高彥生

摘要：本文以華電分布式能源項(xiàng)目的50MW等級航改型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組為例，對其電氣系統(tǒng)進(jìn)行分析，并為相關(guān)的航改型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的電氣系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)、測試、施工提供借鑒，也為進(jìn)一步的系統(tǒng)改造打下基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：航改型燃?xì)廨啓C(jī);電氣安全;系統(tǒng)應(yīng)用

1 ?概述

隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，新技術(shù)、新能源已成為社會(huì)不斷前進(jìn)的重要發(fā)展推動(dòng)力。在對能源越來越要求高效化、清潔化的今天，新型航改型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的應(yīng)用越來越廣泛。比起傳統(tǒng)的火電機(jī)組，航改型燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組結(jié)構(gòu)緊湊，輔助設(shè)備少，智能化程度高，所需的運(yùn)行維護(hù)人員也更少，所以在設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮機(jī)組的整體可靠性及安全性。在此背景下以華電分布式能源項(xiàng)目的50MW等級航改型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的電氣系統(tǒng)進(jìn)行安全性分析，對相關(guān)的航改型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的后續(xù)研發(fā)和設(shè)計(jì)有著借鑒性意義。航改型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)應(yīng)用性較強(qiáng)的應(yīng)用型技術(shù)開發(fā)，在整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，除了要考慮其自身結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性，同時(shí)也要兼顧對環(huán)境的影響;既要從系統(tǒng)角度分解設(shè)計(jì)各個(gè)子系統(tǒng)，又要針對具體要求進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)滿足項(xiàng)目系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，切實(shí)做好多要素件的考量和規(guī)劃，在實(shí)現(xiàn)整體功能的完整后，也為進(jìn)一步的系統(tǒng)改造打下基礎(chǔ)。

2 ?航改型燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組介紹

在對航改型燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組項(xiàng)目分析過程中，以50MW等級航改型燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組項(xiàng)目為基礎(chǔ)進(jìn)行分析，機(jī)組為聯(lián)合循環(huán)應(yīng)用，用于熱、電、冷三聯(lián)供，負(fù)荷特性是以冷、熱負(fù)荷定電負(fù)荷。根據(jù)項(xiàng)目的使用環(huán)境和地理位置，提供基于LM6000燃?xì)廨啓C(jī)開發(fā)的成套燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組。如圖1所示為LM6000燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的布局圖，采用標(biāo)準(zhǔn)的模塊化設(shè)計(jì)，包括航改型燃?xì)廨啓C(jī)LM6000、齒輪箱和發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、燃機(jī)箱體、發(fā)電機(jī)箱體、控制系統(tǒng)、燃機(jī)噴水系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、燃料系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、液壓啟動(dòng)系統(tǒng)、勵(lì)磁系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)繼電保護(hù)系統(tǒng)、消防滅火系統(tǒng)、直流電系統(tǒng)、在線/離線水洗系統(tǒng)、防凍處理等。應(yīng)用于不同區(qū)域時(shí)，可以按照當(dāng)?shù)氐牟煌h(huán)境增加可選的功能配置。

本文主要針對以下兩個(gè)方面研究燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組電氣安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：

①危險(xiǎn)區(qū)域電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì);

②接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3 ?電氣安全設(shè)計(jì)應(yīng)用研究

航改型燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組由于其集成化和智能化，所需的運(yùn)行維護(hù)人員也更少，所以在設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮機(jī)組的整體可靠性及安全性。同時(shí)在電廠的安裝施工過程中，存在設(shè)計(jì)方（設(shè)計(jì)院）、設(shè)備廠家、施工方等之間的協(xié)同配合，按照以往的經(jīng)驗(yàn)，機(jī)組的危險(xiǎn)區(qū)域設(shè)計(jì)安裝工藝以及機(jī)組的接地系統(tǒng)非常容易導(dǎo)致機(jī)組調(diào)試和運(yùn)行中出現(xiàn)故障。所以要在機(jī)組的設(shè)計(jì)過程中充分考慮這些因素，減少設(shè)計(jì)方（設(shè)計(jì)院）的額外設(shè)計(jì)，降低施工方的施工難度，減低機(jī)組調(diào)試過程中產(chǎn)生的相應(yīng)故障，提高機(jī)組運(yùn)行可靠性。

