LNG接收站內變配電系統的設計

劉 偉

（南京揚子石油化工設計工程有限責任公司，江蘇 南京 210048）

1 概 述

LNG接收站一般包含LNG裝卸碼頭、LNG全容儲罐、LNG裝車撬、蒸發氣壓縮機、高壓氣體外輸以及火炬等設施。接收站接收來自遠洋貨船的LNG并儲存在接近常壓的LNG儲罐，然后從儲罐輸出LNG，用泵加壓至管網壓力，氣化并計量后進入高壓燃氣管網。低壓LNG裝載至槽車供應給其他用戶。接收站的蒸發氣被加壓，升溫并外輸至中壓燃氣管網。本工藝裝置生產過程連續性強，自動化水平較高，且液化天然氣為易燃易爆物質，因此需要一套安全可靠的變配電系統維持正常工況及非正常工況下的裝置運行[1-3]。

2 用電負荷及供電要求

2.1 用電負荷

UPS、直流電源系統、消防設備以及應急照明屬于一級負荷。LNG高壓泵、LNG低壓泵、SCV（浸沒式燃燒器）系統及其輔助設備、壓縮機系統及其輔助設備、儀表空氣壓縮機、火炬緩沖罐以及電動閥門為二級負荷，能夠確保接收站在停電情況下具備一定天然氣氣化外輸能力。其余設備均為三級負荷。

2.2 供電要求

按照《供配電系統設計規范》：一級負荷應由雙重電源供電，當一電源發生故障時，另一電源不應同時受到損壞；二級負荷的供電系統由兩回線路供電。

3 供配電系統

從外部電網引兩路10 kV的供電線路至LNG庫區主變電所10 kV進線柜，一用一備，經2臺10/6.3 kV、容量為2 500 kVA的變壓器降壓后供電。另外，庫區主變電所將設置2臺電壓為6 kV、容量為1 500 kVA的事故柴油發電機組，在外部兩路電源停電時作為其應急電源，為一級及部分二級負荷供電。碼頭變電所電源引自庫區主變電所6 kV母線。本工程6 kV負荷均由LNG庫區主變電所供配電，低壓負荷可就近由主變電所或碼頭變電所供配電。庫區及碼頭區域的分散控制系統（Distributed Control System，DCS）及重要的儀表電源、火災報警以及電氣微機監控系統等，均由各自設置的不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）供電。為提高可靠性，UPS電源的一路主電源引自應急母線[4-7]。

4 變電所設計

4.1 變電所布置

4.1.1 LNG庫區變電所布置

LNG變電所屬于全廠重要設施，應獨立布置，以滿足與周邊生產裝置、輔助設施、建構筑物的安全防護和防火距離的要求。變配電所采用三層結構：一層設置低壓配電室、電容器室、變壓器室以及柴油發電機室；二層為電纜夾層；三層設置配電室及工程師站，主要布置10 kV及6 kV開關柜、電阻柜、直流屏以及監控柜等[8]。

4.1.2 碼頭變電所布置

碼頭變電所設于碼頭控制樓，高低壓開關柜和干式變壓器柜同室布置，負責向碼頭區域內的所有低壓用電負荷供電。

4.2 供電系統主接線及系統運行方式

4.2.1 LNG庫區變電所（10/6/0.4 kV）

10 kV系統采用單母線接線方式。在正常運行方式下，10 kV兩條回路進線開關合上。當一回路電源故障或檢修時，母線分段斷路器閉合，另一回路電源為全部負荷供電。分段斷路器的備用電源自動投入功能設手動、自動切換開關，根據操作需要，可選擇實施分段斷路器自動或手動投切。6 kV系統正常母線采用單母線分段（AE段/BE段）的接線方式，設母線分段開關。在市電正常供電時，6 kV兩回路進線開關合上，母線分段開關斷開，分別由上級10 kV母線通過各自變壓器降壓后供電，負荷分布在兩段6 kV母線上。6 kV應急母線采用單母線接線方式，由2臺6 kV柴油發電機供電。應急母線與BE段母線之間設置聯絡開關[9]。

當市電故障時，切除非應急負荷（因柴油發電機供電容量有限只能供部分負荷），自動起動2臺6 kV柴油發電機，并聯鎖合上AE段應急母線與BE段母線之間的聯絡開關及AE段/BE段之間的母聯開關。此時，6 kV母線（AE段/BE段）均由柴油發電機供電。柴油發電機運行時如遇火災，應急工藝負荷在接收到火災報警和氣體檢測系統（Fire Alarm and Gas Detector System，FGS）系統的信號后自動停止運行。消防水泵在接收到消防管網低壓力信號后，自動投入運行[10]。

0.4 kV正常母線及應急母線均采用單母線接線方式，應急母線與正常母線之間設置聯絡開關。在市電正常供電時，應急母線與正常母線的兩回路進線開關合上，分別由上級6 kV母線（AE段/BE段）通過各自變壓器降壓后供電，母線聯絡開關斷開。當市電故障時，切除接在6 kV AE段母線上的非應急負荷，聯鎖合上接在6 kV BE段母線上的饋電開關，由柴油發電機供電。

