IGCC电厂电气设计优化思路

姚 雯，张慧新

（中南电力设计院，湖北 武汉 430071）

IGCC电厂电气设计优化思路

姚 雯，张慧新

（中南电力设计院，湖北 武汉 430071）

为优化整体煤气化联合循环发电（Integrated Gasification Combined Cycle， IGCC）电厂电气设计，笔者对我国已投运的IGCC电厂投运一年来的运行情况进行了调研。本文通过对运行反馈信息进行分析，对后续IGCC项目的电气设计提出了设计优化思路。

IGCC；电气设计；优化。

1　概述

IGCC发电技术，将煤气化、净化与燃气-蒸汽联合循环发电有机结合，是未来高效超低排放煤基发电的重要技术方向。与传统燃煤电厂相比，具有近零排放、高效率、资源利用充分、用水量少、适于调峰等优点。然而，其工艺系统和装备复杂，工程造价高（大约是同规模燃煤电厂的2～3倍），运行厂用电率高，在我国设计和生产经验尚未成熟，至今尚处在概念验证和工业试点阶段。以电气专业设计为例，IGCC电厂的电气系统总体设计原则和设计方法与常规燃煤电厂基本相同，但由于IGCC电厂工艺系统复杂，且跨越了电力和化工两个行业，其电气设计与常规燃煤电站相比有其特殊和复杂之处。

本文从电气设计角度，对我国已投运IGCC试点电厂的电气设计方案及其运行反馈情况进行分析，并对后续同类工程提出电气设计优化思路，供设计同行参考。

2　电厂主要电气系统

该项目一期建设1×250MW级整体煤气化燃气-蒸汽IGCC机组，机组配置型式：1+1+1（1套燃气轮发电机组、1台余热锅炉和1套蒸汽轮发电机组），燃机发电机额定功率180MW，汽机发电机额定功率100MW，发电机冷却方式均为空冷。

电厂以220 kV一级电压、出线1回至附近220 kV变电站，线路长度约2 km，厂内设220 kV户内GIS配电装置。

燃机发电机和汽轮发电机采用发电机-变压器组单元接线型式接入厂内220 kV母线，220 kV配电装置采用单母线接线。不设发电机出口断路器（Generator Circuit-Breaker， GCB）。

燃机发电机主变压器容量为200 MVA，汽轮发电机主变压器容量为110 MVA。

全厂起动/备用电源由厂内220 kV配电装置母线引接。

电气主接线见图1。

图1　电厂电气主接线图

高压厂用电系统采用10 kV一级电压，高压厂用电源由燃机发电机出口引接，设1台分裂绕组高厂变和2段10 kV厂用工作母线，设1台与高厂变同容量的起动/备用变压器，高厂变和起动/备用变压器的额定容量为68/41-41 MVA。

空分系统的空压机与增压机分别接在厂用10 kV A、B段上，空压机和增压机的电动机采用异步电机。2台大容量电机采用变频启动方式，并共用1套变频启动装置。变频启动装置接线采用通过2台10 kV开关分别接在10 kVA、B段的方式，以避免发生2台大电机接在同一段10 kV母线上的情况。

联合循环发电、空分、气化及净化等装置的负荷采用集中供电方式，设置电气综合楼。变频启动装置、10 kV配电装置、空分、气化及净化等装置 PC、汽机PC、MCC、燃机PC、保安PC及低压变压器等均布置在电气综合楼内。

设1台1000kW柴油发电机组，为机组事故失电提供保安电源。

3　电气系统运行反馈

3.1空分装置

3.1.1大功率电动机启动和运行对母线电压的影响

空分装置的空压机电动机为22500 kW，增压机电动机为19000 kW，两台电动机合用一套容量约8000 kW的变频启动装置，机组启动前这两台电动机先后进行空载变频启动。各电动机启动时电流从0开始，切换至工频时尚未达到其额定电流。投运至今变频装置未发现异常或启动失败的情况。

由于这两台电动机均先于机组启动，其启动时厂用高压母线负荷很低（一般不足5000 kW），因此电动机启动时母线压降不大，实测电压约为10.2 kV，压降约2%，低压母线电压为390～395V。所以大容量电动机启动对其他电动机运行基本无影响。

另一方面，机组正常运行时，空压机和增压机始终在运行，10 kV、380 V母线运行电压约为9.9 kV、382～394 V，相对于高、低压厂用变压器低压侧额定电压分别为10.5、0.4 kV来说，母线电压是偏低的。但是运行时不能因此调整变压器抽头以提高母线电压，因为一旦空压机或增压机停运，母线电压将立刻上升，电压偏高将影响其他设备寿命。

