2×500 MW 燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組電氣設(shè)計(jì)分析

梁曉曄

（中國能源建設(shè)集團(tuán)浙江省電力設(shè)計(jì)院有限公司 浙江杭州 310012）

2020 年9 月，國家主席習(xí)近平在第75 屆聯(lián)合國大會(huì)一般性辯論中做出了 “2030 年前碳排放達(dá)到峰值，2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的莊嚴(yán)承諾［1］。這一承諾，無疑給電力行業(yè)的發(fā)展帶來了不小的挑戰(zhàn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，能源領(lǐng)域碳排放量約占全國總額的88%，而電力工業(yè)改革后碳排放量又占能源行業(yè)的41%［2］。達(dá)到“3060”碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)，能源電力行業(yè)是根本關(guān)鍵，能源電力生產(chǎn)低碳清潔化已成為必然趨勢。在燃煤發(fā)電受到限制、新能源裝機(jī)不足以提供可靠電量供應(yīng)的情況下，燃?xì)鈾C(jī)組具有清潔低碳且運(yùn)行靈活的特點(diǎn)，成為了一定時(shí)期內(nèi)過渡電源的有效選擇［3］。

劉高軍［4］對(duì)比了典型的燃煤、燃油、燃?xì)鈾C(jī)組的碳排放量，研究顯示燃?xì)鈾C(jī)組單位發(fā)電量碳排放最低，僅為燃煤機(jī)組的45%，為燃油機(jī)組的52%。除環(huán)境保護(hù)特性好的優(yōu)點(diǎn)外，以天然氣為能源的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，還具有供電效率高、建設(shè)周期短、投資低、占地面積小和調(diào)峰性能好等一系列優(yōu)勢［5］。因此，燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的設(shè)計(jì)分析對(duì)能源電力行業(yè)的發(fā)展具有非常重要的意義。

合理科學(xué)的電氣設(shè)計(jì)技術(shù)不但保障電廠的安全平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，還可以減少設(shè)備消耗，減少運(yùn)營成本，從而大大提高電廠運(yùn)營效益。本文以浙江某電廠擬建二期2×500 MW 燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)機(jī)組為例，對(duì)其進(jìn)行電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析，為今后同類電廠的設(shè)計(jì)和建設(shè)提供參考。

1 工程概況

1.1 工程建設(shè)概況

浙江某電廠一期工程2 臺(tái)400 MW 級(jí)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組已投產(chǎn)發(fā)電。隨著浙江省電力電量供需的不斷快速增長，“十三五”中后期，浙江省開始出現(xiàn)用電短缺并逐漸加劇。工程所在區(qū)域用電需求也增長迅速，從電力平衡結(jié)果來看：峰荷時(shí)至2020 年500 kV 網(wǎng)供負(fù)荷達(dá)到865 萬kW，2025 年達(dá)到1 243 萬kW，2030 年達(dá)到1 555 萬kW；腰荷天然氣停發(fā)時(shí)，2020 年網(wǎng)供負(fù)荷達(dá)到997 萬kW，2025 年達(dá)到1 333 萬kW，2030 年達(dá)到1 605 萬kW。為此，隨著電力需求量的增加，擬在該廠新建二期工程，建設(shè)規(guī)模為2×500 MW 級(jí)的燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)機(jī)組，設(shè)計(jì)上采取“一拖一”的結(jié)構(gòu)形式，機(jī)組由2 臺(tái)500 MW 級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)、2 臺(tái)余熱鍋爐、2 臺(tái)純凝式汽輪機(jī)、2 臺(tái)燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)以及輔助系統(tǒng)等構(gòu)成。

1.2 工程擴(kuò)建的意義

（1）持續(xù)保障供電，滿足用電需求。隨著地區(qū)供電需求量的增加，本工程的建設(shè)將在一定程度上保障該區(qū)域的供電需求，同時(shí)對(duì)于就地均衡負(fù)載、增強(qiáng)地區(qū)供電調(diào)節(jié)工作的靈活性等，也都將發(fā)揮積極影響。

