國外大型火力發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)研究

楊光磊，張邦彬

(中國華電科工集團有限公司，北京 100160)

國外大型火力發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)研究

楊光磊，張邦彬

(中國華電科工集團有限公司，北京 100160)

通過對國內(nèi)外多個電廠的調(diào)研，對幾種不設置啟動/備用電源的廠用電接線形式進行了分析，并討論了公用段的設置問題及明備用的必要性；通過對2種方案的經(jīng)濟技術比較，得出了1種適用于東南亞地區(qū)火力發(fā)電廠的接線形式。通過在simulink環(huán)境下的仿真，表明這種接線方式是可行的。

廠用電；手拉手；simulink；明備用

0 引言

傳統(tǒng)的廠用電系統(tǒng)一般由1回引自當?shù)仉娋W(wǎng)的電源作為電廠的啟動/備用電源。隨著“一帶一路”戰(zhàn)略的實施，中國的電力投資逐漸向東南亞發(fā)展，已在越南、印尼等多國投資了若干大型發(fā)電廠。但是，當?shù)氐碾娋W(wǎng)系統(tǒng)較薄弱，且電廠和電網(wǎng)的產(chǎn)權等問題也涉及多方面因素，很多情況下不能向電廠提供啟動/備用電源。

本文為了克服這種困難，調(diào)研了國內(nèi)外多個電廠，對幾種不設置啟動/備用變壓器的接線方案進行了技術經(jīng)濟分析，并在simulink環(huán)境下對其電氣系統(tǒng)進行了正常運行和故障時的仿真，以期找到一種可靠性較高且操作靈活的、適用于國外大型電廠的高壓廠用電系統(tǒng)，為今后的國內(nèi)外電廠建設提供理論參考。

1 廠用電接線形式分析

1.1常規(guī)發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)

目前國內(nèi)大部分火電廠均設有接自當?shù)仉娋W(wǎng)的啟動/備用變壓器，作為電廠的啟動/備用電源，接線形式如圖1所示(高廠變?yōu)楦邏簭S用變壓器，低廠變?yōu)榈蛪簭S用變壓器，啟/備變?yōu)閱?備用變壓器)。這種形式雖然增加了項目的初期投資，并會在運營期間向電網(wǎng)公司繳納基本電費，但是卻大大提高了機組運行的可靠性。在國內(nèi)，雖然廠網(wǎng)早已分開，但仍同屬國有，因此這種矛盾并不明顯。而在國外，以東南亞為例，電廠多以BOT 的方式建設[1]，中國投資方僅負責電廠的建設和運營，開關站仍歸當?shù)仉娏Σ块T運營，因此就必須考慮方案的經(jīng)濟性。另外，東南亞國家的電網(wǎng)相對薄弱，新建電廠大多需要承擔基礎供電，在場址附近可能沒有高壓電源可供接入。有的項目甚至在合同中強調(diào)無外送電源接入或明確要求不設置啟動/備用變壓器[2]。

圖1 有啟動/備用變壓器的廠用電接線

1.2不設置啟動/備用變壓器的幾種接線形式

隨著設備制造水平的逐漸提高，設備的運行可靠性也大幅提升，廠用電系統(tǒng)不單獨設置啟動/備用變壓器成為可能[3]。

根據(jù)《大中型火力發(fā)電廠設計規(guī)范》[4]16.3.13條規(guī)定，600 MW級及以上的機組，若裝設了發(fā)電機斷路器(GCB)，當從另1臺機組的高廠變低壓側母線引接本機組的高壓停機電源，機組之間對應的高壓廠用母線設置聯(lián)絡，互為事故停機電源時，可不設專用的高壓廠用備用變壓器。這也為電廠不單獨設置啟動/備用變壓器提供了設計依據(jù)。

目前，采用不設置啟動/備用變壓器的廠用電“手拉手”形式的電廠有如下幾種接線。

(1)接線1：湖南某電廠廠用電接線如圖2所示[5]。

由圖2知，每臺機組設置1臺雙分裂變壓器，為機組單元負荷、脫硫單元負荷、低壓脫硫變壓器及另一臺機組事故停機負荷供電；每臺機組設1臺雙繞組變壓器，為全廠公用負荷供電。雙分裂變壓器、雙繞組變壓器均為有載調(diào)壓。

