大型火力发电厂事故保安柴油发电机组的电压选择研究.pdf

2 0 1 6年 6月 第 4 4卷 第 3期 总 第 2 4 4 期 J u n ． 2 0 1 6 Vo 1 ． 4 4 No ． 3 S e r ． No ． 2 4 4 大型火力发电厂事故保安柴油 发 电机组 的电压选 择研究 Re s e a r c h on Vo l t a g e Se l e c t i o n f o r La r g e Po we r Pl a n t S e c u r i t y Ac c i de nt Di e s e l Ge n e r a t i n g Uni t 杨 华 ， 钱 序 1 ． 长春 职 业技 术 学院 ， 长春 1 3 0 0 3 3 ； 2 ． 中国 电力工程 顾 问集 团 东北 电力设 计 院有 限公 司， 长春 1 3 0 0 2 1 摘要 针对事故保安柴油发 电机组 电缆根 数多、 安装 困难 、 电缆 压降大等 问题 ， 在技术性 、 经济性上对 大机 组事故 保 安电源能 否采用高压 柴油发 电机进行 了分析 ， 并 且提 出 了使 用高压 柴油发 电机组 的保 安 电源段接 线和校 验方 法 ， 得 出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 ， 在一定条件 下也具有 经济优势的结论 。 关键词 大型火力发 电厂 ； 高压柴油发电机组 ； 事 故保 安电源 中图分 类号 T M3 1 4 ． 2 ； TM5 1 文献标 志码 B 文章编号 1 0 0 9 5 3 0 6 2 0 1 6 0 3 0 0 2 8 0 3 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 5 0 6 6 0 -- 2 0 1 l 大 中型火 力 发 电厂 设计 规 范 中 以强 制条 文 的形 式规 定 ， 2 0 0 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 。3 0 0 Mw 级 机组 一 般 配 置 6 5 0 k w 柴 油 发 电 机 ， 6 0 0 MW 级 机组 配 1 2 0 0 k W 柴 油 发 电机 ， 1 0 0 0 MW 级 机 组 配 1 8 0 0 k W 柴 油 发 电机 ， 发 电机 输 出 电压 一 般 为 0 ． 4 k V， 平均功率因数 C O S声为 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 3 0 0 Mw 级机 组 配 置 的 6 5 0 k w 柴 油 发 电 机 ， 其 额 定 电 流 约 为 1 1 7 3 A， 按一般 电缆降容系数选择 ， 需要 5根 YJ V一 3 1 8 5 1 9 5的 电缆 即可满 足 柴油 发 电机 额 定 电 流 。对 于 1 2 0 0 k W 和 1 8 0 0 k W 的柴 油发 电机组 ， 却需要 9 ～1 4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 收稿 日期 2 0 1 6 - 0 1 0 4 作者简介 杨 华 1 9 7 9 ， 女 ， 讲 师 ， 从事 电气及 自动化教 学研 究工作。 2 8 2 0 1 6年 6月 第 4 4卷 第 3期 总 第 2 4 4期 吉 林 电 力 J i l i n El e c t r i c P o we r J u n ． 2 0 1 6 Vo 1 ． 4 4 No ． 3 S e r ． No ． 2 4 4 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 0 0 0 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 P C 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 P C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 k V， 接线方式见图 1 ， 其 中 MC C为电动控制 中心 。 汽机 PCA 汽机 PC B 锅 炉 PC A 锅炉 PC B 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 k V， 6 ． 3 k V 和 1 0 ． 5 k V。以 1 8 0 0 k W 柴油 发 电机 为例 ， 对应 的额定电流是 3 9 3 A， 2 0 6 A， 1 2 3 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 k V等 级需要 2根 YJ V一 3 1 8 5 1 9 5的电缆才能满足 额 定 电 流要 求 ； 而 6 ． 