某機場三聯(lián)供能源站接入系統(tǒng)及燃?xì)獍l(fā)電機機組選型

黃 宇 清

(廣東省建筑設(shè)計研究院有限公司, 廣東 廣州 510010)

0 引 言

某機場三聯(lián)供能源站項目位于我國西部某省會城市,用于向該機場區(qū)域供電、供熱水及暖氣。該項目設(shè)計時機場區(qū)域總建筑面積為32萬m2,年用電量約為31.9 MkWh,年電費約為2 511.7萬元。因機場區(qū)域計劃擴建,預(yù)計能源站建成后機場區(qū)域總建筑面積達(dá)到42萬m2。

項目所在地天然氣價格低,市電采用分時計價。該三聯(lián)供能源站建成后,在電價峰時、平時時段使用天然氣自發(fā)電,并利用發(fā)電產(chǎn)生的余熱加熱鍋爐給水,將產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益;項目所在地供暖時間長,因環(huán)保原因供暖需采用清潔能源,采用燃?xì)忮仩t供熱將產(chǎn)生良好的社會效益。經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比較,自發(fā)電成本與谷時市電電價相當(dāng),故該項目不考慮電價谷時時段自發(fā)電。

經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比較后,該項目能源站的聯(lián)供系統(tǒng)共設(shè)置4臺2 MW的燃?xì)鈨?nèi)燃機(分為2組)向機場全部用電負(fù)荷供電;另外,設(shè)置2臺20 t的燃?xì)忮仩t向機場區(qū)域輸出熱水,用于供熱水、供暖。燃?xì)鈨?nèi)燃機排放的尾氣用于對燃?xì)忮仩t的給水進(jìn)行預(yù)加熱,實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)。

本文對該項目中電氣設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行分析。

1 供配電系統(tǒng)

1.1 供配電系統(tǒng)現(xiàn)狀

機場現(xiàn)狀設(shè)35/10.5 kV中心變電站1個(簡稱“中心變電站”),由2路35 kV市政電源(空川線、龍中線)供電,共安裝2臺35/10.5 kV變壓器,每臺變壓器的容量為10 000 kVA。中心變電站共設(shè)2段10 kV母線(分別為10 kVⅠ段、10 kVⅡ段),2臺變壓器分別接入其中一段10 kV母線。兩段10 kV母線平時分列運行,當(dāng)其中一段故障時,另外一臺變壓器可滿足全部負(fù)荷的用電需求。中心變電站饋出40路10 kV線路至各10/0.4 kV變電所。

1.2 發(fā)電系統(tǒng)運行方式

受當(dāng)?shù)毓╇姴块T對企業(yè)聯(lián)供系統(tǒng)上網(wǎng)的限制,該項目聯(lián)供系統(tǒng)采用并網(wǎng)運行的方式,不上網(wǎng)運行。

1.3 接入系統(tǒng)設(shè)置

接入系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)發(fā)電機組的容量及變配電系統(tǒng)的主接線形式進(jìn)行設(shè)計[1]。

該項目中心變電站饋出的10 kV線路多達(dá)40路,下級10/0.4 kV變電所數(shù)量多,用電負(fù)荷分散在整個機場區(qū)域。為保證聯(lián)供系統(tǒng)的發(fā)電機組能有效向所有用電負(fù)荷供電,該工程將并網(wǎng)點設(shè)在中心變電站的10.5 kV母線處,10.5 kVⅠ段母線、10.5 kVⅡ段母線分別接入聯(lián)供系統(tǒng)的發(fā)電機組電源,聯(lián)供系統(tǒng)可向機場區(qū)域的全部用電負(fù)荷供電。

發(fā)電機組輸出電壓等級應(yīng)根據(jù)發(fā)電機容量、用電負(fù)荷要求、供電距離等因素確定。該項目發(fā)電機單機容量為2 MW,并網(wǎng)位置為中心變電站的10.5 kV母線處,能源站至并網(wǎng)點的距離約為800 m。綜合考慮上述因素,發(fā)電機組機端輸出電壓為10.5 kV。

