黃 宇 清
(廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司, 廣東 廣州 510010)
某機(jī)場(chǎng)三聯(lián)供能源站項(xiàng)目位于我國(guó)西部某省會(huì)城市,用于向該機(jī)場(chǎng)區(qū)域供電、供熱水及暖氣。該項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)機(jī)場(chǎng)區(qū)域總建筑面積為32萬(wàn)m2,年用電量約為31.9 MkWh,年電費(fèi)約為2 511.7萬(wàn)元。因機(jī)場(chǎng)區(qū)域計(jì)劃擴(kuò)建,預(yù)計(jì)能源站建成后機(jī)場(chǎng)區(qū)域總建筑面積達(dá)到42萬(wàn)m2。
項(xiàng)目所在地天然氣價(jià)格低,市電采用分時(shí)計(jì)價(jià)。該三聯(lián)供能源站建成后,在電價(jià)峰時(shí)、平時(shí)時(shí)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(jì)效益;項(xiàng)目所在地供暖時(shí)間長(zhǎng),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(huì)效益。經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較,自發(fā)電成本與谷時(shí)市電電價(jià)相當(dāng),故該項(xiàng)目不考慮電價(jià)谷時(shí)時(shí)段自發(fā)電。
經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后,該項(xiàng)目能源站的聯(lián)供系統(tǒng)共設(shè)置4臺(tái)2 MW的燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)(分為2組)向機(jī)場(chǎng)全部用電負(fù)荷供電;另外,設(shè)置2臺(tái)20 t的燃?xì)忮仩t向機(jī)場(chǎng)區(qū)域輸出熱水,用于供熱水、供暖。燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)排放的尾氣用于對(duì)燃?xì)忮仩t的給水進(jìn)行預(yù)加熱,實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)。
本文對(duì)該項(xiàng)目中電氣設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行分析。
機(jī)場(chǎng)現(xiàn)狀設(shè)35/10.5 kV中心變電站1個(gè)(簡(jiǎn)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(tái)35/10.5 kV變壓器,每臺(tái)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(tái)變壓器分別接入其中一段10 kV母線。兩段10 kV母線平時(shí)分列運(yùn)行,當(dāng)其中一段故障時(shí),另外一臺(tái)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。
受當(dāng)?shù)毓╇姴块T對(duì)企業(yè)聯(lián)供系統(tǒng)上網(wǎng)的限制,該項(xiàng)目聯(lián)供系統(tǒng)采用并網(wǎng)運(yùn)行的方式,不上網(wǎng)運(yùn)行。
接入系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)發(fā)電機(jī)組的容量及變配電系統(tǒng)的主接線形式進(jìn)行設(shè)計(jì)[1]。
該項(xiàng)目中心變電站饋出的10 kV線路多達(dá)40路,下級(jí)10/0.4 kV變電所數(shù)量多,用電負(fù)荷分散在整個(gè)機(jī)場(chǎng)區(qū)域。為保證聯(lián)供系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)組能有效向所有用電負(fù)荷供電,該工程將并網(wǎng)點(diǎn)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(jī)組電源,聯(lián)供系統(tǒng)可向機(jī)場(chǎng)區(qū)域的全部用電負(fù)荷供電。
發(fā)電機(jī)組輸出電壓等級(jí)應(yīng)根據(jù)發(fā)電機(jī)容量、用電負(fù)荷要求、供電距離等因素確定。該項(xiàng)目發(fā)電機(jī)單機(jī)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(diǎn)的距離約為800 m。綜合考慮上述因素,發(fā)電機(jī)組機(jī)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(lái)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。
