大型電力工程項目建設中關于電氣優化設計的思考

黃裕忠

（華電江蘇能源有限公司 句容發電廠，江蘇 句容 212400）

大型電力工程項目建設中關于電氣優化設計的思考

黃裕忠

（華電江蘇能源有限公司 句容發電廠，江蘇 句容 212400）

大型火電工程項目建設需經歷可行性研究、初步設計、施工圖設計、施工調試及運行優化等環節。對電氣專業優化的以下幾方面進行述說：電氣優化的階段工作、開展設計優化采取的措施，優化設計的主要專題及優化設計的重點、難點。在滿足規程、規范的條件下，從可靠性、靈活性、先進性、實用性、經濟性比較，希望在設計、選型、施工各環節進行優化，使項目建設降本增效，保證企業利益最大化。

大型火電工程項目建設；設計優化；電氣

0 引言

大型火電工程項目建設在確保安全生產及設備質量、可靠性，通過優化設計很好地實現降本增效，是每個建設項目追求的目標。火電工程的開發建設需要經過初步可行性研究、可行性研究、初步設計、設計、施工準備和施工等階段，項目建設投資大、范圍廣、周期長，每個階段均有方案優化的比較，可以減少失誤和避免差錯。通過近十幾年火電工程項目建設的實際經驗和探索，總結出進行優化設計的主要優點有如下幾個方面：1）節約直接投資成本；2）提高了機組的可靠性和效率；3）降低施工難度，減少工作量，縮短工程的周期；4）在試運及投產后能保證機組的穩定運行。開展好火電工程的優化設計，能取得巨大的經濟效益，是項目建設中最重要的環節之一。

優化設計一般是在典型設計或初步可行性研究、初步設計的基礎上，依據電源規劃、結合工程特點及其他同類型機組設計的經驗進行的。項目從規劃選址到投產可以開展的優化設計階段主要有[1]：1）前期階段的優化設計，如：在前期立項，項目的規劃、投資能力、戰略發展等宏觀方面，對工程的總投資影響巨大是宏觀方面較多。2）可行性研究及初設計階段的優化設計。如：主要考慮廠址、出線、運輸、煤種、水源、貯灰、地址、主要設備、廠房布置、施工臨建布置等一系列的細節方面的優化設計，期間涉及電氣專業優化的方案也較少。3）設計工作和施工調試階段的優化設計工作，本階段涉及電氣相關方案比選情況多，是工程設計優化過程中關鍵階段，對工程的達標投產和實現優質工程起著很大的作用。

1 具體優化設計各階段主要工作

1.1 初步優化設計階段

該階段是工程建設中非常重要的設計階段，期間電氣專業主要的優化設計工作是：1）電源與電網的情況，建設的規模和系統（本期和遠期）連接方式，裝機的容量等；2）電氣主接線的方案的比較、各級電壓等級、負荷、主變壓器的選擇（結構型式、冷卻方式、容量、分接）等；3）短路電流的計算及設備的選擇（通過專業化軟件，確定主接線型式、運行方式，設備選擇）；4）直流系統的接線方式和負荷計算，蓄電池、充電裝置選擇；5）電氣設備的布置（主要是電氣建筑物、構筑物內電氣設備布置方案的比較，對電纜施用量和橋架、施工有很大的影響）；6）二次設備（繼電保護，自動裝置，信號、測量、網絡通信、遠動裝置）的選擇；7）其他部分（接地、過電壓、防雷、照明、起動設備、檢修、通風）等。

在采用新技術、典型設計、設計專利的基礎上，對上述問題進行比較論證，是對方向性和功能性的總體優化，對工程的投資起著關鍵的作用。

1.2 施工圖優化設計階段

該階段是初步設計的進一步深入，是對初步設計的準確表述，施工圖優化設計階段是具體優化設計最重要的階段，能否在投產后成為一流工程、金獎工程，該階段是基礎中的基礎，特別是主設備的優化是本階段的重點、要點。

1.2.1 大型發電機的選擇

目前國內大型發電機的制造商為上海電氣、東方電氣、哈爾濱電氣，三家發電機效率基本相同均在99%以上。由于發電機的冷卻系統不同，引起機組的結構就不完全相同，目前由于上海電氣集團生產的汽輪機效率最高，且發電機與汽輪機連接在一起，國內一般發電機組和汽輪機是配套使用。據統計目前已投運的1000MW汽輪發電機組采用上海電氣生產的1000MW汽輪發電機大約占60%以上。