3 k V 和 1 0 ． 5 k V 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 k V或 1 0 ． 5 k V， 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 8 0 0 k W 功 率因数为 0 ． 8的柴油发 电机 ， 其视在功率为 2 2 5 0 k VA， 保安变压器容量可选择 2 5 0 0 k V A。 变压器变 比为 6 ． 3 2 2 ． 5 ／ o ． 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 E TAP 平台， 以 1 0 0 0 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中 1 0 0 0 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 4 0 0 m， 保安电源段到保安段为 1 0 0 m， 保安段 到最大一台 9 O k w 电动机的电缆长度为 1 0 0 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 1 4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 3 8 0 V 为基 准 ， 以下 相 同 ， 在 电缆上 的损 耗约 为 6 2 k W。 保安电源段母线 电压水平为1 0 0 ． 7 6 ， 机组 保 安 段母 线 电压 水 平 为 9 9 ． 6 3 9 ／ 6 ， 到 设 备 终 端 的 电 压水平为 9 8 ． 1 3 ， 满足供 电质量要求。 以首 批 加 载 2 6 0 k W 电动机 负 载 和 1 6 O k W 静 止负 载， 按 D 1 ／ T 5 1 5 3 2 O 1 4 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 P P d g ≥ 2 ． 5 q P d C O S声 2 P b 1 式中 P a 为 电动机负载功率 ； P 曲为静止负载功率 ； C O S声为平均功率因数 ， 取 0 ． 8 ； K。 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 6 2 0 k W 即 可 满足首批加载要求 。 按式 2 校验最大一台电动机 9 0 k w 启动时 的 电压波 动 ， 一 r 9、 1 ． 2 5 K 。 PD M 式 中 。 为 发 电机 额定 容量 ； P。 为最 大一 台电动 机 容量 ； X 为发电机的暂态电抗 ， 取 1 9 。 可以得出 U 一9 5 ． 4 7 ， 与 E TA P计算的结果 9 4 ． 7 相 近 。 当采用高压发电机组供电时 ， 经潮流计算 ， 同样 是 4 0 0 m 电缆 ， 6 k V 柴油 发 电机 组 只 需要 1根 2 9 2 0 1 6年 6月 第 4 4卷 第 3期 总第 2 4 4期 J u n ． 2 0 1 6 Vo 1 ． 4 4 No ． 3 S e r ． No ． 2 4 4 低 等 一 变 2 5 M VA ； k V l l l 打 开1 竺 ⋯ 茄 打 开 1 0 0 0k V A 铺 巍 1 0 0 0 k VA 打开 ． 打 开 1 【 s等 B 6 等效保安负荷 A 保安电源段 0 _ 3 8k V 电缆 4 l l 6 9 4 k V A 最大一 台电动机 9 0kW 电缆 1 O 高压柴油发电机 1 8 0 ok W 电缆 6 - 6 k V 图 2保 安 段 仿 真 接 线 YJ V一 31 8 5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 k W 。 保安电 源段 母 线 电压水 平 为 1 0 1 ． 4 3 ， 保 安 段母 线 电压水 平为 1 0 0 ． 3 ， 负载终端电压水平为 9 8 ． 8 1 。 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 1 0 k W 。 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 8 0 0 k VA， 此 时 ， 保 安 变压 器 的有功 功率 损 耗 约为 1 2 k W ， 因此 ， 按式 1 校验 柴油 发 电机 ， 有 功功率大于 1 6 4 4 k w 即可满足要求。 