IGCC電廠電氣設計優化思路

姚 雯，張慧新

（中南電力設計院，湖北 武漢 430071）

IGCC電廠電氣設計優化思路

姚 雯，張慧新

（中南電力設計院，湖北 武漢 430071）

為優化整體煤氣化聯合循環發電（Integrated Gasification Combined Cycle， IGCC）電廠電氣設計，筆者對我國已投運的IGCC電廠投運一年來的運行情況進行了調研。本文通過對運行反饋信息進行分析，對后續IGCC項目的電氣設計提出了設計優化思路。

IGCC；電氣設計；優化。

1　概述

IGCC發電技術，將煤氣化、凈化與燃氣-蒸汽聯合循環發電有機結合，是未來高效超低排放煤基發電的重要技術方向。與傳統燃煤電廠相比，具有近零排放、高效率、資源利用充分、用水量少、適于調峰等優點。然而，其工藝系統和裝備復雜，工程造價高（大約是同規模燃煤電廠的2～3倍），運行廠用電率高，在我國設計和生產經驗尚未成熟，至今尚處在概念驗證和工業試點階段。以電氣專業設計為例，IGCC電廠的電氣系統總體設計原則和設計方法與常規燃煤電廠基本相同，但由于IGCC電廠工藝系統復雜，且跨越了電力和化工兩個行業，其電氣設計與常規燃煤電站相比有其特殊和復雜之處。

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

2　電廠主要電氣系統

該項目一期建設1×250MW級整體煤氣化燃氣-蒸汽IGCC機組，機組配置型式：1+1+1（1套燃氣輪發電機組、1臺余熱鍋爐和1套蒸汽輪發電機組），燃機發電機額定功率180MW，汽機發電機額定功率100MW，發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，廠內設220 kV戶內GIS配電裝置。

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

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

全廠起動/備用電源由廠內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

高壓廠用電系統采用10 kV一級電壓，高壓廠用電源由燃機發電機出口引接，設1臺分裂繞組高廠變和2段10 kV廠用工作母線，設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開關分別接在10 kVA、B段的方式，以避免發生2臺大電機接在同一段10 kV母線上的情況。

聯合循環發電、空分、氣化及凈化等裝置的負荷采用集中供電方式，設置電氣綜合樓。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。

設1臺1000kW柴油發電機組，為機組事故失電提供保安電源。

3　電氣系統運行反饋

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到其額定電流。投運至今變頻裝置未發現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備壽命。

對后續工程設計的啟示：空分裝置為電動機驅動時，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的習慣做法，將大型電動機采用單獨的變壓器供電，而不與其他用電負荷一起從同一母線供電。

3.1.2空分裝置采用電驅方式對啟動費用的影響

從空分裝置啟動到機組滿負荷，冷態啟動約65 h，熱態啟動約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；停機時最后停空壓機（氣化爐停即可停空分電動機）。為節省啟停費用，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；當停機時間超過3 d，則停運空分裝置。雖然電廠采用的是近年來制造及應用技術較為成熟的E級燃機，但是由于燃燒天然氣和合成氣的技術有所不同，燃機仍需要做特別設計，投產初期機組運行不穩定，啟停頻繁導致運行費用較大。

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

3.2電氣主接線方案

該電廠未裝設發電機斷路器，機組啟停電源通過起/備變引自廠內220 kV母線。由于投產初期機組運行不穩定，啟停頻繁，為避免廠用電切換失敗導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。雖然關口表裝設在線路上，由起/備變帶廠用電不會因購電導致運行費用增加，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GCB對機組運行可靠性是不利的。

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

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都不能保持穩定滿發，運行廠用電率更是偏大。2013年時穩定運行的廠用電率約為33%；2014年5月15-18日進行的綜合出力測試顯示，整套機組發電功率可穩定達到22萬kW，最高功率近23萬kW，穩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，當空分裝置采用電驅動時，廠用電率是比較高的。

