電驅(qū)壓氣站供配電系統(tǒng)經(jīng)濟可靠性措施探討

夏平　羅榮馨

摘 要：電驅(qū)壓氣站主要是為提高天然氣長輸管道的輸氣量，為保證壓氣站的安全平穩(wěn)運行，必須對壓氣站配電系統(tǒng)進行安全可靠性設(shè)計，避免三相電壓不平衡度超標，同時要滿足天然氣管網(wǎng)增輸?shù)墓δ堋﹄婒?qū)壓氣站供配電系統(tǒng)經(jīng)濟可靠性措施進行了探討，提出了安全可靠性設(shè)計的原則，研究了將靜止無功發(fā)生器SVG補償技術(shù)應(yīng)用到治理電源三相電壓不平衡的可行性方案，同時針對站場變壓器常規(guī)設(shè)計已無法滿足用電負荷的情況提出了經(jīng)濟可行的解決措施。

關(guān)鍵詞：電驅(qū)；供配電；經(jīng)濟；可靠性；措施

中圖分類號：TE974 文獻標識碼：A

通常天然氣管道壓氣站的功能是提高輸氣的壓力，維持管道所要求的輸氣流量，主要設(shè)備是結(jié)構(gòu)緊湊、運行效率高的離心式壓縮機組。離心式壓縮機組為速度型壓縮機，只有在高速運行的情況下才能有效工作，按其驅(qū)動方式分為變頻電機驅(qū)動和燃氣輪機驅(qū)動，使用相應(yīng)驅(qū)動設(shè)備的壓氣站稱為電驅(qū)壓氣站和燃驅(qū)壓氣站。

大型變頻電動機驅(qū)動壓縮機具有運行穩(wěn)定可靠、維護和維修費用低、速度調(diào)節(jié)精度高、輸出效率高和環(huán)境污染小等優(yōu)勢，并且隨著我國電網(wǎng)架構(gòu)的完善和供電能力的提高，已經(jīng)逐步替代了故障率高和維修費用高的傳統(tǒng)燃氣輪機驅(qū)動方式，成為壓縮機組主流的驅(qū)動方式，特別是在經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)。以西氣東輸二線東段為例，已建成的11個壓氣站中有7座電驅(qū)壓氣站，每站1臺壓縮機組啟用，1臺備用。

隨著我國天然氣需求量逐年增加，在不增大管徑的基礎(chǔ)上，要提高管道的輸送量，必須要控制壓氣站壓縮機組的停機次數(shù)，保證機組的持續(xù)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。通過對西氣東輸二線電驅(qū)壓縮機停機次數(shù)的統(tǒng)計，供配電系統(tǒng)故障在電驅(qū)壓氣站壓縮機組停機中占46%以上，嚴重制約了電驅(qū)壓氣站的生產(chǎn)工作。為此，提高電驅(qū)壓氣站供配電系統(tǒng)安全可靠性，保證站場運行的經(jīng)濟性，對于天然氣長輸管道的平穩(wěn)運行和節(jié)能降耗具有重要意義。本文以西氣東輸二線某電驅(qū)壓氣站為例，在分析負荷特點及運行方式的基礎(chǔ)上，對電驅(qū)壓氣站的供配電系統(tǒng)存在的問題提出了安全可靠性措施，對變壓器的運行提出了優(yōu)化配置方案。

1.電驅(qū)壓氣站供配電系統(tǒng)

某電驅(qū)壓氣站屬于西氣東輸二線，主要任務(wù)為接收上游的來氣，經(jīng)過過濾分離和壓縮機組增壓后實現(xiàn)遠輸。電驅(qū)壓氣站的負荷等級為一級，主要負荷來自于3臺壓縮機（2用1備），特別是壓縮機電功率比較大，配套電壓應(yīng)該在10kV等級。按照可靠性的要求，常規(guī)設(shè)計采用雙重110kV電源供電，在壓氣站內(nèi)設(shè)置變電站。變電站的作用主要是作為電驅(qū)壓氣站的供電樞紐，為離心式壓縮機組變頻系統(tǒng)提供高壓電能，為站場的SCADA控制系統(tǒng)和ESD緊急切斷放空系統(tǒng)提供低壓電能，同時為站場用的泵機、空壓機和風(fēng)機提供動力支持。

變電站設(shè)計電壓為110kV，供電方式為雙回路供電。110kV、10kV及0.4kV母線均采用單母分段接線方式。3臺壓縮機組分配在兩段l0kV母線上（10kV兩進線開關(guān)及母聯(lián)開關(guān)處配置有一臺深圳國立智能公司SID快切裝置）。3臺壓縮機組均采用VSDS（變頻調(diào)速系統(tǒng)），主要配套設(shè)備為10kV高壓開關(guān)柜、三相油浸隔離變壓器、水冷變頻器、三相異步電動機。