1.2.2 主變壓器選擇

1000MW汽輪發電機組配套的大型主變壓器，主要有三相一體和三相分體式變壓器兩種。

在2009年前，由于三相一體變壓器制造技術受限，變壓器低壓側電流大，高壓側電壓高，在短路時電動力很大；此外由于電流的趨膚效應，鐵芯的磁場飽和等影響，變壓器內部熱耗較大，變壓器冷卻及單件超450噸運輸也成為很大的問題；三相一體變壓器只有進口產品，其造價就不低于三相分體變壓器。2009年后在導線和硅鋼片及制造工藝的進步之后，第一臺合資品牌的三相一體變壓器（常州東芝變壓器廠生產）的投運。經過多年運行，三相一體變壓器性能和參數均高于三相分體變壓器，并且其投資造價比同容量的變壓器價格減低20%以上，性價比就大大提高，如果三相一體變壓器能有較好運輸條件（可以水路運輸），不受限體積大、重量大的情況下，采用三相一體變壓器具有以下主要優點：1）造價低；2）安裝場地小；3）施工方便；4）維護工作量少等。

1.2.3 廠用電系統

廠用電系統是火力發電廠的重要動力設備。合理的廠用電接線對保證機組的安全正常連續運行，降低電氣設備損耗，方便操作和維護，節省造價和投資有著重要的作用。隨著新工藝、新技術、新方案不斷成功應用，廠用電系統負荷的組成結構也發生了變化，例如：1）由于給水泵由電動方式采用汽動方式，引風機由電動方式采用汽動或變頻方式，高壓廠用變壓器（高壓起動備用）的短路電流和高壓電動機起動時的最低電壓；2）利用電動給水泵只作為機組起動時使用而不作為備用使得高壓廠用負載容量顯著降低；3）采用節能設備；例如：電氣除塵器采用高頻電源，調試采用變頻及永磁等方式，啟動采用軟啟動、變頻等方式。以上新工藝、新技術、新方案的使用，目前百萬機組廠用電率最低設計值已小于3%，對廠用電系統進行優化設計將具有重要的意義。

對于廠用電優化設計，主要考慮以下因素：1）充分保證系統接線的可靠性，滿足各種供電負荷對供電質量的要求，降低電廠廠用電全停的可能性；2）在保證可靠性的前提下，減少不必要的備用，盡量簡化系統配置，節省投資；3）正常運行的情況下，盡量避免啟動/備用變壓器帶機組或公用負荷長期運行；4）根據工藝負荷的配置，合理地選擇變壓器的容量和臺數，盡量減少電氣設備的配置數量，簡化廠用電接線，降低故障率，提高廠用電運行的可靠性；5）充分考慮系統接線的靈活性，有利于運行維護，方便設備檢修；6）近年來，隨著國內陸續興建大容量火電機組，幾個主要變壓器生產廠家對分裂結構高壓廠用變壓器（起動/備用變壓器）做了很大改進，大容量分裂結構高壓廠用變壓器（起動/備用變壓器）得以制造并投運；7）按照21世紀示范電站思路，進行模塊化設計和優化；8）每臺機組的高低壓母線段盡可能采用相同配置，方便運行管理，同時提高設備的互換性，減少工程設備的備用裕量，減少投資，降低造價；9）利用高效節能型產品減少廠用電系統的總負載。

2 開展優化設計采取的措施

2.1 選擇技術力量雄厚、實力強大的設計單位

俗話說設計是工程建設的“龍頭”，大型電力設計是綜合性的應用技術學科。一個優秀、實力強的設計單位，其專業技術人員業務水平高，經驗豐富，可以借鑒以往設計項目、工程的得失，把成功的專利應用到以后項目的設計工作中。根據項目特點，提出獨到的見解，以設計工作符合國家的基本建設為主要原則，逐漸深入到具體的方案，由宏觀到細微、逐步充實、循序漸進，保證設計總體優化。充分利用公開招標的方式，通過專業技術人員對設計方案進行對比、評優，確定符合要求的設計單位。

經過公開招標，由于參加設計單位較多，可以發現擁有建成相同容量的項目越多的設計單位，其設計方案的深度相較而言會有更多獨到之處。由于設計費用在整個項目比重中所占相對很小，因此花較小的成本選擇一個優秀的單位是很值得的。對于大型電力項目，一個優秀的設計團隊可以將優化實際貫穿工程的始終。所以，在項目的初步可行性研究階段選擇優秀設計單位是工程取得成功的重要因素之一。

