某能源站供冷供熱工程電氣設計要點淺析

張 娟

(中冶京誠工程技術有限公司, 北京 100176)

隨著經濟的迅猛發展,能源問題日益突出,為了貫徹綠色低碳發展理念,不斷發展能源的綜合利用,實現能源的可持續利用,各地加快能源站建設。 能源站作為多種能源綜合利用的關鍵基礎設施,其工藝流程復雜、用電設備選擇多樣,配套的電氣設計方案較為靈活,電氣設計方案中大容量的能源站對于10 kV 配電的設計難度較大。 本文結合我國北方某能源站供冷供熱工程的工藝要求等,對相關電氣設計方案進行了闡述,重點分析了電氣工程設計中涉及到的電源方案確定、電氣主接線設計、電氣用房的布置、高壓電機啟動方式及高壓無功補償方案,供同行借鑒。

1 能源站電氣設計要點分析

某新區能源站供冷供熱工程主要采用水源熱泵機組實現熱能的供應,在此基礎上,采用深層地源熱泵系統提取地下水熱能用于供熱,采用太陽能供熱采暖系統,采用空氣源熱泵供冷供熱系統,同時采用2 臺燃氣調峰鍋爐來保障本地區的供熱效果,項目投入使用后可解決該水處理項目300×104m2建筑的供熱問題。 該能源站是多種能源綜合利用的能源轉換系統,涉及工藝流程多,用電負荷大,配套電氣方案較復雜。

1.1 供電電源選擇

該能源站主要用電設備有8 臺1 300 kW 的10 kV 水源熱泵機組電機、4 臺355 kW 的10 kV 熱水循環泵(其中2 臺變頻運行)、其他380 V 的水泵類等、相關弱電系統、照明系統,主要用電負荷見表1。該工程作為供冷供熱的重要工程,根據工藝需求其用電負荷等級確定為二級負荷。 經負荷計算和負荷分析,該工程主要及重要的用電負荷為其中的12 臺10 kV 用電設備。 經過論證,采用10 kV 電壓等級作為供電電源等級,周邊電網可提供四路可用的10 kV 電源,滿足該工程用電容量和二級負荷的供電要求。

表1 主要用電負荷統計Tab.1 Main electricity load statistics

供電電源確定后,為保證電氣供配電設備運行的可靠性,并考慮整個能源廠站的管理運維,確定電氣用房作為單獨功能區域,采用雙層建筑設計。 此電氣樓內將容納供配電及相關弱電監控設施,滿足整個能源站的供電接入及運行需要,同時滿足生產自控系統等的運行維護要求。 因此,最終結合工藝需要、電氣設計需求及業主管理運維需求,確定該能源站主要建筑物為熱泵廠房、鍋爐房、電氣用房、辦公用房四個功能區域,其中熱泵廠房和鍋爐房為單層鋼結構廠房,電氣用房為兩層建筑,辦公樓為三層建筑(含消防控制室、辦公室、廚房、餐廳等)。

1.2 電氣主接線設計

在四路10 kV 供電電源可用情況下,該能源站電氣主接線設計考慮設置Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ共4 段10 kV 母線。 Ⅰ、Ⅱ段10 kV 母線采用單母線分段方式,設置母聯開關,10 kV 進線斷路器與10 kV 的母聯斷路器之間設置軟件合閘閉鎖,只有當母聯斷路器處在斷開狀態時,才允許兩個斷路器合閘;同樣,在兩路進線斷路器同時處于合閘狀態時,母聯斷路器不允許合閘。 Ⅰ、Ⅱ段10 kV 母線同時運行,母聯正常運行時斷開。 Ⅲ、Ⅳ段10 kV 母線采用單母線分段方式,設置母聯開關,10 kV 進線斷路器與10 kV 的母聯斷路器之間設置軟件合閘閉鎖,只有當母聯斷路器處在斷開狀態時,才允許兩個斷路器合閘;同樣,在兩路進線斷路器同時處于合閘狀態時,母聯斷路器不允許合閘。 Ⅲ、Ⅳ段10 kV 母線同時運行,母聯正常運行時斷開。

根據能源站低壓用電負荷分布的特點,該工程低壓用電負荷較大,配置2 臺1 600 kVA 變壓器。為了使兩臺變壓器能夠互為備用電源供電,設計低壓側采用單母線分段帶母聯接線方式,共設0.4 kV母線2 段,兩段母線同時工作,正常運行時母聯斷開。 2 臺變壓器分別接入Ⅱ、Ⅳ段10 kV 母線,電氣連接見圖1。

