锅炉应急给水泵配电方案探讨

赵 悦, 郭斌继

(中国市政工程西北设计研究院有限公司, 甘肃 兰州 730000)

0 引 言

某锅炉改造工程将原发电用A级5.3 MPa次高压锅炉压力降低至供热用B级2.5 MPa压力的蒸汽锅炉[1],近期对3台锅炉进行改造恢复生产,远期新建1台锅炉。厂区内现状配电主接线为双回路10 kV电源引入,单母线分段结构。

GB 50041—2020《锅炉房设计标准》[2]第9.1.4条规定“采用非一级电力负荷的锅炉房,在停电后可能会造成锅炉事故时,应采用汽动给水泵为事故备用泵”。该工程在改造过程中电源部分在短时间内无法完全满足一级负荷的要求。为避免锅炉因停电、停水导致的高温、干烧损毁锅炉,增设了事故备用泵。因工艺运行的要求,采用汽动给水泵无法满足短时间内供水的要求,经过方案比选,采用“柴油发电机+电动应急给水泵”的方式更容易满足该工程的要求。

1 负荷分级

GB 50052—2009《供配电系统设计规范》[3]第3.0.1条规定:“电力负荷应根据对供电可靠性的要求及中断供电在对人身安全、经济损失上所造成的影响程度进行分级,并应符合下列规定:(1) 符合下列情况之一时,应视为一级负荷。① 中断供电将造成人身伤害时。② 中断供电将在经济上造成重大损失时。③ 中断供电将影响重要用电单位的正常工作。(2) 在一级负荷中,当中断供电将造成人员伤亡或重大设备损坏或发生中毒、爆炸和火灾等情况的负荷,以及特别重要场所的不允许中断供电的负荷,应视为一级负荷中特别重要的负荷。(3) 符合下列情况之一时,应视为二级负荷。① 中断供电将在经济上造成较大损失时。② 中断供电将影响较重要用电单位的正常工作。”

该规范条文说明中有“政治影响程度难以衡量。个别特殊的用户有特别的要求,故不在条文中表述。对于中断供电将会产生人身伤亡及危及生产安全的用电负荷视为特别重要负荷,在生产连续性较高行业,当生产装置工作电源突然中断时,为确保安全停车,避免引起爆炸、火灾、中毒、人员伤亡,而必须保证的负荷,为特别重要负荷,例如中压及以上的锅炉给水泵,大型压缩机的润滑油泵等”。

厂区内主要用电设备为1 000 kW引风机、315 kW一次风机、280 kW二次风机、250 kW给水泵、280 kW空压机、400 kW热网循环泵及多台10/0.4 kV配电变压器。

该工程采用近远期二次改造建设,根据工艺专业提供的资料,采用需用系数法对全厂的用电设备进行负荷计算,全厂10 kV侧近期计算负荷约为12.3 MVA,远期计算负荷约为14 MVA。

改造完成后将为30余万m2的工业厂房及部分居民住宅提供冬季供暖服务,且为多家工业企业供应蒸汽;服务面积广,用户数量多,用户重要性高,一旦发生意外停电的事故,将导致极其严重的后果。如大量的居民冬季无法采暖;企业突然失去蒸汽源,将影响生产,甚至造成巨大的经济损失。

从建设规模、循环流化床锅炉运行复杂程度及停电造成的负面影响等方面考虑,该工程用电负荷均符合一级负荷条件,故用电负荷等级为一级,要求采用双重电源10 kV供电,每路电源可以满足全部用电负荷,且两路电源不应同时受到损坏。

2 外线电源

依据负荷等级的要求,并经过建设方与当地电网的多次沟通,结合考虑工程对供电可靠性的需求、负荷特性、用电容量、供电距离、当地公共电网现状、发展规划及所在行业的特定要求等因素,通过技术、经济成本比较后确定了外线电源的引入方案[4]。

该工程外线电源引自两个区域内变电所,一路引自国家电网电力公司简称“国电”,另一路引自地方电力公司简称“地电”。国电可供应厂区全部负荷用电,但地方电网因新用户的增加,近期只能提供满足一台锅炉运行的负荷容量,地电作为第二路电源不能完全满足一级负荷的条件。依据GB 50052—2009《供配电系统设计规范》中第4.0.1条的规定:“符合下列条件之一时,用户宜设置自备电源:需要设置自备电源作为一级负荷中的特别重要负荷的应急电源时或第二电源不能满足一级负荷的条件时”,该工程对特别重要负荷即应急给水泵设置自备电源。按照应急供水系统控制要求,锅炉必须在所有设备因电源故障停止运行后5 min内实现应急给水泵供水,故该工程选用快速起动柴油发电机作为事故备用泵及相关用电设备的应急电源。

