18061042899
当前位置:主页 > 新闻中心 > 大型火力发电厂事故保安柴油发电机组的电压选

大型火力发电厂事故保安柴油发电机组的电压选

2020-11-05
来源: 礼德动力

随着机组容量的增加,事故保安柴油发电机组的容量也随之增加。事故保安电源作为保障机组在事故时能够安全停机的保障性电源,对保证发电厂主、辅机的设备安全和系统安全起着十分重要的作用。GB 50660—2011《大中型火力发电厂设计规范》中以强制条文的形式规定,200 MW及以上机组应设置交流保安电源,并明确交流保安电源应采用快速启动的柴油发电机组,因此,柴油发电机组的选型是保安电源设计的重要内容。除了核电的备用电源和部分工程的黑启动柴油发电机组采用高压柴油机之外,普通燃煤电站均以低压柴油发电机组作为交流事故保安电源。本文将重点对高压柴油发电机组是否适合应用于事故保安电源进行分析。

1 事故保安柴油发电机的应用现状及存在的问题

1.1 应用现状

根据近年来国内外大中型火力发电厂的设计经验,最常见的配置方式为按机组设置保安柴油机,为本机对应的保安段提供保安电源。300 MW级机组一般配置650 kW柴油发电机,600 MW级机组配1 200 kW柴油发电机,1 000 MW级机组配1 800 kW柴油发电机,发电机输出电压一般为0.4 kV,平均功率因数cos φ为0.8。

1.2 存在的问题

事故保安柴油发电机组主要存在以下问题。

a.电缆数量多,安装困难。对于300 MW级机组配置的650 kW柴油发电机,其额定电流约为1 173 A,按一般电缆降容系数选择,需要5根YJV-3×185+1×95的电缆即可满足柴油发电机额定电流。对于1 200 kW和1 800 kW的柴油发电机组,却需要9~14根电缆才能满足其额定电流的需求。同一回路安装这么多的电缆对柴油发电机和保安电源段的开关柜来说十分困难,甚至需要专门设置一个电缆接头柜才能完成,并且同回路电缆需按相同路径敷设才能保证各电缆中电流均衡,对电缆通道的要求相应提高。

b.安装位置距离保安段较远,电压损失大。由于柴油发电机组需要进气、排气以及燃油存储,因此,布置上受限制较多。发电厂设计越来越紧凑,柴油发电机房经常会被布置在距离主厂房和集控楼较远的位置。较大的额定电流会在电缆上产生较大的压降,设备终端电压水平难以保证。

c.柴油发电机定期试验时存在并列运行工况,短路电流大。为保证柴油发电机时刻处于可用状态,需要定期对柴油发电机组进行启动和并网试验,这个时间可能会持续数十分钟到几个小时。在试验过程中,柴油发电机组会与保安电源的工作段并列运行,使相应的低压母线段短路电流水平大幅度提高。

2 高压柴油发电机组的应用可行性研究

针对上述问题,提高柴油发电机电压等级,可以更加直接有效地解决问题。高压柴油发电机组是否适合应用于保安段电源,需在一定接线形式下经过技术经济比较来确定。下面以某2×1 000 MW机组工程为例,对其应用可行性进行研究。

2.1 大机组的保安段接线方式

大机组的常见接线方式为:每台机设置保安A段和B段,每段保安段均可从厂用电源中心(PC)获得两路工作电源和一路柴油发电机电源[1]。若采用高压柴油发电机组,则需在保安PC电源进线位置增设一台保安变压器,将电源电压降低到0.4 kV,接线方式见图1,其中MCC为电动控制中心。

图1 高压柴油发电机组接线方式

2.2 技术可行性分析

2.2.1 电压等级的选择

高压柴油发电机的额定电压可以选择3.3 kV,6.3 kV和10.5 kV。以1 800 kW柴油发电机为例,对应的额定电流是393 A,206 A,123 A,高压柴油发电机组的电压等级对价格的影响十分有限,因此,按额定电流选择电缆是主要的价格因素,3.3 kV等级需要2根YJV-3×185+1×95的电缆才能满足额定电流要求;而6.3 kV和10.5 kV的发电机均可采用一根电缆。考虑到高压厂用电电压等级为6.3 kV或10.5 kV,选择与厂用电相同电压等级的发电机,在运行维护、备品备件上更加便利。

2.2.2 保安变压器的选择

保安变压器的容量不宜小于柴油发电机的视在功率,否则会限制柴油发电机的出力。1 800 kW功率因数为0.8的柴油发电机,其视在功率为2 250 kVA,保安变压器容量可选择2 500 kVA。变压器变比为(6.3±2×2.5%)/0.4,阻抗电压应校验保安段母线电压波动,并结合短路电流限制需求确定。

2.2.3 保安段供电质量的校验

通过电力电气分析、电能管理的综合分析软件(ETAP)平台,以1 000 MW发电机为例,进行保安段常规配置的各项计算,以验证高压柴油发电机组应用于保安段的可行性,并对比低压柴油发电机的计算结果进行分析。保安段仿真接线见图2。

图2 保安段仿真接线

图2中1 000 MW机组的保安段设电源段,由柴油发电机供电,并通过电缆向汽轮机和锅炉保安段提供电源。柴油发电机房与保安电源段的电缆长度为400 m,保安电源段到保安段为100 m,保安段到最大一台90 kW电动机的电缆长度为100 m。