2.2 對優化方案進行充分論證、對比

通過設計招標，不同的設計單位會提出很多專題設計報告，并提出多角度方案論證。項目部專業人員要充分學習，進行對比分析，這部分對于項目的投資影響很大，需特別慎重。以下幾個電氣的重要專題方案需要著重考慮：1）主機設備的比選（發電機）、變壓器的選擇（主變壓器、高廠變、啟備變）、電氣主接線（包括啟動/備用電源引接）、廠用電系統電壓等級及接線方式、中壓封閉母線的選型等關鍵設備進行優化；2）廠用電率的設計優化；3）配電、控制小室的布置；4）廠用電監控系統應用，包括電氣設備智能控制（采用現場總線）等方式，分散就地布置；5）節能和綠色照明應用（采用高效的電力設備，例如：能耗低的變壓器、高效電動機、高頻電源、變頻裝置、照明節能）等。

2.3 拓寬優化設計的思路

每個工程各有特點，所以應該根據項目特點對技術的先進性、針對性、可靠性進行綜合考慮。項目單位和設計院可以充分利用收資調研及設計單位技術儲備和研究成果，并發揮與有關主要設備廠商的交流合作與技術積累，做到針對性強，系統設計、設備材料選型依據詳實合理。

在技術經濟指標上，需要對其先進性進行認真對比。在相同容量的機組中，通過高參數技術的運用，提高機組的效率、降低煤耗，做到技術經濟指標超過同類機組最好水平。在系統的配置上，要力求簡單實用，備用設備和備用容量應設置合理，選用優質高效的主輔機設備。在經濟、技術方面，優先采用經濟技術成熟技術，合理采用新工藝、新結構、新材料進行優化設計。對突破現行規程、規范的項目進行專題論證。優化廠區總體布置，根據設備和系統的功能要求合理設置，盡可能做到功能集中。通道和電纜合理，使得施工方便，并智能化工作控制系統設計的新思路，提高全廠綜合自動化水平，節省電纜。和其他專業間有機地協調、配合，避免各專業之間相互提供數據時層層放大裕量，致使安全系數及安全裕量過大，杜絕浪費現象。

另外利用先進的設計工具、軟件及其他的設計手段，進行優化設計，保證設計工作能最優服務工程要求。采用模塊化設計，優化布置，設備緊湊布置，電纜、橋架短捷，這樣可以縮短施工周期，降低工程造價。

3 電氣優化設計的主要專題

不同的項目必須采取針對性設計，大型項目一般需做以下專題，以便實現項目的設計15項優化工作：1）電氣主接線的優化設計；2）三大主機的對比（發電機所占的比重最小）；3）主變壓器選型專題優化；4）啟動/備用變壓器引接專題優化；5）中壓封閉母線的選型優化專題優化；6）電氣工藝系統主要輔機技術條件專題報告高壓廠用電電壓等級和接線選擇優化；7）低壓廠用電接線方案專題優化；8）高壓變頻電動機接線及保護配置方案專題優化；9）電氣監控管理系統應用方式專題優化；10）電除塵器電源系統應用研究專題優化；11）電纜敷設路徑專題優化；12）鋁合金電纜應用專題優化；13）綠色照明在電廠中的應用優化；14）廠用電率優化專題優化；15）變頻調速和永磁調速方案專題優化。由于每個項目具有不同的特點，本文不對電氣優化設計的主要專題進行展開述說。

4 優化設計的重點工作

4.1 主設備參數和設備選型

主設備的設計優化選型受到建廠的條件、電源點的規模和電網結構等因素影響，是項目規模和設計原則方案確定的基礎，對工程的投資起著決定性的因素。

主設備各項參數和性能指標確定，通過對技術先進性、經濟合理性、安全的可靠性的綜合對比，在符合國家技術政策和標準規范下，公開招標確定主設備。其優化作用在總的投資占比最高，同時，其經濟性受國家宏觀環境影響很大，不可控因數較大。所以需要慎重考慮。

4.2 主接線、廠用電的接線優化

主接線是電廠電氣設計的首要部分，不僅對電廠本體設備有影響，和電網的結構也密切相關，是發電廠與電力系統密切相關的紐帶。同時，主接線對電氣設備的選擇、配電裝置的布置、繼電保護和控制方式確定有很大的影響，是電氣優化設計中重點和難點。