對后續工程設計的啟示：由于空壓機和增壓機在機組運行期間持續以高負荷率運行，為選擇高壓廠用變壓器進行負荷計算時，不宜采用常規燃煤電廠的換算系數。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，建議后續工程在選擇高壓廠用變壓器時，應向化工島設計單位仔細了解負荷運行特性，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220 kV線路故障時，高廠變、起/備變均會失去電源，此時廠內交流應急停機負荷由交流保安電源系統供電。

電廠的交流保安電源系統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的柴油發電機組。

常規西門子或GE的E級燃機聯合循環機組所配保安電源柴油發電機組容量一般為1200 kW。可見，該廠采用西門子燃機，所配柴油發電機組容量與常規燃機聯合循環機組項目是相當的。但考量接入保安電源系統的負荷，化工島負荷是否接入保安有可商榷之處。一方面是化工行業一般沒有設置保安電源的做法，另一方面從其負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供電。如果不考慮這些化工負荷，柴油發電機組容量還可以進一步降低。

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

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荷共用母線供電，停機后空分裝置停運、母線電壓升高，導致很多照明燈具損壞。

對后續工程設計的啟示：當空分裝置的空壓機及增壓機與其他廠用高壓負荷共用母線時，建議照明與動力分開供電，設置專門的照明變壓器。

4　電氣設計優化思路

通過對已投運的IGCC電廠的調研，及對IGCC電廠電氣設計特殊問題的研究，對后續同類IGCC項目的電氣設計提出如下優化思路。

4.1空分裝置采用汽驅時設計優化思路

當具備合適的引接蒸汽的條件時，推薦配置汽驅壓縮機，實際上化工行業的空分裝置也多有采用汽驅方式，則電氣設計可做如下優化：

（1）高壓廠用變壓器容量降低

經初步估算，高廠變和起/備變容量可選擇55～60 MVA，與已投運IGCC電廠采用的68 MVA相比，容量降低較多。

（2）高壓廠用電系統可采用6 kV一級電壓

當IGCC電廠采用電驅空分裝置時，為滿足大容量電動機的啟動和運行要求，高壓廠用電系統采用10 kV電壓是合適的。當空分壓縮機采用汽驅方案、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濟性，高壓廠用母線短路水平亦未超出6 kV開關設備最大開斷水平，且電壓等級與常規發電廠工程一致更符合電廠運行習慣。

（3）技術指標優化

經初步估算，采用汽驅方案的廠用電率約為6%，大大低于已投運IGCC電廠設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，可節省投資數千萬元。在電氣綜合樓或其他場所節省了布置變頻啟動裝置所需的配電室面積。

4.2空分裝置采用電驅時設計優化思路

空分裝置為電動機驅動時，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，而不與其他用電負荷一起從同一母線供電。

當未單獨設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，設置專門的照明變壓器。

4.3電氣主接線優化思路

根據運行反饋，為提高機組運行可靠性，建議后續同類IGCC項目在燃機發電機出口裝設GCB。當主機考慮采用9F燃機時，相應GCB價格約400萬元/臺。考慮到IGCC電廠在我國運行經驗尚淺，機組啟動失敗后重新啟動耗費巨大，適當增加投資、提高可靠性是必要的。

5　結語

IGCC是高效、綠色優質能源，由于其工藝系統的復雜性，設計單位仍需針對其電氣系統設計的特殊問題進行深入研究。目前，根據已投運IGCC電廠的運行情況，暫對電氣系統設計提出以下幾點設計優化思路：

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

（2）當空分裝置采用汽驅方式時，建議高壓廠用電系統采用6 kV一級電壓。

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

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

［1］ 焦樹建.IGCC技術發展的回顧與展望［J］.電力建設，2009，30（1）.

［2］ GB 50660-2011，大中型火力發電廠設計規范［S］.

［3］ DL/T 5153-2014，火力發電廠廠用電設計技術規程［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，主要從事發電廠電氣設計工作。