为了对比低压柴油发电机和高压柴油发电机对同一保安电源系统供电的差异,在保安电源段上设置了2台柴油发电机,通过断路器控制其工作状态。

采用低压柴油发电机供电时,经潮流计算,柴油发电机组额定电流较大,柴油发电机通过14根电缆与保安电源段连接,该段电缆产生的电压降为4.5%(以380 V为基准,以下相同),在电缆上的损耗约为62 kW。保安电源段母线电压水平为100.76%,机组保安段母线电压水平为99.63%,到设备终端的电压水平为98.13%,满足供电质量要求。

以首批加载260 kW电动机负载和160 kW静止负载,按DL/T 5153—2014《火力发电厂厂用电设计技术规程》中的算法,校验柴油发电机首批加载能力Pedg:

Pedg≥2.5KqPedcos φ+2∑Peb

(1)

式中:Ped为电动机负载功率;Peb为静止负载功率;cos φ为平均功率因数,取0.8;Kq为电动机启动电流倍数,取5倍。

经校验,柴油发电机容量大于1 620 kW即可满足首批加载要求。

按式(2)校验最大一台电动机(90 kW)启动时的电压波动Um

(2)

式中:Se为发电机额定容量;PDM为最大一台电动机容量;为发电机的暂态电抗,取19%。

可以得出Um=95.47%,与ETAP计算的结果94.7%相近。

当采用高压发电机组供电时,经潮流计算,同样是400 m电缆,6 kV柴油发电机组只需要1根YJV-3×185电缆,在电缆上产生的电压降为0.3%。电缆产生的有功功率损耗为3.5 kW。保安电源段母线电压水平为101.43%,保安段母线电压水平为100.3%,负载终端电压水平为98.81%。

从各节点电压来看,主要电压降发生在保安变压器,由于保安变压器可安装调压开关,并且阻抗可根据需要进行设计,更容易满足终端负载的电压水平。保安变压器的有功功率损耗约为10 kW。

由于负载参数不变,首批加载能力的校验仅仅考虑增加保安变压器的有功功率损耗即可。首批加载负荷在启动时加载在保安变压器上的负荷可按电动机负荷的启动功率和与静态负荷相加考虑。计算负荷约为1 800 kVA,此时,保安变压器的有功功率损耗约为12 kW,因此,按式(1)校验柴油发电机,有功功率大于1 644 kW即可满足要求。

由于6 kV柴油发电机的阻抗和0.4 kV的柴油发电机有所区别,6 kV柴油发电机的取14.4%。最大一台电动机启动时,按ETAP计算结果为95.59%。考虑电动机启动负载通过变压器时产生的损耗,等同于在电动机启动容量上增加了一个损耗容量,因此,估算变压器的电动机启动损耗为50 kVA,计算电压水平为96.22%。

通过计算,可以证明增加一台保安变压器不会对保安段的供电质量产生不良影响,在技术上是可行的。

2.2.4 短路故障分析

事故保安段的最恶劣工况是当柴油发电机与保安工作电源并列运行时,保安PC或厂用PC的母线或回路发生三相故障。经过计算,无论采用哪种柴油发电机,最终故障点的短路电流基本是相近的,上述两方案在保安电源段发生故障时,柴油发电机所提供短路电流周期分量起始值均为19.4 kA,这一数值与柴油发电机的次暂态电抗及保安变压器的短路阻抗电压Ud%有关。

当采用高压柴油发电机时,可以通过调整保安变压器的阻抗,在电压降允许的范围内,适当降低柴油发电机向故障点提供的短路电流。

2.3 经济性分析

应用高压柴油发电机组主要在以下几个方面引起价格变化:高压柴油发电机组价格;增设保安变压器的价格;电缆材料量的变化;开关柜数量的变化。

通过计算对比,可以看出:电缆上存在数十千瓦的有功和无功功率损耗,但是考虑到事故保安段由柴油发电机供电的时间很短,日常试验也只进行启动和同期试验,并短时(1 h左右)带一定的负载,因此该部分损耗未计入经济比较。当柴油发电机房距离保安电源段较远时,两个方案的经济性差异见表1,低压方案为612.4×104元,高压方案为517.5×104元。

表1 两方案经济性比较

从表1可以看出,按照项目情况,采用高压柴油发机电组的方案要比采用低压柴油发电机的方案更加经济。

3 结论

事故保安柴油发电机高压、低压两个方案有各自的适用范围:低压方案适合柴油发电机房距离保安段较近以及柴油发电机容量较小的工程;高压方案适合大容量柴油发电机以及柴油发电机房距离保安段几百米的工程。

两个方案需要根据工程的具体造价具体分析,相对而言,就大机组的事故保安段的常规配置来看,采用高压柴油发电机组在设备电缆选择、安装上具有较好的便利性;而且,由于大机组主厂房面积大,保安段的负荷主要集中在汽轮机和锅炉,无论保安段设置在何处,一些负荷的末端电压都很难保证,如果采用高压柴油发电机组加保安变压器的方案,则比较容易统一调节。

大机组事故保安段采用高压柴油发电机组在技术上是可行的,在施工和运行上是便利的,在一定条件下也具有经济优势。