蘊(yùn)藻浜斷面穩(wěn)定限額，降低閘北～蘊(yùn)藻浜斷面潮流重載程度，有效提高閘北、森林、鋼鐵地區(qū)對(duì)外通道的交換能力，滿足地區(qū)負(fù)荷用電需求，大大增強(qiáng)該地區(qū)電網(wǎng)供電的靈活性和可靠性。同時(shí)減少對(duì)閘北地區(qū)電廠開(kāi)機(jī)方式的限制，緩解閘北和該電廠機(jī)組開(kāi)機(jī)壓力，確保一般高峰負(fù)荷下閘北地區(qū)不開(kāi)機(jī)時(shí)的該地區(qū)電網(wǎng)供電安全可靠性，為將來(lái)該電廠關(guān)停創(chuàng)造條件。

上海大都市電網(wǎng)電纜化率高，且多個(gè)熱點(diǎn)地區(qū)220 kV電纜存在增容需求，因此該項(xiàng)實(shí)踐工作也為上海中心城區(qū)其他電纜輸送能力提升提供借鑒和參考，推廣應(yīng)用前景廣闊。