某能源站供冷供热工程电气设计要点浅析

张 娟

(中冶京诚工程技术有限公司, 北京 100176)

随着经济的迅猛发展,能源问题日益突出,为了贯彻绿色低碳发展理念,不断发展能源的综合利用,实现能源的可持续利用,各地加快能源站建设。 能源站作为多种能源综合利用的关键基础设施,其工艺流程复杂、用电设备选择多样,配套的电气设计方案较为灵活,电气设计方案中大容量的能源站对于10 kV 配电的设计难度较大。 本文结合我国北方某能源站供冷供热工程的工艺要求等,对相关电气设计方案进行了阐述,重点分析了电气工程设计中涉及到的电源方案确定、电气主接线设计、电气用房的布置、高压电机启动方式及高压无功补偿方案,供同行借鉴。

1 能源站电气设计要点分析

某新区能源站供冷供热工程主要采用水源热泵机组实现热能的供应,在此基础上,采用深层地源热泵系统提取地下水热能用于供热,采用太阳能供热采暖系统,采用空气源热泵供冷供热系统,同时采用2 台燃气调峰锅炉来保障本地区的供热效果,项目投入使用后可解决该水处理项目300×104m2建筑的供热问题。 该能源站是多种能源综合利用的能源转换系统,涉及工艺流程多,用电负荷大,配套电气方案较复杂。

1.1 供电电源选择

该能源站主要用电设备有8 台1 300 kW 的10 kV 水源热泵机组电机、4 台355 kW 的10 kV 热水循环泵(其中2 台变频运行)、其他380 V 的水泵类等、相关弱电系统、照明系统,主要用电负荷见表1。该工程作为供冷供热的重要工程,根据工艺需求其用电负荷等级确定为二级负荷。 经负荷计算和负荷分析,该工程主要及重要的用电负荷为其中的12 台10 kV 用电设备。 经过论证,采用10 kV 电压等级作为供电电源等级,周边电网可提供四路可用的10 kV 电源,满足该工程用电容量和二级负荷的供电要求。

表1 主要用电负荷统计Tab.1 Main electricity load statistics

供电电源确定后,为保证电气供配电设备运行的可靠性,并考虑整个能源厂站的管理运维,确定电气用房作为单独功能区域,采用双层建筑设计。 此电气楼内将容纳供配电及相关弱电监控设施,满足整个能源站的供电接入及运行需要,同时满足生产自控系统等的运行维护要求。 因此,最终结合工艺需要、电气设计需求及业主管理运维需求,确定该能源站主要建筑物为热泵厂房、锅炉房、电气用房、办公用房四个功能区域,其中热泵厂房和锅炉房为单层钢结构厂房,电气用房为两层建筑,办公楼为三层建筑(含消防控制室、办公室、厨房、餐厅等)。

1.2 电气主接线设计

在四路10 kV 供电电源可用情况下,该能源站电气主接线设计考虑设置Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ共4 段10 kV 母线。 Ⅰ、Ⅱ段10 kV 母线采用单母线分段方式,设置母联开关,10 kV 进线断路器与10 kV 的母联断路器之间设置软件合闸闭锁,只有当母联断路器处在断开状态时,才允许两个断路器合闸;同样,在两路进线断路器同时处于合闸状态时,母联断路器不允许合闸。 Ⅰ、Ⅱ段10 kV 母线同时运行,母联正常运行时断开。 Ⅲ、Ⅳ段10 kV 母线采用单母线分段方式,设置母联开关,10 kV 进线断路器与10 kV 的母联断路器之间设置软件合闸闭锁,只有当母联断路器处在断开状态时,才允许两个断路器合闸;同样,在两路进线断路器同时处于合闸状态时,母联断路器不允许合闸。 Ⅲ、Ⅳ段10 kV 母线同时运行,母联正常运行时断开。

根据能源站低压用电负荷分布的特点,该工程低压用电负荷较大,配置2 台1 600 kVA 变压器。为了使两台变压器能够互为备用电源供电,设计低压侧采用单母线分段带母联接线方式,共设0.4 kV母线2 段,两段母线同时工作,正常运行时母联断开。 2 台变压器分别接入Ⅱ、Ⅳ段10 kV 母线,电气连接见图1。

图1 电气主接线图Fig.1 Electrical main wiring diagram

该能源站供配电系统采用这种主接线方式使得10 kV 侧电源可两两互为备用,增加系统的可靠性。 若四路电源均采用单母线接线方式,四路电源均为单独运行,会降低系统运行的可靠性。 在低压侧采用单母线分段运行方式,可使得低压侧母线可两两互为备用,同样提高系统运行的可靠性。

1.3 站用电系统设计

在变电站的电气设计中,站用电系统设计是一个很重要的部分。 站用电设计必须执行国家的技术经济政策,积极慎重地采用经过运行考验和通过技术鉴定的新技术、新设备,使设计符合安全可靠、技术先进、经济适用的原则。

该能源站的站用电系统中高压用电电压采用10 kV 电压,低压用电电压采用380/220 V,低压二次控制回路电压采用AC220 V,高压柜合闸和操作电压采用DC110 V。 高压站用电接线采用单母线分段,低压站用电接线采用低压开关柜供电方式,原则上所有低压用电负荷都由低压开关柜供电。 采用单母线分段,中间设置母联开关,互为备用电源供电。站用电系统中性点接地方式为10 kV 系统中性点接地方式为中性点不接地,低压0.4 kV 站用电系统中性点采用直接接地方式(TN-S 系统)[1]。