圖1 電氣主接線圖Fig.1 Electrical main wiring diagram

該能源站供配電系統采用這種主接線方式使得10 kV 側電源可兩兩互為備用,增加系統的可靠性。 若四路電源均采用單母線接線方式,四路電源均為單獨運行,會降低系統運行的可靠性。 在低壓側采用單母線分段運行方式,可使得低壓側母線可兩兩互為備用,同樣提高系統運行的可靠性。

1.3 站用電系統設計

在變電站的電氣設計中,站用電系統設計是一個很重要的部分。 站用電設計必須執行國家的技術經濟政策,積極慎重地采用經過運行考驗和通過技術鑒定的新技術、新設備,使設計符合安全可靠、技術先進、經濟適用的原則。

該能源站的站用電系統中高壓用電電壓采用10 kV 電壓,低壓用電電壓采用380/220 V,低壓二次控制回路電壓采用AC220 V,高壓柜合閘和操作電壓采用DC110 V。 高壓站用電接線采用單母線分段,低壓站用電接線采用低壓開關柜供電方式,原則上所有低壓用電負荷都由低壓開關柜供電。 采用單母線分段,中間設置母聯開關,互為備用電源供電。站用電系統中性點接地方式為10 kV 系統中性點接地方式為中性點不接地,低壓0.4 kV 站用電系統中性點采用直接接地方式(TN-S 系統)[1]。

1.4 電氣用房布置分析

電氣用房布置關系到整個電氣方案的合理性,關系到施工階段以及整個能源廠站后期運維階段的便利性。

該能源站的電氣設備布置按照技術可靠、經濟合理、運行維護方便的原則設計。 根據實際情況,能源站供電電源從廠站南側引入,采用電纜排管方式接入。 電氣用房布置設計時,結合了10 kV 進線電源接入位置及接入方式,結合廠區總圖布置,設計10 kV 配電室位于整個能源站建筑的南側,并且位于電氣樓的一層。 在10 kV 配電室間隔樓道的對側設置10 kV 變頻器室,并使得10 kV 變頻器室毗鄰10 kV 熱泵機組及熱水循環泵所在的廠房,方便10 kV 變頻柜組進線和出線。 考慮10 kV 高壓補償進出線方便,將10 kV 高壓補償室布置于10 kV 配電室的正上方,即電氣樓二層,方便高壓補償柜組接入10 kV 配電系統。 將變配電室及弱電機房、PLC 室及監控中心置于電氣樓二層。 從辦公樓側樓道可連通進入監控中心,方便管理人員運行維護及值班倒班。 消防系統布置于辦公樓一層門廳北側的消防控制室,其他弱電設備布置于機房,計算機監控設備布置于機房及監控中心。

1.5 高壓電機啟動方式選擇

因能源站的電網供電電壓等級與主要用電負荷的供電電壓等級均為10 kV,需要特別注意高壓電機啟動方式的選擇,防止電機啟動對電網的沖擊影響。

普通鼠籠式電動機在空載全壓直接啟動時,啟動電流會達到額定電流的4 ～7 倍。 當電動機容量相對較大時,該啟動電流將引起電網電壓急劇下降,電壓頻率也會發生變化,這會破壞同電網其它設備的正常運行,甚至會引起電網失去穩定,造成更大的事故。 另外,電動機全壓啟動時的大電流在轉子鼠籠條和定子線圈上產生很大的沖擊力,會造成鼠籠條斷裂和破壞繞組絕緣,引起電機故障,大電流還會產生大量的焦耳熱,損傷繞組絕緣,減少電機壽命。

經過詳細計算并與供電部門溝通確定,能源站10 kV 熱水循環泵的啟動電流較小,可采用直接啟動的方式進行啟動,而離心式熱泵機組電機啟動電流較大,對電網沖擊大,不能采用直接啟動方式,初步考慮可采用高壓軟啟動器啟動或者采用高壓變頻器變頻啟動,啟動后均切到旁路以實現正常運行。

軟啟動本質上就是降壓啟動,通過軟啟動器,在啟動過程中將電機端電壓從0 V 連續平滑升高至10 kV 正常運行電壓,同降壓啟動一樣,這種啟動方式的缺點是起動力矩小,并且有一定的沖擊電流[2]。 變頻啟動則是通過變頻器,在啟動過程中同時改變電壓和頻率,在不降低啟動轉矩的情況下,連續調節轉速。 變頻是通過改變頻率來啟動,它可以帶載啟動,可以做到無操作過電壓,對電網不會有沖擊電流,但是大功率變頻啟動,在變頻轉工頻的瞬間,由變頻器切換到工頻旁路的過程中存在不同步和相位差的問題[3]。