該項(xiàng)目設(shè)置自動(dòng)監(jiān)控集成系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱“監(jiān)控系統(tǒng)”),采用PLC控制器對(duì)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(dòng)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(cè)控儀表進(jìn)行采集),調(diào)整聯(lián)供系統(tǒng)發(fā)電機(jī)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(dòng)同期并自動(dòng)投切并網(wǎng)斷路器(位于能源站10 kV高壓配電室),實(shí)現(xiàn)聯(lián)供系統(tǒng)發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)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(cè)控儀表對(duì)35 kV市電電網(wǎng)向機(jī)場(chǎng)輸送的有功功率進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。當(dāng)有功功率接近0時(shí),監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)控制、減少發(fā)電機(jī)組的輸出功率;當(dāng)有功功率為0時(shí),逆功率保護(hù)裝置自動(dòng)斷開(kāi)發(fā)電機(jī)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(jī)向35 kV公共電網(wǎng)輸送電能。
為保證機(jī)場(chǎng)供電的可靠性,逆功率保護(hù)裝置僅作用于斷開(kāi)發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)接入斷路器,不作用于斷開(kāi)中心變電站35 kV市電的進(jìn)線斷路器。
(3)發(fā)電機(jī)組起停、輸出功率控制措施。監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(jī)組,對(duì)發(fā)電機(jī)組的輸出功率進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整,并對(duì)發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)斷路器進(jìn)行自動(dòng)投切控制。
聯(lián)供系統(tǒng)發(fā)電設(shè)備主要有小型燃?xì)廨啓C(jī)(以下簡(jiǎn)稱“燃?xì)廨啓C(jī)”)、燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)和微燃機(jī)[1],合理選擇發(fā)電機(jī)組類型是提高設(shè)備利用率、提升能效及經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵。
(1)燃?xì)廨啓C(jī)是以連續(xù)流動(dòng)氣體為工質(zhì)將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的旋轉(zhuǎn)式動(dòng)力設(shè)備,包括壓氣機(jī)、燃燒室、輔助設(shè)備等,具有結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡(jiǎn)便、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。
(2)燃?xì)廨啓C(jī)功率較大,主要用在大、中型電站。
(3)單機(jī)容量在4 MW以下時(shí),燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電效率較低,經(jīng)濟(jì)性較差。
(1)燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)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(dòng)力的設(shè)備,是一種將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的熱機(jī),具有體積小、熱效率高、起動(dòng)性能好等優(yōu)點(diǎn)。
(2)燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)受地理環(huán)境的影響比較小,高溫、高海拔下可正常運(yùn)行。
(3)燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)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(shí)燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)組的發(fā)電效率較高,較適用于單機(jī)發(fā)電功率小于4 MW的系統(tǒng)。
微燃機(jī)是微型燃?xì)廨啓C(jī),單機(jī)功率一般小于300 kW,其特性與燃?xì)廨啓C(jī)基本相同。微燃機(jī)單機(jī)功率太小,不適合應(yīng)用于該項(xiàng)目。
(1)燃?xì)廨啓C(jī)、燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)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(jī)的發(fā)電效率高于燃?xì)廨啓C(jī)。
(3)燃?xì)廨啓C(jī)的熱效率高于燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)。
(1)燃?xì)廨啓C(jī)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(dòng)蒸汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電。