在其設計階段，必須對可靠性、靈活性、經濟性三項基本要求進行對比分析，選擇最優方案。

對于一個新建項目，由于其容量不同、地位、作用不同，其可靠性要求是不相同的。應重點以國內外長期運行的實踐經驗作為對比的依據，進行定性分析。

靈活性是指滿足設備運行后在不同運行方式、檢修狀態和擴建時的影響，需要滿足系統在事故狀態、檢修方式、特殊運行方式供電的要求，是可靠性的補充[1]。

經濟性是每個優化設計工作的必備項，一般來說直接投資是重點關注的內容。除了特大型項目或特殊工程沒有完整的經驗數據，對于成熟的機型，一般會采用略低于設計概算的標準作為依據進行比較。對于經濟發達地區、城市和地質條件惡劣的地區，占地面積也是主接線考慮的重要因素之一。此外還需把運行期的能耗作為附加條件，進行經濟性綜合對比（尤其在廠用電接線的對比中，將高、低壓電動機的能效和價格作為重要指標進行定量分析，確定最經濟的方案）。

4.3 配電裝置和配電室的布置

大型火力項目機組，安全等級高，場地大，設備布置復雜，很多是在工業發達地區，由于地少人多，需節約用地，因此配電裝置和配電室的布置對整個投資影響較大。配電裝置的新技術、新設備、新材料、新結構、新布置在不斷創新發展中已通過國家、行業鑒定，廣泛應用，其優點有以下：1）投資減少、降低造價；2）便于安裝和檢修維護；3）減少用地，減低土建工程；4）提高運行和日常操作巡檢[1]。

配電室的優化布置，可以使項目總平面圖整齊清晰、美觀。大型火電項目電纜、光纜就像是神經系統，交叉輔助，且用量大。配電室的合理布置不僅大幅度減少的電纜、光纜的使用量，使通道更簡潔，交叉更少，安裝施工工程量明顯下降，同時減少投資，對整個工程非常重要。

5 優化設計的難點工作

5.1 電纜、橋架的優化工作

電纜、橋架設計優化非常復雜，牽涉專業多，每個工程各有特點，是施工圖優化設計中的一個重要環節。大型火電項目在主廠房內輔機對布置特殊性、工藝性能、參數的要求高。主管道的材料價格很高，對機組的性能影響很大；電纜和橋架由于比較容易施工，技術要求較低，可塑造性、可調節性更好，重要等級相對降低。因此，遇到主管道和功能要求較高的場所及消防要求等環境，電纜和橋架在途徑和通道一般均會避讓。

由于管道、工藝在施工圖設計階段才能體現，這會給電纜、電纜橋架正常設計增加難度和不確定性。電纜、橋架的美觀，通道的暢通，對工程的評比影響很大。近年來許多計算機輔助設計軟件應用，例如：PROMIS-E、CAD、數據庫、三維輔助敷設設計，給優化設計提供了可行性，為電纜敷設（含設備廠商供應電纜、光纜等）、通道圖、排列圖、封堵平面圖、斷面圖的模擬等提供了可行性[2-3]。

電纜、橋架優化設計采用電氣PROMIS-E，可以利用電氣原理接線圖設計，從工藝數據庫共享的電負荷，在廠用電原理接線圖的數據庫中進行配電的負荷分配。對廠用電原理接線設計已經確定的電氣參數，建立配置接線圖及其數據庫。從而利用PROMIS-E的數據庫中直接生成電氣設備表、原始電纜表、橋架表。利用托架設計軟件配合完成電纜清冊，建立生產原始的電纜通道。通過電纜通道、橋架三維模型生成電纜托架敷設空視圖，對通道的復雜部位進行優化、避讓，然后生成電纜橋架、立柱豎井、托架三維模型安裝圖，并與接線設計的原電纜表配合，生成電纜清冊，完成電纜和橋架的總體優化工作。在實際的施工過程中根據施工進度及現場實際情況，再進行完善優化處理。

利用打捆集中采購，建立合格供應商制度，公開招標，減低投資。同時，合理采用鋁芯電纜，通過優化處理，減少鋼鎧電纜的使用量，用普通電纜替代，也可以減少投資成本。該項經優化設計后，通過幾個大型工程對比，可以節約投資10%左右，按2臺百萬機組，電纜和橋架總概算為1億以上，可節約1000萬以上。