中心變電站的10.5 kV母線接入聯(lián)供系統(tǒng)發(fā)電電源后,其供電系統(tǒng)的電源由原來的2路增加到4路,系統(tǒng)供電可靠性得到了提高。

35/10.5 kV配電系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

1.4 并網(wǎng)系統(tǒng)的繼電保護(hù)措施

該項目設(shè)置自動監(jiān)控集成系統(tǒng)(簡稱“監(jiān)控系統(tǒng)”),采用PLC控制器對聯(lián)供系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、配電系統(tǒng)進(jìn)行控制和保護(hù)。

(1)自動同期措施。監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)中心變電站10.5 kV母線的電壓、頻率、相位等參數(shù)(由智能測控儀表進(jìn)行采集),調(diào)整聯(lián)供系統(tǒng)發(fā)電機組的輸出參數(shù),使之與中心變電站10.5 kV母線參數(shù)自動同期并自動投切并網(wǎng)斷路器(位于能源站10 kV高壓配電室),實現(xiàn)聯(lián)供系統(tǒng)發(fā)電機組并網(wǎng)運行。

(2)逆功率保護(hù)措施。在兩路35 kV市電電源進(jìn)線處設(shè)置“逆功率保護(hù)裝置”作為并網(wǎng)不上網(wǎng)的控制、保護(hù)裝置,保證聯(lián)供系統(tǒng)只受電,不向公共電網(wǎng)輸送電能。

由智能測控儀表對35 kV市電電網(wǎng)向機場輸送的有功功率進(jìn)行實時檢測。當(dāng)有功功率接近0時,監(jiān)控系統(tǒng)自動控制、減少發(fā)電機組的輸出功率;當(dāng)有功功率為0時,逆功率保護(hù)裝置自動斷開發(fā)電機組并網(wǎng)接入斷路器(位于中心變電站的10 kVⅠ段母線、10 kVⅡ段母線處),避免發(fā)電機向35 kV公共電網(wǎng)輸送電能。

為保證機場供電的可靠性,逆功率保護(hù)裝置僅作用于斷開發(fā)電機組的并網(wǎng)接入斷路器,不作用于斷開中心變電站35 kV市電的進(jìn)線斷路器。

(3)發(fā)電機組起停、輸出功率控制措施。監(jiān)控系統(tǒng)可實現(xiàn)對發(fā)電機組的起停控制、輸出功率控制、并網(wǎng)投切控制。監(jiān)控系統(tǒng)實時監(jiān)測35 kV變電站主進(jìn)線回路的有功功率及相關(guān)參數(shù),根據(jù)控制邏輯起停燃?xì)獍l(fā)電機組,對發(fā)電機組的輸出功率進(jìn)行自動調(diào)整,并對發(fā)電機組并網(wǎng)斷路器進(jìn)行自動投切控制。

2 燃?xì)獍l(fā)電機組類型的選擇

2.1 發(fā)電機組主要類型及特點

聯(lián)供系統(tǒng)發(fā)電設(shè)備主要有小型燃?xì)廨啓C(以下簡稱“燃?xì)廨啓C”)、燃?xì)鈨?nèi)燃機和微燃機[1],合理選擇發(fā)電機組類型是提高設(shè)備利用率、提升能效及經(jīng)濟性的關(guān)鍵。

2.2 燃?xì)廨啓C特點

(1)燃?xì)廨啓C是以連續(xù)流動氣體為工質(zhì)將熱能轉(zhuǎn)化為機械能的旋轉(zhuǎn)式動力設(shè)備,包括壓氣機、燃燒室、輔助設(shè)備等,具有結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡便、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。

(2)燃?xì)廨啓C功率較大,主要用在大、中型電站。

(3)單機容量在4 MW以下時,燃?xì)廨啓C的發(fā)電效率較低,經(jīng)濟性較差。

2.3 燃?xì)鈨?nèi)燃機特點

(1)燃?xì)鈨?nèi)燃機是將液體或氣體燃料與空氣混合后,直接輸入氣缸內(nèi)部燃燒并產(chǎn)生動力的設(shè)備,是一種將熱能轉(zhuǎn)化為機械能的熱機,具有體積小、熱效率高、起動性能好等優(yōu)點。