(2)燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)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(dòng)吸收式冷水機(jī)組及生產(chǎn)蒸汽。
確定發(fā)電機(jī)組類型時(shí),應(yīng)綜合考慮冷熱電負(fù)荷情況、運(yùn)行方式、余熱介質(zhì)參數(shù)與余熱利用設(shè)備應(yīng)匹配、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性等因素。該項(xiàng)目具有以下特點(diǎn):
(1)發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量約為2 MW。
(2)運(yùn)行方式為并網(wǎng)。
(3)項(xiàng)目所在地海拔高度較高,約為2 000 m。
(4)產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)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(jī)組。
(5)對(duì)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(jī)組的特性,該項(xiàng)目選擇燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)作為發(fā)電機(jī)組。
選擇發(fā)電機(jī)組臺(tái)數(shù)、單機(jī)容量時(shí),應(yīng)考慮發(fā)電機(jī)工作時(shí)有較高的負(fù)載率、發(fā)電機(jī)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(bào)率高等因素。
該項(xiàng)目中產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)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(jì)目標(biāo),機(jī)組容量利用率應(yīng)盡可能高。
燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)當(dāng)負(fù)荷率在50%以上時(shí),發(fā)電效率較高;當(dāng)負(fù)荷率低于50%時(shí),發(fā)電效率低,且對(duì)機(jī)組損害較大,一般需要停機(jī),不能發(fā)電。因此,燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)只能運(yùn)行在發(fā)電負(fù)荷率為50%~100%的負(fù)荷范圍。
總投資一定情況下,發(fā)電單機(jī)功率太小,總功率較小,當(dāng)用電負(fù)荷高峰時(shí)因發(fā)電總?cè)萘坎粔?使用市電較多,經(jīng)濟(jì)效益不好;發(fā)電單機(jī)功率太大,當(dāng)用電負(fù)荷低谷時(shí)由于負(fù)荷低于單機(jī)容量的50%,發(fā)電機(jī)組需要停機(jī),需使用市電,發(fā)電總量減少,機(jī)組容量利用率低,投資回報(bào)率低。
因此,要確定發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘?、單機(jī)容量及臺(tái)數(shù),必須對(duì)項(xiàng)目用電負(fù)荷進(jìn)行分析,對(duì)全天、全年各時(shí)段用電負(fù)荷的數(shù)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析[2-3]。
該機(jī)場(chǎng)的市電電價(jià)為分時(shí)電價(jià),各時(shí)段電價(jià)情況如表1所示。
表1 各時(shí)段電價(jià)情況
由于谷時(shí)電價(jià)較低,與能源站自發(fā)電成本接近,因此該項(xiàng)目不考慮在谷時(shí)(23 ∶00~7 ∶00)發(fā)電,用電負(fù)荷分析、發(fā)電機(jī)組選型按(峰價(jià)+平價(jià))時(shí)段考慮。
該項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí),機(jī)場(chǎng)總建筑面積為32萬(wàn)m2,其中航站樓面積為9.6萬(wàn)m2,非航站樓面積為22.4萬(wàn)m2。中心變電站已設(shè)置電力自動(dòng)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(diǎn)時(shí)刻的有功功率數(shù)值。該項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)階段,筆者從系統(tǒng)中導(dǎo)出了機(jī)場(chǎng)最近1~2年的每日平均有功負(fù)荷、日有功負(fù)荷的運(yùn)行數(shù)據(jù),并對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)、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(duì)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(jī)場(chǎng)每年擴(kuò)建,總建筑面積逐年增加。
(2)典型日有功功率(機(jī)場(chǎng)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(shí)電價(jià)與自發(fā)電成本相當(dāng),故谷時(shí)使用市電,統(tǒng)計(jì)時(shí)不考慮谷電價(jià)時(shí)段。對(duì)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。