3.1 危險(xiǎn)區(qū)域電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

LM6000航改型燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組采用的燃料為天然氣，根據(jù)危險(xiǎn)區(qū)域要求，按照GB3836-14（等同IEC60079-10）標(biāo)準(zhǔn)，航改型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組屬于爆炸性環(huán)境2區(qū)，具體的危險(xiǎn)區(qū)域劃分如圖2陰影部分所示。在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)上尤其要關(guān)注這些部分的設(shè)計(jì)、制造和現(xiàn)場施工。

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，此危險(xiǎn)區(qū)域等級的電氣設(shè)備及安裝附件防爆類型一般會(huì)選用本安“i”或隔爆“d”。本安電氣設(shè)備防爆原理是通過限制電氣設(shè)備電路的各種參數(shù)或采取保護(hù)措施來限制電路的火花放電能量和熱能，使其在正常工作和規(guī)定的故障狀態(tài)下產(chǎn)生的電火花和熱效應(yīng)均不能點(diǎn)燃周圍環(huán)境的爆炸性混合物，從而實(shí)現(xiàn)電氣防爆。本安設(shè)備在電廠安裝時(shí)需要通過電纜連接至外部系統(tǒng)，組成一個(gè)完整的本質(zhì)安全電路，此時(shí)設(shè)計(jì)方必須要考慮在電路中加裝安全柵，限制進(jìn)入設(shè)備的能量，即限壓限流，從而不會(huì)使現(xiàn)場產(chǎn)生火花，即使短路情況下也不會(huì)發(fā)生爆炸。而如果采用隔爆型設(shè)備，則無需考慮安全柵等外部電路安全的設(shè)計(jì)，可以減少額外的設(shè)計(jì)工作或是因?yàn)槿藶槭д`導(dǎo)致的安全隱患。（圖2）

圖2中所示燃機(jī)艙室、燃機(jī)艙室通風(fēng)區(qū)域、燃機(jī)艙室排氣區(qū)域均列為爆炸性環(huán)境2區(qū)（圖中陰影區(qū)域），這些區(qū)域安裝的電氣部件均需要防爆認(rèn)證。對于圖中非陰影部分，盡管設(shè)計(jì)上是非危險(xiǎn)區(qū)域，但實(shí)際制造和安裝施工使用的元器件及制造或施工方法也必須按照防爆電氣方法進(jìn)行。

燃?xì)廨啓C(jī)艙室內(nèi)包含燃?xì)廨啓C(jī)、燃機(jī)電纜、震動(dòng)探頭、消防系統(tǒng)部件、照明設(shè)備、緊急停止開關(guān)、溫度探頭。此艙室內(nèi)的所有部件要符合ATEX/CE/Ex II 3G，并且經(jīng)過認(rèn)證。其中連接到燃機(jī)和相關(guān)設(shè)備的電纜均要耐高溫，耐油型電纜，最好是防爆工業(yè)電纜，如果是非防爆電纜，在電纜和部件的連接上必須使用滿足防爆類型的格蘭、接頭、接線盒等相關(guān)連接件。電纜需要穿過艙室與外部控制柜或接線箱互聯(lián)，那么電纜穿過燃機(jī)艙必須經(jīng)由防火密封轉(zhuǎn)接系統(tǒng)穿過燃機(jī)艙，而且此防火密封轉(zhuǎn)接系統(tǒng)必須有防爆認(rèn)證;同時(shí)，在安裝電纜過程中，安裝方式和方法也必須滿足防爆防火的要求。在燃機(jī)艙外非陰影區(qū)，盡管被定義為非危險(xiǎn)區(qū)，但涉及電氣的部件也必須是防爆認(rèn)證產(chǎn)品，同時(shí)電氣部件安裝方式也必須安裝防爆要求進(jìn)行安裝。

燃?xì)廨啓C(jī)排氣口和燃機(jī)艙排風(fēng)電機(jī)及VBV排氣口也是危險(xiǎn)區(qū)，圖中弧度半徑為1米，在此陰影區(qū)域內(nèi)都是危險(xiǎn)區(qū)二區(qū)，所有使用的電氣元件必須滿足防爆標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)電氣安裝也必須滿足防爆要求。在安裝現(xiàn)場不允許有任何非防爆電氣設(shè)備存在。