(2)燃?xì)鈨?nèi)燃機受地理環(huán)境的影響比較小,高溫、高海拔下可正常運行。

(3)燃?xì)鈨?nèi)燃機功率較小,主要用在小型分布式電站,當(dāng)發(fā)電功率較低時燃?xì)鈨?nèi)燃機組的發(fā)電效率較高,較適用于單機發(fā)電功率小于4 MW的系統(tǒng)。

2.4 微燃機特點

微燃機是微型燃?xì)廨啓C,單機功率一般小于300 kW,其特性與燃?xì)廨啓C基本相同。微燃機單機功率太小,不適合應(yīng)用于該項目。

2.5 各類型發(fā)電機組的熱效率、發(fā)電效率特性

(1)燃?xì)廨啓C、燃?xì)鈨?nèi)燃機的熱電總效率(熱效率與發(fā)電效率之和)大致相同。

(2)燃?xì)鈨?nèi)燃機的發(fā)電效率高于燃?xì)廨啓C。

(3)燃?xì)廨啓C的熱效率高于燃?xì)鈨?nèi)燃機。

2.6 各類型發(fā)電機組的余熱特性

(1)燃?xì)廨啓C組的煙氣溫度較高(450 ℃以上),主要用于生產(chǎn)高壓蒸汽,還可推動蒸汽輪機發(fā)電機組發(fā)電。

(2)燃?xì)鈨?nèi)燃機組余熱分為兩部分:一部分為缸套冷卻水余熱,溫度較低,主要用于供熱、制備生活熱水;另一部分為煙氣余熱,溫度在400～500 ℃之間,可用于驅(qū)動吸收式冷水機組及生產(chǎn)蒸汽。

2.7 發(fā)電機組類型確定

確定發(fā)電機組類型時,應(yīng)綜合考慮冷熱電負(fù)荷情況、運行方式、余熱介質(zhì)參數(shù)與余熱利用設(shè)備應(yīng)匹配、運行經(jīng)濟性等因素。該項目具有以下特點:

(1)發(fā)電機組的單機容量約為2 MW。

(2)運行方式為并網(wǎng)。

(3)項目所在地海拔高度較高,約為2 000 m。

(4)產(chǎn)生經(jīng)濟效益的部分主要是發(fā)電的電量,應(yīng)選擇發(fā)電效率高的機組。

(5)對余熱(煙氣余熱、冷卻水余熱)溫度要求不高,余熱僅用于加熱鍋爐給水。

綜合考慮上述因素及各類型發(fā)電機組的特性,該項目選擇燃?xì)鈨?nèi)燃機作為發(fā)電機組。

3 發(fā)電機組臺數(shù)、單機容量的確定

選擇發(fā)電機組臺數(shù)、單機容量時,應(yīng)考慮發(fā)電機工作時有較高的負(fù)載率、發(fā)電機組應(yīng)能適應(yīng)用戶的負(fù)荷變化、余熱能充分利用、投資回報率高等因素。

該項目中產(chǎn)生經(jīng)濟效益的部分主要是發(fā)電量,應(yīng)在有限的投資內(nèi)將年發(fā)電總量最大作為總體設(shè)計目標(biāo),機組容量利用率應(yīng)盡可能高。

3.1 燃?xì)鈨?nèi)燃機單機負(fù)荷率特性

燃?xì)鈨?nèi)燃機當(dāng)負(fù)荷率在50%以上時,發(fā)電效率較高;當(dāng)負(fù)荷率低于50%時,發(fā)電效率低,且對機組損害較大,一般需要停機,不能發(fā)電。因此,燃?xì)鈨?nèi)燃機只能運行在發(fā)電負(fù)荷率為50%～100%的負(fù)荷范圍。

3.2 機場用電負(fù)荷分析

總投資一定情況下,發(fā)電單機功率太小,總功率較小,當(dāng)用電負(fù)荷高峰時因發(fā)電總?cè)萘坎粔?使用市電較多,經(jīng)濟效益不好;發(fā)電單機功率太大,當(dāng)用電負(fù)荷低谷時由于負(fù)荷低于單機容量的50%,發(fā)電機組需要停機,需使用市電,發(fā)電總量減少,機組容量利用率低,投資回報率低。