因機(jī)場(chǎng)計(jì)劃1~2年擴(kuò)建,預(yù)計(jì)擴(kuò)建后總建筑面積達(dá)到42萬(wàn)m2,其中航站樓建筑面積為9.6萬(wàn)m2,非航站樓建筑面積為32.4萬(wàn)m2。能源站建成后,機(jī)場(chǎng)總建筑面積將為42萬(wàn)m2,故有必要對(duì)擴(kuò)建后的用電負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)。
以現(xiàn)有運(yùn)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(zhǎng)的負(fù)荷分為航站樓、非航站樓兩部分分別進(jìn)行預(yù)測(cè)。
(1)有功功率預(yù)測(cè)模型。機(jī)場(chǎng)現(xiàn)狀及擴(kuò)建建筑規(guī)模如表3所示。
表3 機(jī)場(chǎng)現(xiàn)狀及擴(kuò)建建筑規(guī)模
預(yù)測(cè)10 kVⅠ段有功功率P2a=P2a1+P2a2,其中P2a1、P2a2分別為10 kVⅠ段擴(kuò)建后航站樓部分、非航站樓部分的有功功率。
預(yù)測(cè)10 kVⅡ段有功功率P2b=P2b1+P2b2,其中P2b1、P2b2分別為10 kVⅡ段擴(kuò)建后航站樓部分、非航站樓部分的有功功率。
因此,擴(kuò)建后總的有功功率P=P2a+P2b。
(2)典型日有功功率預(yù)測(cè)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(hào)作為典型日,共36天),35 kV進(jìn)線典型日有功功率預(yù)測(cè)曲線如圖4所示。
圖4 35 kV進(jìn)線典型日有功功率預(yù)測(cè)曲線
不考慮谷電價(jià)時(shí)段,對(duì)圖4進(jìn)行分析,擴(kuò)建后典型日最大、最小及平均有功功率預(yù)測(cè)如表4所示。
表4 擴(kuò)建后典型日最大、最小及平均有功功率預(yù)測(cè)
由圖4、表4,可得如下結(jié)論:
(1)預(yù)測(cè)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(cè)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(cè)年有功功率的平均值為4 948.9 kW。
發(fā)電機(jī)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(shí)分列運(yùn)行。聯(lián)供系統(tǒng)發(fā)電機(jī)組應(yīng)分為2組,各組分別與其中1段10 kV母線并網(wǎng)運(yùn)行。
考慮各組發(fā)電機(jī)容量應(yīng)適應(yīng)用電負(fù)荷的變化,保證投入運(yùn)行的發(fā)電機(jī)負(fù)荷率在50%~100%范圍內(nèi),每組設(shè)置2臺(tái)發(fā)電機(jī)組。發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行時(shí),每組發(fā)電機(jī)的有功功率可在總裝機(jī)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(tái)2 000 kW的內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組,發(fā)電機(jī)組裝機(jī)總?cè)萘繛? MW。發(fā)電機(jī)組分為2組,每組設(shè)2臺(tái)發(fā)電機(jī)組,2組發(fā)電機(jī)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(jià)時(shí)段(23 ∶00~7 ∶00),該項(xiàng)目發(fā)電機(jī)組不運(yùn)行,機(jī)場(chǎng)全部使用市電。在市電峰電價(jià)及平電價(jià)時(shí)段,該項(xiàng)目發(fā)電機(jī)組運(yùn)行,盡可能保證機(jī)場(chǎng)的全部負(fù)荷用電。在用電負(fù)荷高峰時(shí)段,4臺(tái)發(fā)電機(jī)組全部滿負(fù)荷運(yùn)行;在用電負(fù)荷最低時(shí)段,每組1臺(tái)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行(共2臺(tái)機(jī)組運(yùn)行),2臺(tái)發(fā)電機(jī)組負(fù)荷率分別為81%、60%。
上述發(fā)電機(jī)機(jī)組分組、臺(tái)數(shù)、容量的確定與設(shè)計(jì)目標(biāo)相適應(yīng),在負(fù)荷高峰或低谷時(shí)段,基本可以實(shí)現(xiàn)機(jī)場(chǎng)全部用電由發(fā)電機(jī)組供電,因此機(jī)組分組、臺(tái)數(shù)及單機(jī)容量合理,機(jī)組容量利用率高。
三聯(lián)供能源站電氣設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目投資經(jīng)濟(jì)性分析及地方電網(wǎng)對(duì)分布式電站上網(wǎng)的要求,確定發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)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(jī)機(jī)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(dòng)情況、余熱熱能利用方式、項(xiàng)目所在地海拔高度、投資和運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性等因素,確定燃?xì)獍l(fā)電機(jī)的機(jī)組類型、機(jī)組臺(tái)數(shù)、單臺(tái)機(jī)組功率及分組運(yùn)行方式等。