（2）優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)，確保安全可靠供電。由于國家城鄉(xiāng)建設(shè)的規(guī)模和技術(shù)水平日益提升和我國較為嚴(yán)厲的耕地保護(hù)政策，外來電力通道路徑走廊實(shí)施越加困難。本項(xiàng)目在原廠區(qū)位置擴(kuò)建，廠址處于省負(fù)荷中心，可避免大功率長距離傳輸，增加供電運(yùn)營的經(jīng)濟(jì)性，保證各地區(qū)安全、可靠用電。

（3）進(jìn)一步提高國家能源效率，積極推行節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展政策戰(zhàn)略。由于城市燃?xì)饴?lián)合循環(huán)環(huán)境污染較小，且電廠能夠建立在城市人口相對(duì)稠密或用能資源相對(duì)集中的區(qū)域，通過就近生產(chǎn)與運(yùn)輸能量，可以使發(fā)電、熱力等燃料量的損失減至最小化，因此能夠最大限度提升系統(tǒng)效率，從而達(dá)到節(jié)約減排，并合理減少地區(qū)內(nèi)單位GDP 的消耗量。

（4）解決清潔燃料替代引起能源生產(chǎn)成本大幅增長問題的有效手段。燃?xì)怆姀S由于環(huán)保代價(jià)較少、能量效率高、操作靈活、技術(shù)經(jīng)濟(jì)安全，與從單純的燃煤鍋爐改為內(nèi)燃?xì)鉅t比較，有著非常突出的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性，是一種切實(shí)可行的系統(tǒng)節(jié)電舉措。本工程二期建設(shè)項(xiàng)目對(duì)解決該地區(qū)供電需要、確保不間斷供電、改善電力結(jié)構(gòu)、增加電能效率、增強(qiáng)供電工作的經(jīng)濟(jì)性、安全可靠均將發(fā)揮重大意義。

（5）提升浙江省電力系統(tǒng)的調(diào)峰能力?！笆奈濉逼陂g，為了滿足全省的電力需求，將受入白鶴灘直流800 萬kW 電力，其在豐水期期間將一直滿送浙江電力。同時(shí)，由于未來全省尚有三澳核電、象山核電、牛山島核電等大量新能源投入工作，因此國家電網(wǎng)的調(diào)峰力量更加緊張，將受到巨大的考驗(yàn)。所以，為確保浙江供電工作的安全、可靠性和經(jīng)濟(jì)效益，需要采取措施提高電網(wǎng)的調(diào)峰能力，其中建設(shè)燃?xì)庹{(diào)峰電廠是提高浙江電網(wǎng)的調(diào)峰能力的有效措施之一。

2 電氣接入系統(tǒng)方案

該電廠已建設(shè)2 套F 級(jí)燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)機(jī)組，裝機(jī)容量2×40 萬kW，通過4 回220 kV 線路分別接入濱海變和瀝匯變。二期擴(kuò)建工程在預(yù)留擴(kuò)建場地上建設(shè)2 套F 機(jī)組50 萬kW級(jí)天然氣機(jī)組。擴(kuò)建后電廠總?cè)萘?80 萬kW，根據(jù)《浙江電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)技術(shù)原則》，本工程考慮采用220 kV 電壓等級(jí)接入電網(wǎng)。

根據(jù)周邊電網(wǎng)現(xiàn)狀，本工程外送線路已達(dá)到4 回，但除電廠出口段采用4×300 mm2架空線，其余線路均為2×300 mm2線路?？紤]到電廠目前已投運(yùn)2 臺(tái)機(jī)組是分列運(yùn)行，每臺(tái)機(jī)組通過2 回線分接入濱海變和瀝匯變；對(duì)電廠外送線路中2×300 mm2線路進(jìn)行改造，將其改造為4×300 mm2線路，屆時(shí)，每2 臺(tái)機(jī)組均通過2 回線分別送入濱海變和瀝匯變。

因此，該電站二期示范工程在預(yù)留擴(kuò)建場地上建設(shè)2 套9F 機(jī)組50 萬kW 級(jí)天然氣機(jī)組，裝機(jī)規(guī)模為：額定出力2×52.5 萬kW，功率因數(shù)0.85，并考慮采用2 臺(tái)62 萬kVA 主變升壓系統(tǒng)，主接線將維持雙母線雙分段接線。本期電廠220 kV不新增出線，主變進(jìn)線2 回。