通過核實離心式熱泵機組的啟動轉矩要求,并考慮離心式熱泵機組是整個能源站工藝環節中最重要的水源熱泵機組,是完成整個工藝的必經環節,并且8 臺熱泵在正常供冷供熱過程中為全部運行狀態,最終選定采用變頻啟動并在切旁路時采用同步投切方式,避免不同步和相位差的問題。

1.6 高低壓無功補償方案選擇

隨著現代電力電子技術的飛速發展及各種大功率開關器件的廣泛應用,供配電系統存在功率因數不足、暫態條件下無功缺額及接入點電壓不穩定等問題。 與此同時,高壓電機對電能質量要求也逐漸提高,無功補償是提高電能質量的重要方法之一。應對電壓波動的常規解決手段為電容投切控制,然而對一些存在快速無功交換的場合,電容投切控制并不適用。 另外,并聯電容器作為應用最廣泛的無功電源,其缺點也很突出,只能發出感性無功,調節特性不好,始終是成組投入和成組退出,不能連續調節無功功率、調節功率因數。 隨著電力行業的發展,傳統的無功補償裝置反應速度以及連續控制等方面效果差的缺點越來越明顯,不能滿足現代電網的需求,因此,應用電力電子技術的現代無功補償裝置應運而生。

SVG 靜止無功發生器作為先進的無功補償裝置,不計等效電阻時,SVG 并網等效電路圖見圖2,為SVG 并網點電壓矢量,為并網電流矢量。在SVG 并網中,取理想情況,不計SVG 本身有功損耗,不存在兩個系統之間有功的傳輸,在系統正常工作狀態下,鎖相環的存在使得SVG 與電網不存在相角差,故有功功率Psvg=0,電網和SVG 只存在無功的傳輸。

圖2 SVG 并網等效電路圖(不計電阻)Fig.2 SVG grid connected equivalent circuit diagram(ignoring resistance)

如圖3a 所示,當Ug＞Usvg時,并網電流滯后SVG并網電壓90°,SVG 呈感性,SVG 及等效電抗吸收電網發出的無功;如圖3b 所示,當Usvg＞Ug時,電流反向,SVG 呈容性,SVG 發出無功補償給等效電抗及電網。 當Ug=Usvg時,電網與SVG 不產生無功交換,并網電流Isvg=0,也不存在等效電抗的無功損耗。 通過上述分析,可以得出SVG 裝置既可以發出感性無功,又可以發出容性無功,可以靈活的調節功率因數,并實現電壓的平衡穩定[4]。

圖3 SVG 并網電路電壓矢量圖(不計電阻)Fig.3 Voltage vector diagram of SVG grid connected circuit(ignoring resistance)

另外,能源站供電電源電壓等級為10 kV,主要用電設備為10 kV 大功率熱泵機組電機及10 kV 熱水循環水泵,10 kV 側無功補償方式直接影響電網側供電電能質量,因此,在確定高壓無功補償方式時與當地供電部門進行了詳細的方案確認。 最終選用在10 kV 側并聯接入靜止無功發生器SVG,同時在變壓器的低壓側采用并聯傳統的電容器組作為就地補償,兩種方法結合使用可有效解決上述問題。 本工程通過10 kV 側的SVG 裝置快速動態調節來補償末端的無功功率,使得電源線路傳輸無功功率得以補償,又因10 kV 熱水循環泵為直接啟動,因此SVG的投入可以減小熱水循環泵啟動時的短時電壓波動,從而起到穩定供電點電壓的作用。 同時SVG 還可以兼顧不同控制模式,如調節功率因數及補償無功等,在正常工作時,上述控制模式均可實現在線切換。 與此同時,在變壓器低壓側并聯電容器組,投資較小,運行靈活,安裝維護方便,同時能達到在低壓側就地動態無功補償的效果。

2 結論

通過對某水處理項目供冷供熱綜合能源工程項目的整體電氣設計方案中的供電電源設計、電氣主接線設計、電氣用房的布置、高壓電機啟動方式及高壓無功補償設計等要點進行深入分析,解決了能源站電氣設計中的重點、難點問題,采用高壓變頻器啟動方式的同時加入同步投切裝置,消除了變頻切換工頻過程中的電壓、電流的不同步與相角差問題,將10 kV SVG 裝置應用到10 kV 配電網中,在進行平滑的無功補償調節的同時,達到穩定10 kV 供配電系統側電壓穩定的效果。