4.2.2 碼頭低壓變電所（6/0.4 kV）

碼頭低壓變電所通過變壓器降壓后，為BE段母線供電。當市電故障時，聯鎖合上接在6 kV BE段母線上的饋電開關，由柴油發電機供電。為滿足規范“重要消防低壓用電設備的供電應在最末一級配電裝置或配電箱處實現自動切換”的要求，碼頭消防炮控制箱由LNG庫區變電所引來第二路電源經雙電源切換后供電[11]。

4.3 中性點接地方式

本工程各級電壓系統的中性點接地方式和控制操作電源的接地方式，如表1所示。

表1 中性點接地方式及控制操作電源的接地方式

4.4 計 量

在LNG庫區變電所的1臺10 kV計量柜上設1塊（由供電部門提供）電度表計，精度為0.5級。

4.5 功率因數補償及諧波限制

根據《全國供用電規則》的要求，本工程10 kV進線接入點處功率因數應達到0.92以上。因此，在變電站6 kV配電系統和0.4 kV配電系統均設置并聯電容無功補償柜，自動投切，補償后功率因數不小于0.95[12]。本工程非線性諧波主要來自UPS電源和直流屏等電子產品設備，為此采取以下措施加以限制。首先，變壓器采用D,Yn11接線組別，為3次諧波電流提供環流通路。其次，采用靜止無功補償裝置，合理配置電抗器參數，避免電容器放大諧波。最后，對于UPS電源和直流屏等，將設備注入電網的各次諧波電流值控制在規范要求的范圍內。

4.6 繼電保護

10 kV/6 kV進線和分段、變壓器饋線、電動機饋線、電容器饋線及庫區變電所低壓進線、分段開關的繼電保護，均采用微機綜合保護裝置實現，就地安裝在開關柜上。

4.7 綜合自動化系統

本工程設置綜合自動化系統。該系統由站控層和間隔層兩部分組成，并用分層、分布以及開放式網絡系統實現連接。站控層由計算機網絡連接的計算機監控主機和操作員站構成，提供人機聯系界面，能夠實現管理控制間隔層設備等功能。間隔層由工控網絡/計算機網絡連接的若干個監控子系統組成。在站控層和網絡失效的情況下，它仍能獨立完成間隔設備的就地監控功能。

站控層設備集中布置在LNG變電所內，間隔層設備分散設置。LNG變電所內的中壓（10 kV/6 kV）開關和低壓進線母聯開關的保護測控裝置，直接安裝在開關柜等一次設備控制面板上。各綜合保護裝置采用現場總線方式與通信管理機相連，通信管理機至站控層的后臺系統采用屏蔽雙絞線。對低壓電機設置集成電動機控制系統（MCC管理系統），碼頭部分的電氣設備設置通信管理機，能夠收集碼頭變電所內的電氣參數，通過光纖將信號傳輸至站控層后臺系統。

4.8 直流系統

庫區變電所設一套直流系統，用于操作和控制所內10 kV開關柜、6 kV開關柜及信號電源。直流系統電壓為220 V，容量為100 Ah。工作時間按全所事故停電1 h考慮。直流系統采用單母線接線，配置一套充電裝置和一組蓄電池。充電裝置采用高頻開關電源。每組蓄電池采用全密封免維護鉛酸蓄電池，按浮充電方式運行。直流系統設有絕緣在線監測及接地故障監測裝置、電池監測裝置以及集中監控裝置，并預留遠方通信接口。

4.9 柴油發電系統

柴油發電機房采用兩臺柴油發電機，主用發電機組功率為1 500 kVA，備用發電機組功率為1 500 kVA，電壓為6.3 kV。每臺機組旁設置1臺電池柜，內含2組蓄電池（冗余配置），每組電池容量能保證機組6次起動。機房內設有日用油箱間，油箱間放置一個1 000 L日用油箱和一個200 L排油箱。機房外設有20 000 L埋地油罐，與機房相距約13 m。油罐與油箱、油箱與機組之間采用管道連接，油罐與油箱之間設有一主一備的電動供油泵，使用0#輕質柴油。

4.10 直流電源裝置

本工程直流系統作為10 kV/6 kV配電裝置、繼電保護以及電容補償柜的操作及控制回路電源。電源裝置采用免維護直流電源屏、雙電源供電、N+1冗余高頻開關電源以及脈寬調制技術，能夠預留RS-485通信接口。電池采用免維護鉛酸電池（組柜），壽命大于5年，放電時間為60 min。

4.11 電容補償

本工程設并聯電容補償，使得全廠功率因數達到0.95以上。

5 配電設計

低壓配電系統采用220/380 V放射式與樹干式相結合的方式。對于單臺容量較大的負荷或重要負荷，采用放射式供電。對于照明及一般負荷，采用樹干式與放射式相結合的供電方式[13]。

6 結 論

LNG是優質高效和綠色清潔的低碳能源。近年來，我國天然氣需求不斷擴大，需要配套建設相應能力的LNG接收站和安全可靠的變配電系統，以保證接收站各種設備的安全運行。