因此,要確定發(fā)電裝機總?cè)萘俊螜C容量及臺數(shù),必須對項目用電負(fù)荷進(jìn)行分析,對全天、全年各時段用電負(fù)荷的數(shù)值進(jìn)行統(tǒng)計、分析[2-3]。

3.3 各時段電價及其對機組容量的影響

該機場的市電電價為分時電價,各時段電價情況如表1所示。

表1 各時段電價情況

由于谷時電價較低,與能源站自發(fā)電成本接近,因此該項目不考慮在谷時(23 ∶00～7 ∶00)發(fā)電,用電負(fù)荷分析、發(fā)電機組選型按(峰價+平價)時段考慮。

3.4 現(xiàn)狀用電負(fù)荷分析

該項目設(shè)計時,機場總建筑面積為32萬m2,其中航站樓面積為9.6萬m2,非航站樓面積為22.4萬m2。中心變電站已設(shè)置電力自動監(jiān)控系統(tǒng),系統(tǒng)可導(dǎo)出35 kV市電電源進(jìn)線處每天整點時刻的有功功率數(shù)值。該項目方案設(shè)計階段,筆者從系統(tǒng)中導(dǎo)出了機場最近1～2年的每日平均有功負(fù)荷、日有功負(fù)荷的運行數(shù)據(jù),并對該數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計、整理。

(1)日平均有功功率。中心變電所2014年1月1日至2016年4月30日(共851天),35 kV進(jìn)線每日平均有功功率曲線如圖2所示。

圖2 35 kV進(jìn)線每日平均有功功率曲線

對圖2進(jìn)行分析,可得到以下結(jié)論:

① 10 kVⅠ段(空川線)及10 kVⅡ段(龍中線)的用電負(fù)荷較為接近,約各占總負(fù)荷的50%。

② 每年非供暖季(4月15日～10月14日)期間,用電負(fù)荷較小;每年供暖季(10月15日～4月14日)期間,用電負(fù)荷較大。

③ 非供暖季平均負(fù)荷/供暖季平均負(fù)荷的比值為55%;1年中,最小日用電有功功率/最大日用電有功功率的比值為34%。

④ 日用電負(fù)荷是逐年增加的。主要原因是機場每年擴建,總建筑面積逐年增加。

(2)典型日有功功率(機場區(qū)域總的用電有功功率)。中心變電站2015年4月15日至2016年4月5日(每月取5、15、25日作為典型日,共36天),35 kV進(jìn)線典型日有功功率曲線如圖3所示。

圖3 35 kV進(jìn)線典型日有功功率曲線圖

因谷時電價與自發(fā)電成本相當(dāng),故谷時使用市電,統(tǒng)計時不考慮谷電價時段。對圖3進(jìn)行分析,典型日最大、最小及平均有功功率如表2所示。

表2 典型日最大、最小及平均有功功率

由圖3、表2,可得到如下結(jié)論:

① 年最大有功功率出現(xiàn)在供暖季,為12月15日10 ∶00,有功功率為6 390.0 kW。

② 年最小有功功率出現(xiàn)在非供暖季,為5月25日23 ∶00,有功功率為2 280.4 kW。

③ 年有功功率的平均值為3 977.5 kW。

3.5 擴建后有功功率預(yù)測

因機場計劃1～2年擴建,預(yù)計擴建后總建筑面積達(dá)到42萬m2,其中航站樓建筑面積為9.6萬m2,非航站樓建筑面積為32.4萬m2。能源站建成后,機場總建筑面積將為42萬m2,故有必要對擴建后的用電負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測。

以現(xiàn)有運行數(shù)據(jù)為依據(jù),根據(jù)不同類別的建筑物面積增加的情況,將增長的負(fù)荷分為航站樓、非航站樓兩部分分別進(jìn)行預(yù)測。