5.2 電氣監控系統優化

大型火力發電廠建設自動化水平的迅猛發展，電氣監控方式由于電子、軟件、通信、總線等技術的迅速發展，電氣自動裝置、保護裝置、測量裝置和就地測控設備等智能前端設備的成熟發展，為電氣系統的智能化、網絡化和信息化提供了重要的技術保證。

目前電力系統沒有統一、完整、系統的規范標準，電網公司的智能化變電所、五大發電集團的智能化電站的電氣現場監控制系統各有特色。目前，大型火力發電機組的電氣監控系統主要由以下三種：DCS、ECMS、DCS與ECMS結合的方式；其配置監控實施方式由以下三種：全通訊方式，ECMS僅作為監測用的硬接線+通訊監測方式和高低壓廠用電源監控由ECMS是實現的硬接線+通訊監控方式。

2010年前應用最多的是全硬接線方式，但技術與經濟適用性的角度看已經逐步被淘汰；全通訊方式因其多設備之間不同通訊規約之間的轉換引起的時滯，導致穩定性和實時性的問題難以化解，且其通信規約與熱控控制系統的規約配合難度，使用條件苛刻，很多項目由于沒有成熟經驗，制約方案的推廣。

目前大型火電機組統一采用的IEC61850通訊規約，根據《火力發電廠、變電站二次接線設計技術規程》所述：“發電廠電氣監控管理系統應根據電廠的控制方式統籌考慮，采用監控或監測方式。”目前國內大型火電機組運行最多的為硬接線+通訊監測方式，即ECMS系統采用監測方式，采用硬接線+通訊監測方案，由于ECMS系統與DCS系統通信，大量DCS系統所需的電氣系統信息量通過ECMS系統的主控單元傳送至DCS系統，減少了大量的I/O硬接線，從而避免了信息重復采集，減少了設備和電纜成本及運行維護費用。采用此方式，電氣控制納入DCS系統的同時，創建電氣相對獨立的監測系統，可以獨立完成監視、報警、統計計算、電能管理等功能，可以做到運行時，需要的維護人員少，節約了投資費用。

現場總線系統在2000后也在部分大中型火力發電廠電氣監控系統應用，相比于硬接線+通訊監測減少了電纜，但控制的可靠性會受環境因素的一定影響，干擾能力需要提高、在出現異常或報警時難以及時判斷。

隨著智能化技術發展和成熟，全通訊方式必將是電氣監控系統優化發展的方向。

6 結論

大型火電工程項目投資大，建設周期長，標準要求高，優化工作在項目建設中具有關鍵和決策性作用，可以推廣到項目的每個環節。其不僅體現在功能、指標、安全可靠性上，而且體現在投資成本控制、運行、檢修維護性上。結合實際工作中的經驗對項目過程中開展的部分方案進行一些對比優化工作，體會到大型機組優化設計工作是一個系統工程，每個項目特點不同，優化的側重點各不相同，需每位參加工程每位專業人員發揮自己的智慧，本文拋磚引玉，粗略地從設計的不同階段、對項目比較重要和難點的優化項目需要進行開展優化工作，談了一些體會，由于水平有限，難免有差錯，請批評指正；同時由于各個項目實際情況不同，優化設計工作雖然是一項費神，很耗腦力和體力的工作，但為了保證項目建成后能達到優質、高效，并打造成精品工程，一定是每位電力專有識之士終生追求的目標。

[1]戈東方.電力工程電氣設計手冊[M].北京：中國電力出版社，1987.

[2]江蘇華電句容二期（2×1000MW）高效潔凈超超臨界擴建工程勘察設計投標技術方案說明[Z].

[3]DL/T5164-2014，火力發電廠廠用電設計技術規定[S].

Design Optimization of Large-scale Thermal Power Project Construction

HUANG Yuzhong
（Huadian Jiangsu Energy Co.，Ltd，Jurong Power Plant，Jurong 212400，China）

Large-scale thermal power project construction needs to go through several procedures,such as the feasibility study,preliminary design,construction design,construction commissioning and operation optimization.This paper mainly focuses on the following aspects:electronic design optimization steps,design optimization measures,hot spot and difficulties of optimization.Compare the reliability,flexibility,advancement,practicality,economic condition under the constraints of regulations.Thus,the cost of the project will be deduced and the company will get the maximum profit by design optimization.

large-scale thermal power project construction； design optimization； electrical

TM645

B

2095-3429（2017）05-0026-05

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.05.006

2017-07-21

黃裕忠（1968-），男，工學碩士，高級工程師，高級技師，主要從事于高電壓技術及電氣優化設計方面的研究工作。