2.電驅(qū)壓氣站供配電系統(tǒng)安全可靠性設(shè)計措施

2.1 供配電方式設(shè)計

電驅(qū)壓氣站負荷等級為l級，按照相關(guān)規(guī)定，一級負荷用戶應(yīng)具備2路電源供電，2路電源應(yīng)來自不同的變電站，當一路電源發(fā)生故障時，另一路電源能保證獨立正常供電。

該電驅(qū)壓氣站有兩臺離心壓縮機，每臺離心式壓縮機組都獨立配套驅(qū)動電機、變頻器、空冷器和馬達控制中心等，兩臺壓縮機的公用輔助設(shè)備包括空壓機、冷卻水塔和UPS。以前的設(shè)計供配電設(shè)計方式是離心式壓縮機掛在10kV母線上，輔助設(shè)備分配在兩端400V母線上，造成任何一段母線失電或者故障都會造成兩臺壓縮機無法正常運行，也無法完成輸氣任務(wù)。合理的供配電方案應(yīng)該是各壓縮機組配套的主設(shè)備和輔助設(shè)備都應(yīng)該按照電壓等級的不同垂直掛接在同一段母線上，壓縮機主設(shè)備掛在10kV母線上，其獨立配套的輔助設(shè)備掛在400V母線上。輔助設(shè)備在選型時盡可能選購偶數(shù)臺設(shè)備，并且平均分配在兩段400V母線上。

該電驅(qū)壓氣站設(shè)計除要遵循國家和電力行業(yè)的相關(guān)設(shè)計運行規(guī)范標準外，需要考慮電力設(shè)備預(yù)防性試驗和維檢修的需求，并保證壓氣站電力系統(tǒng)，特別是壓縮機組電驅(qū)系統(tǒng)抗“晃電”的能力。在預(yù)防性試驗要求上，電驅(qū)壓氣站變電站設(shè)計過程中要考慮變壓器、母線、絕緣子等設(shè)備系統(tǒng)預(yù)防性試驗的要求，確保試驗過程中能提供足夠的操作空間，能保證壓縮機組能進行切換作業(yè)實現(xiàn)斷路器、母線和繼電保護裝置的停用，同時能保證壓氣站輸氣工作的正常。在壓縮機變頻系統(tǒng)“晃電”影響上，可以采取在低壓部分設(shè)置工業(yè)UPS設(shè)備或者防止晃電的繼電器來保證避免晃電導(dǎo)致壓縮機停機，同時在高壓部分可以利用快切裝置與高壓變頻器相結(jié)合配置的手段來避免晃電的危害。

2.2 采用SVG系統(tǒng)治理三相電壓不平衡

由于該電驅(qū)壓氣站變電站上級電源110kV側(cè)母線上有鐵路部門牽引變電所負載，負載為非線性和沖擊性，會向電網(wǎng)注入大量的負序電流，導(dǎo)致其進線電源質(zhì)量比較差，主要表現(xiàn)在間歇性的三相電壓不平衡度超標，現(xiàn)場測試的結(jié)果表明電源的三相電壓不平衡度最大值為3.45%，已經(jīng)超過了國標限值2%的要求。電網(wǎng)三相電壓不平衡導(dǎo)致壓氣站變頻電動機進線電流存在較大的負序分量，最終使變電站保護動作、壓縮機電機軸承振動和站內(nèi)停電。由此可見，外電的電能質(zhì)量在一定程度上影響著壓氣站平穩(wěn)運行的安全可靠性。

電能質(zhì)量的治理可以在污染的源頭，就是對鐵路牽引變電站進行治理，但目前受供電部門的限制，只能在電驅(qū)壓氣站進行治理。根據(jù)我國電能質(zhì)量設(shè)備的發(fā)展狀況，選擇靜態(tài)無功發(fā)生器SVG進行治理。SVG主要由儲能裝置、電抗器、逆變器和無源濾波器組成，可以等效為可控電壓源，通過檢測和輸出負序電流來改變電網(wǎng)電壓，抵消由于背景電網(wǎng)引起的三相電壓不平衡。計劃投用的思源公司SVG主要是控制輸出負序電流來改變電網(wǎng)電壓，從而抵消上游電網(wǎng)引起的三相電壓不平衡，接線框圖如圖1所示，同時考慮到壓縮機組全部投用和當?shù)仉姎饣F路和企業(yè)的發(fā)展，容量定為6MVar。電驅(qū)壓氣站至SVG設(shè)備投用以來，較好的補償了供電系統(tǒng)中的負序電流、諧波電流和無功電流，三相電壓的不平衡度控制在1.4%以內(nèi)，系統(tǒng)的功率因素穩(wěn)定在0.98，不平衡度控制在1.4%以內(nèi)（如圖2所示），徹底解決了由于電能質(zhì)量問題導(dǎo)致的電機振動甚至停機的問題，保證了供配電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