由于 6 k V 柴 油 发 电机 的 阻 抗 和 0 ． 4 k V 的柴 油 发 电机 有 所 区别 ， 6 k V 柴 油 发 电 机 的 x 取 1 4 ． 4 ％。 最大一 台电动机启动时 ， 按 E T AP计算结 果为 9 5 ． 5 9 。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 5 O k VA， 计算电压水平为 9 6 ． 2 2 。 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 。 3 0 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 P C或厂 用 P C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 1 9 ． 4 k A， 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 ％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 柴油发电机供庖 的时间很短 ， 日常试验也只进行启 动和同期试验‘ l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 6 1 2 ． 4 1 0 元， 高压方案为 5 1 7 ． 5 1 0 元 。 下 转第 4 4页 2 0 1 6年 6月 第 4 4卷 第 3期 总第 2 4 4期 J u n． 2 0 1 6 Vo 1 ． 4 4 No ． 3 S e r ． No ． 2 4 4 密 封部 位 塑膜 防漏 密封 层 必 须 采取 自然 成 型 、 平 滑 过渡的方式铺设 ， 禁止采用平铺方式。 首先在所要修复工作面焊接不锈钢钩钉 ， 主要 作用是为了固定菱型不锈钢网， 钩钉双面要焊接牢 固， 其长度为 6 0 ～1 0 0 mm， 外侧边缘一排 间距 1 5 0 mm 左右 ， 内部间距不大于 2 5 0 mm， 根据现场情况 呈交错排列布置 ， 不得少 于 1 2根／ m ， 并将焊渣等 清 除 干净 ； 然 后在 管 与 管之 间填 充 裁好 的涂 抹纤 维 粘合剂的条形 陶瓷纤维； 最后 ， 清扫工作面灰尘后 ， 采用可耐温 1 0 0 0℃的纤维粘合剂粘合 陶瓷纤维。 本工艺一般要求铺设 3层 ， 陶瓷纤维密封层与被密 封表面 包括金属管壁 、 金属密封板与其他锅炉原始 密 封层 之 间必 须均 匀 涂 抹纤 维 粘 合 剂 ， 厚 度一 致 ， 在其侧面接缝处同样涂抹纤维粘合剂 。 上述步骤完成后 ， 对于膨胀量较大的泄漏部位 如墙式再热器、 水冷壁 四角等 ， 铺设一层陶瓷纤维 后 ， 再铺设一层镍铬锰软网， 最后在其上铺设其余的 陶瓷纤 维密 封层 。 4 结束语 3 0 0 Mw 及以上 的超临界锅炉 ， 普遍存在水冷 上接 第 3 0页 表 1 两方案经济性 比较 壁上联箱水冷壁管座焊 口及鳍 片拉裂隐患 ， 是 由水 冷壁管膨胀变形受 阻， 在应力集 中部位发生应力拉 裂。解决措施是 割开一定长度 的水冷壁鳍片， 使水 冷壁管的 自由段变长 ， 从而改善水冷壁管热膨胀受 阻情况 ， 降低水冷壁管裂纹的产生 ； 而高温烟气从切 割部位向外泄漏 ， 解决这一问题 的有效方法是采用 塑膜防漏密封技术完全密封被切割部位 。 该 厂经过更换不合格水冷壁管 ， 并应 用应力释 放及 塑 膜 防漏 密封 技 术 对顶 棚 水 冷壁 的改 造 ， 机 组 启动 后 运行 状 况 良好 ， 迄 今 为 止未 发 生水 冷壁 联 箱 管座角焊缝泄漏情况 ， 解决了因联箱处水冷壁管应 力无 法 释 放导 致 的 管座 角 焊缝 开 裂 问题 ， 保证 了锅 炉 的密封 性 。 针对运行锅炉存在 的应力拉裂问题 ， 建议设计 时将 过 长 的联 箱 分 割为 两 个独 立 的小联 箱 ， 以来 降 低 因联 箱较 长 与水 冷壁 产 生 的膨 胀 差 ； 增 加联 箱 与 水冷壁管屏 的长度， 以吸收联箱与水冷壁管屏之间 产生的膨胀差 ， 联箱接管座采用全焊透方式焊接接 管座短节， 使角焊缝与联箱整体进行热处理 ， 从设计 上改 善锅 炉运 行 的应力状 况 。 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 。 4 4 编辑郝 竹筠 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 。 参考文献 [ 1 ] 西北 电力设计院编． 电力工程电气设 计手册 电气一次 部分[ M] ． 北 京 中国电力 出版社 ， i 9 9 1 ． 编 辑 吴 娜