3 電氣設(shè)計(jì)

3.1 主接線方案

（1）電氣主接線設(shè)計(jì)。電廠一期工程目前已建成2 臺(tái)400 MW 級(jí)燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)供熱機(jī)組，2 臺(tái)機(jī)組均通過發(fā)電機(jī)—變壓器的雙單元接線方式接入廠內(nèi)220 kV 配電裝置，發(fā)電機(jī)裝有出口斷路器。220 kV 配電裝置采用雙母線接線方式，設(shè)計(jì)總出線4 回，接至220 kV 的濱海變和瀝匯變，一期工程GIS（氣體絕緣金屬封閉開關(guān)）配電裝置包括3 個(gè)變壓器進(jìn)線間隔，4 個(gè)出線間隔，2 個(gè)母設(shè)間隔，1 個(gè)母聯(lián)間隔，共10 個(gè)間隔。220 kV GIS 配電裝置遠(yuǎn)景可改造為雙母線雙直流限流熔斷器接線，一期的GIS 配電裝置已經(jīng)預(yù)留了母線分段開關(guān)的接口及安裝位置。一期工程已設(shè)置1 臺(tái)高壓備變作為與2臺(tái)機(jī)組6 kV 廠用母線串聯(lián)的自備供電，其電源直接引接自廠內(nèi)的220 kV 供電裝置。中壓廠用配電系統(tǒng)為6 kV 一級(jí)電壓、短路電流水平為40 kA。

按照接入系統(tǒng)方案規(guī)定，本期工程不再新建單獨(dú)的配電裝置，2 臺(tái)發(fā)電機(jī)全部接入一期220 kV 的供電裝置，同時(shí)不考慮擴(kuò)建出線間隔。擴(kuò)建方案為：將220 kV 配電裝置變?yōu)殡p母線雙分段接線，并在濱海線路和瀝匯線路之間的預(yù)留位置新設(shè)母線分段斷路器，2 臺(tái)燃機(jī)發(fā)電機(jī)接入擴(kuò)建的2 條母線，同時(shí)增加2 條擴(kuò)建母線的母線設(shè)備及母聯(lián)斷路器。220 kV 配電裝置還將擴(kuò)建2 個(gè)主變壓器進(jìn)線間隔、2 個(gè)母分間隔、2 個(gè)母設(shè)間隔、1 個(gè)母聯(lián)間隔，共7 個(gè)間隔。

鑒于本工程的新建機(jī)組都是調(diào)峰發(fā)電機(jī)組，且必須經(jīng)常起停，若設(shè)置發(fā)電機(jī)斷路器則可增加廠用電的安全性和操作的靈活性；F 級(jí)燃機(jī)采用變頻啟動(dòng)，在燃機(jī)廠商的典型工程設(shè)計(jì)中即推薦設(shè)有發(fā)電機(jī)出口斷路器。因此本工程設(shè)計(jì)采用了在發(fā)電機(jī)和主變壓器之間增設(shè)發(fā)電機(jī)出口斷路器（簡稱GCB）的接線形式。

2 臺(tái)燃機(jī)均采用發(fā)電機(jī)—交流變壓器組單元的接線方法，高壓廠用變壓器直接支接于燃機(jī)發(fā)電機(jī)出口一側(cè)，不設(shè)高壓備用變壓器。發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)一般采用高電阻接地方式。電氣主接線圖詳見圖1。

圖1 電氣主接線圖

（2）主變壓器選擇。本工程機(jī)組功率因數(shù)為0.85，為了控制電廠接入后220 kV 短路電流，考慮電廠的升壓變阻抗電壓為20%?？紤]三相變壓器在初始投資及后期運(yùn)行維護(hù)經(jīng)濟(jì)性方面的優(yōu)勢，本工程主變壓器推薦采用三相變壓器，具體參數(shù)見表1。

表1 三相雙圈升壓變壓器主要參數(shù)