圖2 湖南某電廠廠用電接線

(2)接線2：新疆某電廠廠用電接線如圖3所示。

圖3 新疆某電廠廠用電接線

由圖3知，每臺機組設置1臺雙分裂變壓器，機組單元電負荷和公用負荷分別從2臺機組工作段引接，不設置單獨公用段。每臺機廠用母線分2段，主廠房區(qū)域的單元機組的輔機、低廠變分接在2臺機組的2段上，2臺機組公用的輔機及互為備用的低廠變分接在2臺機組的1段上。每臺機組各設1段高壓脫硫母線，分別由對應主廠房高壓工作母線各引1路電源，互為備用。2臺機組設2段“手拉手”的輸煤高壓母線，分別由2臺機組主廠房高壓工作段各引1路電源，互為備用。

(3)接線3：印尼某電廠廠用電接線如圖4所示。

圖4 印尼某電廠廠用電接線

由圖4知，每臺機組設置1臺有載調(diào)壓雙分裂變壓器，并設置獨立的公用段。一臺機組高壓廠用段給高壓公用段供電，另一臺機組高壓廠用段作為高壓公用段的備用電源；當一臺機組啟動時，另一臺機組的廠用段能供給啟動機組的啟動負荷。即2臺機組的高廠變通過高壓公用段“手拉手”。

(4)接線4：越南某電廠廠用電接線如圖5所示。

圖5 越南某電廠廠用電接線

由圖5知，每臺機組設2臺有載調(diào)壓雙分裂廠用變壓器，設置單獨公用段。其中1臺高廠變?yōu)楸九_機組負荷和公用負荷供電；另設1臺專用高壓廠用備用變壓器，為另一臺機組的高廠變備用。每臺機組各設2段高壓工作段，向機組負荷供電。設置2段公用段，為公用負荷供電。公用段間設聯(lián)絡，2段公用段分別從2臺機組的1個工作段取1路電源。

1.3幾種接線方式的分析

1.3.1 關于單獨的公用段

設置單獨的公用段，將公用負荷與機組本身負荷區(qū)分開，加強了機組的單元性，便于機組的停運和檢修，但也增加了設備投資和占地，接線也較復雜。對于有啟動/備用電源的電廠，大多將公用段電源引自啟/備變，這樣啟/備變長期處于低負荷運行狀況，損耗較大；若無啟動/備用電源，則公用段電源取自機組工作段, 雖然公用負荷與機組負荷不在一段上，但降低了機組的單元性，與不設公用段效果是一樣的[6-7]。

對于接線4，如果不設置獨立公用段，則其中1臺雙分裂高廠變帶本機組負荷和全廠公用負荷運行，另1臺作為另1機組高廠變的明備用。每臺機設2段工作母線段，電源分別引自帶負荷的高廠變的2個分裂繞組，接線5如圖6所示。

圖6 接線5

1.3.2 明備用

對比接線2，接線5在每臺機組上增加了1臺同容量的分裂變壓器作為另一臺機組高廠變的明備用。

對于國內(nèi)的電廠，電網(wǎng)架構已經(jīng)足夠堅強。特別是在坑口等電廠集中的區(qū)域，某個發(fā)電廠單臺機組的停機不會對整個電網(wǎng)造成很大的影響。因此考慮到投資成本，可采用接線2的形式。開關柜、共箱母線及輔助裝置(快切、中性點設備等)數(shù)量最少，便于運行維護及高壓開關柜的采購。

中國已在越南以EPC或BOT的形式建設了多個600 MW級的大型發(fā)電廠，但仍無法滿足越南日益增加的電力需求。這些發(fā)電廠的年利用小時數(shù)大多高達7 000多h。有的電廠甚至要求在設計時要滿足“當1臺高廠變發(fā)生較為嚴重的故障，停機將故障廠用變壓器切除后，仍能夠正常發(fā)電”。

因此，對于國外的大型發(fā)電廠，需要采用可靠性較高的接線形式，即接線5比接線2更適用于國外的發(fā)電廠。

綜上所述，本文僅對2種接線方式進行分析，接線方案見表1。

表1 廠用電接線方案

1.42種“手拉手”接線形式的技術經(jīng)濟比較

以越南某電廠實際情況為例：機組額定功率，660 MW；機端額定電壓，22.0 kV；升壓變壓器額定容量，780 MW；升壓變壓器額定電壓，500±10×1.25%/22.0 kV；高壓廠用電額定電壓，6.6 kV。

根據(jù)廠用電負荷統(tǒng)計情況，得出如下方案。

(1)接線1：每臺機組設置2臺高廠變，一臺為有載調(diào)壓分裂變壓器，容量暫定為78/45-45 MV·A，另一臺為有載調(diào)壓雙卷變壓器，容量暫定為45 MV·A，短路阻抗均按13%考慮。正常運行時2臺高廠變的負荷約為其額定容量的50%，剩余容量作為另一臺機組的熱備用。