該電驅(qū)壓氣站110kV變電站兩回路供電線路全長約為24kM，在壓氣站3臺壓縮機停用期間線路基本上就是在空載運行，因而產(chǎn)生了大量的無功功率，按照與供電部門簽訂的用電合同，功率因素低于0.9時會對該壓氣站進行罰款。采用SVG補償技術(shù)后，提高了壓縮機停機期間功率因素。

3.優(yōu)化電驅(qū)壓氣站供配電系統(tǒng)配置

由于西氣東輸電驅(qū)壓氣站的主要負荷是壓縮機組，負荷等級為一級，按照可靠性的要求，通常是采用110kV的電源供電，同時考慮到發(fā)展的預(yù)留，通常會配置2臺63000kVA的110/10kV變壓器，變壓器采用分列式運行方式，均互為熱備用，就是一臺故障時候，另外一臺變壓器全負荷運行。但隨著市場對天然氣的需求增加，X80鋼管的應(yīng)用，需要進一步提交壓縮機組的壓縮比，這就增加了用電負荷，需要采用新的配電方案來應(yīng)對負荷的增加。

通過對某電驅(qū)壓氣站用電負荷的預(yù)測，在2025年該站機組的配置將采用3用1備，用電負荷最大將超過常規(guī)電驅(qū)壓氣站的變壓器容量63000kVA，將達到75117kVA，這要求設(shè)計新的配電方案，即在原來變壓器配置上增加變壓器臺數(shù)或者增加變壓器的容量，同時需要對這兩種方案進行技術(shù)經(jīng)濟分析。

通過對變壓器設(shè)備參數(shù)的了解，對變壓器初始費用、電度費用等經(jīng)濟參數(shù)的統(tǒng)計，同時對壓縮機組要求變壓器初始負載、功率因數(shù)、年帶電小時數(shù)等運行參數(shù)的選擇，依據(jù)《配電變壓器能效技術(shù)經(jīng)濟評價導(dǎo)則》中綜合能效費用法對變壓器使用期間的費用進行計算，認為增加1臺變壓器的綜合能效費用要低于增加2臺變壓器容量的方案。在選擇配電方案的基礎(chǔ)上，同時考慮了3臺變壓器的運行方式，在2016年至2019年該站運行期間，可以采用2臺變壓器互為熱備的需要，1臺停用，就是在1臺變壓器出現(xiàn)故障時候，另外1臺變壓器能迅速投入使用。從不改變變壓器傳統(tǒng)設(shè)計2臺的基礎(chǔ)上，可以從優(yōu)化變壓器配置出發(fā)，考慮將站用的10kV變壓器和10kV隔離變壓器與兩臺110kV變壓器進行整合配置，調(diào)整隔離變壓器匹配壓縮機組工況，這樣有利于電驅(qū)壓氣站經(jīng)濟運行。在實際的運行過程中，需要進一步對壓縮機運行、變壓器配置和變壓器產(chǎn)品開展系統(tǒng)分析，確認3臺變壓器運行模式的經(jīng)濟性，控制綜合功率損耗，為后續(xù)的電驅(qū)壓氣站節(jié)能降耗提供寶貴的意見。

結(jié)論

隨著電驅(qū)壓氣站在天然氣管道上的應(yīng)用，其供配電系統(tǒng)對天然氣管道的平穩(wěn)運行越來越重要，特別是電網(wǎng)污染越來越嚴重，天然氣發(fā)電越來越普及，對電驅(qū)壓氣站配電系統(tǒng)的經(jīng)濟可靠性運行提出了挑戰(zhàn)。本項目的實施，特別是SVG補償技術(shù)在治理三相電壓不平衡的應(yīng)用和采用多臺變壓器來應(yīng)對用電負荷增加的方案，為今后電驅(qū)壓氣站外電質(zhì)量的治理工作提供了經(jīng)驗借鑒，為電驅(qū)壓氣站變壓器擴容提供了可行性的經(jīng)濟方案，在國家節(jié)能減排政策實施的條件下，具有廣泛的應(yīng)用價值。

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