对后续工程设计的启示：空分装置为电动机驱动时，采用容量为25%左右的变频器是可行的，可多台电动机共用1套变频器启动装置。对于大功率空分装置电动机供电，建议同类工程可参考化工行业的习惯做法，将大型电动机采用单独的变压器供电，而不与其他用电负荷一起从同一母线供电。

3.1.2空分装置采用电驱方式对启动费用的影响

从空分装置启动到机组满负荷，冷态启动约65 h，热态启动约40 h。启动一次费用约需300～700万元，其中空分装置耗电费用所占比重较大。

机组启动时一般最先启动空分装置空压机，然后启动增压机；停机时最后停空压机（气化炉停即可停空分电动机）。为节省启停费用，如果机组停机时间仅1～2 d，空分装置的电动机一般保持运转；当停机时间超过3 d，则停运空分装置。虽然电厂采用的是近年来制造及应用技术较为成熟的E级燃机，但是由于燃烧天然气和合成气的技术有所不同，燃机仍需要做特别设计，投产初期机组运行不稳定，启停频繁导致运行费用较大。

对后续工程设计的启示：由于空分装置耗电量大、变频器投资较高（近1千万元），当具备采用汽轮机驱动的条件时（即附近有合适的汽源），建议采用汽轮机驱动方案。

3.2电气主接线方案

该电厂未装设发电机断路器，机组启停电源通过起/备变引自厂内220 kV母线。由于投产初期机组运行不稳定，启停频繁，为避免厂用电切换失败导致机组启动失败而耗费巨额启动费用，该厂投运后长期由起/备变带厂用电运行。虽然关口表装设在线路上，由起/备变带厂用电不会因购电导致运行费用增加，但是起/备变作为工作电源，一旦故障则再无停机/备用电源。由此可见，不设GCB对机组运行可靠性是不利的。

对后续工程设计的启示：建议燃机发电机出口装设GCB以避免机组启停时的厂用电切换，提高运行可靠性；对于关口表装设在主变高压侧的工程，这样还可以避免通过起/备变启动买电导致启动费用增加。

3.3厂用电率

IGCC电厂的厂用电率是比较高的，一般约为15～20%。由于本项目机组投运初期较长一段时间内都不能保持稳定满发，运行厂用电率更是偏大。2013年时稳定运行的厂用电率约为33%；2014年5月15-18日进行的综合出力测试显示，整套机组发电功率可稳定达到22万kW，最高功率近23万kW，稳定运行期间的厂用电率降至25%左右。

空压机电动机一般运行容量为额定容量的90%，增压机电动机为100%，这两种电动机只要机组运行即投入运行。所以，空分装置的厂用电率可估算为：（22500+19000）/250000=16.6%。因此，当空分装置采用电驱动时，厂用电率是比较高的。

对后续工程设计的启示：由于空压机和增压机在机组运行期间持续以高负荷率运行，为选择高压厂用变压器进行负荷计算时，不宜采用常规燃煤电厂的换算系数。该电厂高厂变和起/备变选择68/41-41 MVA，运行反映变压器容量偏紧。为避免高压厂用变压器选择容量不足，建议后续工程在选择高压厂用变压器时，应向化工岛设计单位仔细了解负荷运行特性，必要时采用公式Sjs=P/cosφ。

3.4交流保安电源

由于电厂仅由220 kV单回线送出，当220 kV线路故障时，高厂变、起/备变均会失去电源，此时厂内交流应急停机负荷由交流保安电源系统供电。

电厂的交流保安电源系统除引接了正常工作电源外，还引接了第三方电源及一台常用功率为1120 kW的柴油发电机组。

常规西门子或GE的E级燃机联合循环机组所配保安电源柴油发电机组容量一般为1200 kW。可见，该厂采用西门子燃机，所配柴油发电机组容量与常规燃机联合循环机组项目是相当的。但考量接入保安电源系统的负荷，化工岛负荷是否接入保安有可商榷之处。一方面是化工行业一般没有设置保安电源的做法，另一方面从其负荷运行特性看也没有必要接入保安。如气化装置的事故氮泵（170 kW，带变频装置），由于配置了氮槽，事故停机时没有必要继续供电。如果不考虑这些化工负荷，柴油发电机组容量还可以进一步降低。