另外,国电计划未来2～3年内在该工程所在园区附近新建一座变配电站,可为该工程提供第二路电源(外线电源将完全满足一级负荷的要求)[5]。

3 控制系统

应急供水系统控制要求:市政电源停电信号确认后,柴油发电机立即起动并进入稳定空载运行状态,依次启动应急给水泵(P01)、开启给水泵出口阀(MV01),开启蒸汽外网管道阀门简称外网阀(MV02)、关闭降温减压器前的进气母管蒸汽主阀门简称进汽阀(MV03)、关闭降温减压器前的进气母管补水电动阀简称补水阀(MV04)。完成以上动作不得超过5 min,柴油发电机的油箱油量至少保证连续运行2 h运行使用。

外网阀(MV02)、进汽阀(MV03)及补水阀(MV04)安装在主厂房3F降温减压器室,与集控室一墙之隔,而柴油发电机、应急给水泵(P01)及给水泵出口阀(MV02)均设置在主厂房1F。因设备数量较多、位置分散,在有限的时间内采用人工快速、有序地完成操作将十分困难,故采用两种动作模式来解决短时间内有序动作的矛盾:① 采用DCS控制。将柴油发电机、水泵、阀门、双电源转换开关等所有设备的控制信号、状态信号均连接至DCS控制站,值班人员可通过上位机组态画面直观地控制设备动作,观察各设备的状态,且可实现一键启动,所有相关设备按程序时序动作的功能。② 在3F集控室设置集中控制柜,将所有设备的控制信号、状态信号均采用控制电缆连接集中控制柜,集中控制柜设置控制按钮及状态指示灯,值班人员可通过控制柜面的按钮、指示灯控制设备动作、观察各设备的状态,实现快速启动设备的功能。

在集控室控制台上设置应急供水系统实体启动按钮,通过DCS程序控制实现一键启动应急供水系统的功能。

在集中控制柜柜面设置柴油发电机、应急给水泵(P01)等设备的启动、停止按钮及运行、停止、故障指示灯;设置给水泵出口阀(MV01)、外网阀(MV02)、进汽阀(MV03)、补水阀(MV04)等阀门的开阀、关阀、停止按钮及开到位、关到位、过扭矩、故障指示灯;设置双电源转换开关的分合闸、故障状态信号指示灯。

当DCS自控方式故障时,集中控制柜控制可有效弥补其缺失,采用DCS自动控制及集中控制柜控制两种互不排斥的方式实现设备的有效动作,具有安全、可靠、简洁、直接等特点,为保障在停电的情况下及时补水起到了决定性的作用,避免了锅炉无法及时补水导致的受热面超温、干烧等事故的发生。

4 配电系统

根据设备的分布情况,在主厂房外新建柴油发电机房,将应急给水泵控制柜设置于柴油发电机房内,方便集中调试;在主厂房3F集控室设置集中控制柜,方便值班人员在事故发生的第一时间进行操作。低压配电系统主接线图如图1所示。

图1 低压配电系统主接线图

为保证低压母线Ⅰ段在故障或者检修时,保障外网阀、进汽阀、补水阀能正常动作,在集控控制柜处设置双电源切换开关,同时也有效避免柴油发电机不必要的运行。

通过按稳定负荷计算发电机组的容量、按最大的单台电动机起动的需要、按起动电动机时母线容许的电压降等选择方法[5],并根据外界气压、温度、湿度等条件查阅校正系数[6],确定选用额定输出容量为250 kVA的柴油发电机。柴油发电机配置智能型控制器,具有电压调节器实现电压控制功能,配置RS-485通信接口[7],采用Modbus或其他与现场DCS系统兼容的通信协议与厂区DCS控制站通信,将柴油发电机状态及电气信号上传至DCS控制站,并可在上位机进行监控;采用涡轮增压的吸气及冷却方式提高柴油发电机性能。为保证锅炉安全,必须在有限的时间内完成应急系统的起动,配置快速自起动的发电机组,起动时间不超过15 s[8]。

为避免星三角起动出现过高的转换电流峰值,应急给水泵采用自耦变压器起动方式。与厂区内消防泵采用同样的起动方式,提高可靠性,降低管理维护的难度。

为简化操作流程,减少操作人员的判断时间,提高应急供电的可靠性,两面控制柜(AC01、AC02)内均设置具有自投自复功能的PC级双电源转换开关,在自动模式下,正常电源切换至备用电源时间延时可选择0～30 s不同档位,完全满足时间要求。

5 结 语

供电区域和设备的负荷分级除了严格遵守规范的规定外,还应关注外线电源分布及之间关系、工程自身需求、区域内设备运行特点、运营方反映情况、建设经济性等多方面去评估负荷等级。

工程中除了规范规定的特别重要负荷外,某些设备在关键时刻可以起到重要的作用,例如可以提高系统的安全性、可靠性,避免产生损失,这个损失可能是保障这些设备正常运行价值的数倍,则可以将其定义为特别重要的负荷,这种做法也是价值工程在工程建设中的实际应用。结合该工程的实际情况,应急供水系统是避免锅炉因高温、干烧而造成巨大经济损失的重要保障,即使外线电源满足一级负荷要求,考虑其价值,也建议配置。