本期機(jī)組將接入老廠220 kV 配電裝置，220 kV 配電裝置選型與老廠相同，但選用屋外GIS 方法。主變壓器低壓側(cè)通過離相封閉母線連接，與發(fā)電機(jī)、高壓廠用變壓器高壓側(cè)相連；而高壓廠用變壓器低壓側(cè)通過共箱母線，引入主廠房高壓廠用配電裝置。

3.2 廠用電系統(tǒng)

（1）高壓廠用電系統(tǒng)。每套發(fā)電機(jī)組設(shè)置1 臺(tái)20 MVA 高壓廠用變壓器，用作每套發(fā)電機(jī)組6 kV 廠用配電母線的工作電源。高壓廠用變壓器則使用有載調(diào)壓的雙圈變壓器，由主變壓器低壓側(cè)支接。6 kV 廠用配電母線的備用電源從一期的高壓供電備變引接。而高壓廠用電系統(tǒng)則采取不接地方式，其原則性接線圖詳見圖2。

圖2 高壓廠用電原則性接線圖

（2）低壓廠用電系統(tǒng)。低壓廠用電系統(tǒng)采用動(dòng)力管理中心（PC）和電動(dòng)機(jī)控制中心（MCC）的配電方式，即由本發(fā)電機(jī)組6 kV 工作段的低壓廠用變壓器，進(jìn)行發(fā)電機(jī)組低壓廠用負(fù)荷的供電。配置2 臺(tái)低壓廠用變壓器，2 臺(tái)低壓廠用變壓器互為備用。在發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)若聯(lián)絡(luò)斷路器斷開，當(dāng)其中1 臺(tái)廠用變壓器脫離工作狀態(tài)時(shí)，可手動(dòng)進(jìn)行切換，不考慮自動(dòng)投入的方式。

3.3 其他設(shè)計(jì)

（1）電氣設(shè)備布置。主變壓器、高壓廠用變壓器均布置在主廠房A 列柱前。需在一期220 kV 配電裝置東面擴(kuò)建間隔，2臺(tái)機(jī)組的主變壓器與220 kV GIS 之間均通過架空線連接。原網(wǎng)絡(luò)繼電器室內(nèi)備用屏位不足，220 kV GIS 擴(kuò)建部分保護(hù)、測控等二次屏柜需布置在新建的網(wǎng)絡(luò)繼電器室內(nèi)。

（2）二次接線及自動(dòng)化。單元控制室采用機(jī)、爐、電的集中監(jiān)控方法。本工程將自動(dòng)化電氣控制納入機(jī)組DCS，以實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)及交流配電變壓器組的起動(dòng)、升壓、并網(wǎng)以及正常運(yùn)行停機(jī)的順序監(jiān)控，廠用電氣控制系統(tǒng)的管理也隨之納入DCS，以進(jìn)行全面CRT 監(jiān)控?？刂频闹饕O(shè)備和元件有發(fā)—變組、高壓廠用變壓器、高壓廠用電源線、互為備用的低壓廠用變壓器等。發(fā)電機(jī)變壓器組采用零點(diǎn)五自動(dòng)準(zhǔn)同期方式。

220 kV 升壓站電氣設(shè)備，接入原網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)NCS 控制。需相應(yīng)的擴(kuò)展智能測控單元，以實(shí)現(xiàn)其監(jiān)控功能。

4 結(jié)論

本文以浙江某電廠擬建二期2×500 MW 燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)機(jī)組為例，對(duì)其進(jìn)行電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析。本期工程考慮采用220 kV 電壓等級(jí)接入電網(wǎng)，不新增出線。220 kV 配電裝置改為雙母線雙分段接線方法，在發(fā)電機(jī)和主變壓器的中間增設(shè)了發(fā)電機(jī)出口斷路器（GCB）。主變壓器建議使用三相變壓器，采用屋外GIS 方案。每套機(jī)組設(shè)1 臺(tái)20 MVA 高壓廠用變壓器，采用有載調(diào)壓的雙圈變壓器。低壓廠用的配電控制系統(tǒng)一般采取動(dòng)力管理中心（PC）和電動(dòng)機(jī)控制中心（MCC）的供電方法。電氣設(shè)備布置緊湊，接入原網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)NCS控制。