对后续工程设计的启示：对化工岛负荷的供电要求和运行特性需做深入了解，确认其是否有事故停机时继续供电的必要性，合理选择柴油发电机组的容量。

3.5照明供电方式

电厂采用照明与动力合并供电的方式。由于空分装置的空压机及增压机与其他厂用高压负荷共用母线供电，停机后空分装置停运、母线电压升高，导致很多照明灯具损坏。

对后续工程设计的启示：当空分装置的空压机及增压机与其他厂用高压负荷共用母线时，建议照明与动力分开供电，设置专门的照明变压器。

4　电气设计优化思路

通过对已投运的IGCC电厂的调研，及对IGCC电厂电气设计特殊问题的研究，对后续同类IGCC项目的电气设计提出如下优化思路。

4.1空分装置采用汽驱时设计优化思路

当具备合适的引接蒸汽的条件时，推荐配置汽驱压缩机，实际上化工行业的空分装置也多有采用汽驱方式，则电气设计可做如下优化：

（1）高压厂用变压器容量降低

经初步估算，高厂变和起/备变容量可选择55～60 MVA，与已投运IGCC电厂采用的68 MVA相比，容量降低较多。

（2）高压厂用电系统可采用6 kV一级电压

当IGCC电厂采用电驱空分装置时，为满足大容量电动机的启动和运行要求，高压厂用电系统采用10 kV电压是合适的。当空分压缩机采用汽驱方案、没有其他大容量电动机时，采用6 kV电压等级在降低初投资和运行损耗方面更具经济性，高压厂用母线短路水平亦未超出6 kV开关设备最大开断水平，且电压等级与常规发电厂工程一致更符合电厂运行习惯。

（3）技术指标优化

经初步估算，采用汽驱方案的厂用电率约为6%，大大低于已投运IGCC电厂设计厂用电率和机组运行状况较好时的运行厂用电率（约25%）。

（4）其他

取消大容量电动机及其启动装置后，可节省投资数千万元。在电气综合楼或其他场所节省了布置变频启动装置所需的配电室面积。

4.2空分装置采用电驱时设计优化思路

空分装置为电动机驱动时，可多台电动机共用1套变频器启动装置，变频器容量可按最大一台电动机的容量的25%左右选择。

为避免大功率空分装置电动机启停对母线电压的影响，可将大型电动机采用单独的变压器供电，而不与其他用电负荷一起从同一母线供电。

当未单独设置母线给空分装置空压机及增压机的大型电动机供电时，建议照明与动力分开供电，设置专门的照明变压器。

4.3电气主接线优化思路

根据运行反馈，为提高机组运行可靠性，建议后续同类IGCC项目在燃机发电机出口装设GCB。当主机考虑采用9F燃机时，相应GCB价格约400万元/台。考虑到IGCC电厂在我国运行经验尚浅，机组启动失败后重新启动耗费巨大，适当增加投资、提高可靠性是必要的。

5　结语

IGCC是高效、绿色优质能源，由于其工艺系统的复杂性，设计单位仍需针对其电气系统设计的特殊问题进行深入研究。目前，根据已投运IGCC电厂的运行情况，暂对电气系统设计提出以下几点设计优化思路：

（1） IGCC项目的空分装置驱动方式对电气系统设计和厂用电率影响很大。从电气设计角度看，在具备条件时，采用汽驱方式更有利于降低电气系统投资和运行费用。

（2）当空分装置采用汽驱方式时，建议高压厂用电系统采用6 kV一级电压。

（3）当空分装置采用电驱方式时，建议对空分装置大容量电动机采用单独的变压器供电，其计算负荷的换算系数取值需根据其运行特性确定。

（4）考虑到IGCC电厂在我国运行经验尚浅、机组启动失败后重新启动耗费较大，建议在燃机发电机出口装设GCB。

［1］ 焦树建.IGCC技术发展的回顾与展望［J］.电力建设，2009，30（1）.

［2］ GB 50660-2011，大中型火力发电厂设计规范［S］.

［3］ DL/T 5153-2014，火力发电厂厂用电设计技术规程［S］.

Optimization Thoughts on Electrical Design for IGCC Power Plant

YAO Wen，ZHANG Hui-xin
（Central Southern Electric Power Design Insistute， Wuhan430071， China）

In order to optimize the electrical design for IGCC project， operating IGCC power plant in China was investigated. According to the analysis on the feedback information from operation， the optimization thoughts on electrical design for subsequent IGCC project are presented.

IGCC； electrical design； optimization.

TM621

B

1671-9913（2016）03-0052-04

2015-07-24

姚雯 （1972- ），女，浙江杭州人，高级工程师，主要从事发电厂电气设计工作。