(1)有功功率預(yù)測模型。機場現(xiàn)狀及擴建建筑規(guī)模如表3所示。

表3 機場現(xiàn)狀及擴建建筑規(guī)模

預(yù)測10 kVⅠ段有功功率P2a=P2a1+P2a2,其中P2a1、P2a2分別為10 kVⅠ段擴建后航站樓部分、非航站樓部分的有功功率。

預(yù)測10 kVⅡ段有功功率P2b=P2b1+P2b2,其中P2b1、P2b2分別為10 kVⅡ段擴建后航站樓部分、非航站樓部分的有功功率。

因此,擴建后總的有功功率P=P2a+P2b。

(2)典型日有功功率預(yù)測結(jié)果。中心變電站4月15日至第二年4月5日(每月取5、15、25號作為典型日,共36天),35 kV進(jìn)線典型日有功功率預(yù)測曲線如圖4所示。

圖4 35 kV進(jìn)線典型日有功功率預(yù)測曲線

不考慮谷電價時段,對圖4進(jìn)行分析,擴建后典型日最大、最小及平均有功功率預(yù)測如表4所示。

表4 擴建后典型日最大、最小及平均有功功率預(yù)測

由圖4、表4,可得如下結(jié)論:

(1)預(yù)測年最大有功功率出現(xiàn)在供暖季,為12月15日10 ∶00,有功功率為8 078.9 kW。

(2)預(yù)測年最小有功功率出現(xiàn)在非供暖季,為8月15日7 ∶00,有功功率為2 836.9 kW。

(3)預(yù)測年有功功率的平均值為4 948.9 kW。

3.6 發(fā)電機組分組、臺數(shù)、單機容量的確定

發(fā)電機組分組應(yīng)與電力系統(tǒng)的接線方式相匹配。由于中心變電站設(shè)有2段10 kV母線,平時分列運行。聯(lián)供系統(tǒng)發(fā)電機組應(yīng)分為2組,各組分別與其中1段10 kV母線并網(wǎng)運行。

考慮各組發(fā)電機容量應(yīng)適應(yīng)用電負(fù)荷的變化,保證投入運行的發(fā)電機負(fù)荷率在50%～100%范圍內(nèi),每組設(shè)置2臺發(fā)電機組。發(fā)電并網(wǎng)運行時,每組發(fā)電機的有功功率可在總裝機容量的25%～100%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

根據(jù)表4,能源站共選用4臺2 000 kW的內(nèi)燃發(fā)電機組,發(fā)電機組裝機總?cè)萘繛? MW。發(fā)電機組分為2組,每組設(shè)2臺發(fā)電機組,2組發(fā)電機組分別接入35/10.5 kV中心變電站的10 kVⅠ段母線、10 kVⅡ段母線。

在市電谷電價時段(23 ∶00～7 ∶00),該項目發(fā)電機組不運行,機場全部使用市電。在市電峰電價及平電價時段,該項目發(fā)電機組運行,盡可能保證機場的全部負(fù)荷用電。在用電負(fù)荷高峰時段,4臺發(fā)電機組全部滿負(fù)荷運行;在用電負(fù)荷最低時段,每組1臺發(fā)電機組運行(共2臺機組運行),2臺發(fā)電機組負(fù)荷率分別為81%、60%。

上述發(fā)電機機組分組、臺數(shù)、容量的確定與設(shè)計目標(biāo)相適應(yīng),在負(fù)荷高峰或低谷時段,基本可以實現(xiàn)機場全部用電由發(fā)電機組供電,因此機組分組、臺數(shù)及單機容量合理,機組容量利用率高。

4 結(jié) 語

三聯(lián)供能源站電氣設(shè)計應(yīng)根據(jù)項目投資經(jīng)濟性分析及地方電網(wǎng)對分布式電站上網(wǎng)的要求,確定發(fā)電系統(tǒng)的運行方式;根據(jù)變電所分布、用電負(fù)荷分布、配電系統(tǒng)結(jié)線方式,確定發(fā)電系統(tǒng)接入方式及發(fā)電機機端輸出電壓;根據(jù)用電負(fù)荷有功功率數(shù)值、有功功率年/日波動情況、余熱熱能利用方式、項目所在地海拔高度、投資和運行的經(jīng)濟性等因素,確定燃?xì)獍l(fā)電機的機組類型、機組臺數(shù)、單臺機組功率及分組運行方式等。