所有危險(xiǎn)區(qū)域及與非危險(xiǎn)區(qū)域接口處也要按照危險(xiǎn)區(qū)域設(shè)計(jì)。同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品防爆安全，在設(shè)計(jì)上必須涉及除了元器件外，還要考慮電纜連接和元器件的安裝必須滿足安全設(shè)計(jì)要求。所有接線箱、接口，Y型密封都需要防爆要求滿足危險(xiǎn)2區(qū)的使用。

3.2 接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)

燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)過程中，必須從安全角度綜合考慮接地系統(tǒng)，設(shè)計(jì)院、分包商、承建商必須按照要求進(jìn)行施工、驗(yàn)收。包括：

3.2.1 交流低壓電源配電系統(tǒng)的接地方式

由于電站處于危險(xiǎn)環(huán)境且對供電安全要求比較高，采用TN-S系統(tǒng)供電，接地系統(tǒng)PE線與N線必須從變壓器低壓側(cè)全線分開，各負(fù)載設(shè)備需要可靠有效的接地。嚴(yán)禁采用TN-C接地方式，同時(shí)增加接地故障保護(hù)（30mA）設(shè)計(jì)，增加每個(gè)單相支路過載保護(hù)設(shè)計(jì)。

3.2.2 電氣控制系統(tǒng)的接地方式

為了保證燃機(jī)機(jī)組電氣控制系統(tǒng)的正常可靠運(yùn)行，防止出現(xiàn)因信號干擾導(dǎo)致停機(jī)或事故，需要將保護(hù)接地和儀表接地進(jìn)行區(qū)分，單獨(dú)連接至現(xiàn)場的接地點(diǎn)。如圖3所示為保護(hù)PE及儀表IE接地示意圖。在設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)需要將這些因素考慮并體現(xiàn)在具體的圖紙中，保證在施工過程中能夠有效執(zhí)行;同時(shí)在現(xiàn)場施工期間，屏蔽層剝離必須可靠，無間斷，保證系統(tǒng)抗干擾性能。

3.2.3 客戶現(xiàn)場接地檢查

當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)運(yùn)到客戶現(xiàn)場進(jìn)行現(xiàn)場安裝過程，現(xiàn)場接地系統(tǒng)施工設(shè)計(jì)、安裝和檢查是重中之重，現(xiàn)場項(xiàng)目經(jīng)理、施工監(jiān)理必須認(rèn)真嚴(yán)格執(zhí)行接地系統(tǒng)施工與檢查，因?yàn)檫@些保護(hù)地排，儀表地排必須分開，如圖3。當(dāng)進(jìn)行產(chǎn)品與儀表地排和保護(hù)地排進(jìn)行連接過程中，施工人員與廠家電氣工程師必須進(jìn)行充分溝通和交底后才能開始布線，隔離并預(yù)留10%富裕線，同時(shí)在接線結(jié)束后，廠家電氣工程師與施工人員必須進(jìn)行檢查和測試并在作業(yè)單上簽字，以此保證燃機(jī)輪機(jī)發(fā)電機(jī)組信號在干擾情況下能正常運(yùn)行，不至于產(chǎn)生停機(jī)的干擾誤停機(jī)信號。

4 ?結(jié)論

本文以華電分布式能源項(xiàng)目的50MW等級航改型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組電氣安全設(shè)計(jì)實(shí)踐為例，對于其相關(guān)的航改型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的后續(xù)研發(fā)和設(shè)計(jì)有著借鑒性意義，通過項(xiàng)目的具體實(shí)施過程，對細(xì)節(jié)等過程的把控實(shí)現(xiàn)航改型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的電氣系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)應(yīng)用，為后續(xù)研究深化打下基礎(chǔ)。同時(shí)在項(xiàng)目實(shí)際執(zhí)行過程中，廠家、設(shè)計(jì)方和施工方能更熟悉此類產(chǎn)品的安裝設(shè)計(jì)、施工，共同保證航改型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定可靠運(yùn)行，進(jìn)而提升發(fā)電機(jī)組運(yùn)營效率。

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