(2)接線5：每臺機組設置2臺同容量雙分裂高壓廠用工作變壓器，有載調(diào)壓，容量暫定為70/40-40 MV·A，短路阻抗按照12%考慮。

短路計算和電動機啟動時的電壓校驗見表2。

表2 短路計算和電壓校驗結果 kA

由上表知，接線5選擇常規(guī)的10 kV斷路器，開斷水平在40 kA即可滿足要求，且工作電源和備用電源較為明晰，中壓段為2段，進線和備用進線開關數(shù)量較少；而接線1，若進一步抬高高廠變短路阻抗，雖然能降低短路電流，從而將動穩(wěn)定控制在100 kA以內(nèi)，但廠用電壓校驗無法通過，并且對設備選型造成了一定的困難，若采用開斷水平50 kA的產(chǎn)品，造價將遠遠超過接線5。

因此，通過技術經(jīng)濟對比，選擇接線5作為廠用電方案更為合理。

2 simulink環(huán)境下的仿真

在simulink環(huán)境下搭建了廠用電系統(tǒng)的模型。發(fā)電機經(jīng)GCB連接變壓器后并入當?shù)?00 kV電網(wǎng)，含2個系統(tǒng)負荷，分別為700 MW和680 MW；廠用電負荷均為40 MW，分別接在4段工作母線上。接線如圖7所示。

正常運行時，負荷1A和1B分別由#11高廠變的2個分裂繞組供電，負荷2A和2B分別由#21高廠變的2個分裂繞組供電。

在0.02 s，#11A和#11B 2個斷路器斷開，高壓廠用負荷1A和1B切換為由#22高廠變供電，#22A和#22B 2個斷路器合閘。

在0.05 s，#11A和#11B 2個斷路器重新合閘，跳開#22A和#22B 2個斷路器，高壓廠用負荷1A和1B轉換回由#11高廠變供電。

#11母線A端和B端的電流和電壓波形如圖8、圖9所示。

由圖8和圖9知，在廠用電電源的切換過程中，電壓和電流波形均未出現(xiàn)畸變，滿足運行要求。

圖7 simulink仿真系統(tǒng)圖

圖8 #11母線A端和B端的電流波形圖(截圖)

圖9 #11母線A端和B端的電壓波形圖(截圖)

3 結束語

本文通過對國內(nèi)外多個電廠的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，廠用電系統(tǒng)不設置啟動/備用電源的方案是可行的，尤其是在電網(wǎng)薄弱的地區(qū)，當?shù)仉娋W(wǎng)不能提供啟動/備用電源的引接。通過對目前存在的4種接線形式進行整理分析，發(fā)現(xiàn)對于不設置啟動/備用電源的系統(tǒng)，再獨立設置公用工作段沒有意義。而為了提高電廠的可靠性，滿足電廠年利用小時數(shù)過高的要求，設置明備用是必要的。

通過在simulink環(huán)境下搭建模型進行仿真，在切換高廠變時，電流和電壓的波形均未出現(xiàn)畸變，表明這種接線方式是滿足運行要求的。

[1]TranThiHaiYen.越南BOT電廠項目風險管理案例研究[D].大連:大連理工大學,2016.

[2]羅進.淺談印尼發(fā)電工程(2×175 MW)不設高壓啟動/備用變壓器的利弊[C]//2013年中國電機工程學會年會論文集,2013.

[3]劉思佳,黃海才,賈麗英.大型火電廠廠用電接線方案研究[J].電網(wǎng)與清潔能源,2013(10):37-41,46.

[4]大中型火力發(fā)電廠設計規(guī)范：GB 50660—2011[S].

[5]劉光華,王予英,唐軍.大型火電廠廠用電手拉手接線總結[J].電力勘測設計,2015(3):32-36.

[6]王樹森.關于發(fā)電廠廠用高壓母線設置公用段的探討[J].電力勘測設計,2005(3):48-51.

[7]季浩.淺談越南沿海2×622 MW火力發(fā)電廠項目管理[J].科技向導,2015(7):80-81.

(本文責編：劉炳鋒)

2017-07-05；

:2017-08-04

TK 39

：A

：1674-1951(2017)09-0027-04

楊光磊(1983—)，男，河北石家莊人，高級工程師，工學碩士，從事電力設計和設計咨詢工作(E-mail:yangguanglei008@163.com)。張邦彬(1963—)，男，陜西西安人，高級工程師，從事發(fā)電廠、變電站所及新能源發(fā)電工程電氣設計、咨詢及技術評審工作。