1.4 电气用房布置分析

电气用房布置关系到整个电气方案的合理性,关系到施工阶段以及整个能源厂站后期运维阶段的便利性。

该能源站的电气设备布置按照技术可靠、经济合理、运行维护方便的原则设计。 根据实际情况,能源站供电电源从厂站南侧引入,采用电缆排管方式接入。 电气用房布置设计时,结合了10 kV 进线电源接入位置及接入方式,结合厂区总图布置,设计10 kV 配电室位于整个能源站建筑的南侧,并且位于电气楼的一层。 在10 kV 配电室间隔楼道的对侧设置10 kV 变频器室,并使得10 kV 变频器室毗邻10 kV 热泵机组及热水循环泵所在的厂房,方便10 kV 变频柜组进线和出线。 考虑10 kV 高压补偿进出线方便,将10 kV 高压补偿室布置于10 kV 配电室的正上方,即电气楼二层,方便高压补偿柜组接入10 kV 配电系统。 将变配电室及弱电机房、PLC 室及监控中心置于电气楼二层。 从办公楼侧楼道可连通进入监控中心,方便管理人员运行维护及值班倒班。 消防系统布置于办公楼一层门厅北侧的消防控制室,其他弱电设备布置于机房,计算机监控设备布置于机房及监控中心。

1.5 高压电机启动方式选择

因能源站的电网供电电压等级与主要用电负荷的供电电压等级均为10 kV,需要特别注意高压电机启动方式的选择,防止电机启动对电网的冲击影响。

普通鼠笼式电动机在空载全压直接启动时,启动电流会达到额定电流的4 ～7 倍。 当电动机容量相对较大时,该启动电流将引起电网电压急剧下降,电压频率也会发生变化,这会破坏同电网其它设备的正常运行,甚至会引起电网失去稳定,造成更大的事故。 另外,电动机全压启动时的大电流在转子鼠笼条和定子线圈上产生很大的冲击力,会造成鼠笼条断裂和破坏绕组绝缘,引起电机故障,大电流还会产生大量的焦耳热,损伤绕组绝缘,减少电机寿命。

经过详细计算并与供电部门沟通确定,能源站10 kV 热水循环泵的启动电流较小,可采用直接启动的方式进行启动,而离心式热泵机组电机启动电流较大,对电网冲击大,不能采用直接启动方式,初步考虑可采用高压软启动器启动或者采用高压变频器变频启动,启动后均切到旁路以实现正常运行。

软启动本质上就是降压启动,通过软启动器,在启动过程中将电机端电压从0 V 连续平滑升高至10 kV 正常运行电压,同降压启动一样,这种启动方式的缺点是起动力矩小,并且有一定的冲击电流[2]。 变频启动则是通过变频器,在启动过程中同时改变电压和频率,在不降低启动转矩的情况下,连续调节转速。 变频是通过改变频率来启动,它可以带载启动,可以做到无操作过电压,对电网不会有冲击电流,但是大功率变频启动,在变频转工频的瞬间,由变频器切换到工频旁路的过程中存在不同步和相位差的问题[3]。

通过核实离心式热泵机组的启动转矩要求,并考虑离心式热泵机组是整个能源站工艺环节中最重要的水源热泵机组,是完成整个工艺的必经环节,并且8 台热泵在正常供冷供热过程中为全部运行状态,最终选定采用变频启动并在切旁路时采用同步投切方式,避免不同步和相位差的问题。

1.6 高低压无功补偿方案选择

随着现代电力电子技术的飞速发展及各种大功率开关器件的广泛应用,供配电系统存在功率因数不足、暂态条件下无功缺额及接入点电压不稳定等问题。 与此同时,高压电机对电能质量要求也逐渐提高,无功补偿是提高电能质量的重要方法之一。应对电压波动的常规解决手段为电容投切控制,然而对一些存在快速无功交换的场合,电容投切控制并不适用。 另外,并联电容器作为应用最广泛的无功电源,其缺点也很突出,只能发出感性无功,调节特性不好,始终是成组投入和成组退出,不能连续调节无功功率、调节功率因数。 随着电力行业的发展,传统的无功补偿装置反应速度以及连续控制等方面效果差的缺点越来越明显,不能满足现代电网的需求,因此,应用电力电子技术的现代无功补偿装置应运而生。

SVG 静止无功发生器作为先进的无功补偿装置,不计等效电阻时,SVG 并网等效电路图见图2,为SVG 并网点电压矢量,为并网电流矢量。在SVG 并网中,取理想情况,不计SVG 本身有功损耗,不存在两个系统之间有功的传输,在系统正常工作状态下,锁相环的存在使得SVG 与电网不存在相角差,故有功功率Psvg=0,电网和SVG 只存在无功的传输。

图2 SVG 并网等效电路图(不计电阻)Fig.2 SVG grid connected equivalent circuit diagram(ignoring resistance)

如图3a 所示,当Ug＞Usvg时,并网电流滞后SVG并网电压90°,SVG 呈感性,SVG 及等效电抗吸收电网发出的无功;如图3b 所示,当Usvg＞Ug时,电流反向,SVG 呈容性,SVG 发出无功补偿给等效电抗及电网。 当Ug=Usvg时,电网与SVG 不产生无功交换,并网电流Isvg=0,也不存在等效电抗的无功损耗。 通过上述分析,可以得出SVG 装置既可以发出感性无功,又可以发出容性无功,可以灵活的调节功率因数,并实现电压的平衡稳定[4]。

图3 SVG 并网电路电压矢量图(不计电阻)Fig.3 Voltage vector diagram of SVG grid connected circuit(ignoring resistance)

另外,能源站供电电源电压等级为10 kV,主要用电设备为10 kV 大功率热泵机组电机及10 kV 热水循环水泵,10 kV 侧无功补偿方式直接影响电网侧供电电能质量,因此,在确定高压无功补偿方式时与当地供电部门进行了详细的方案确认。 最终选用在10 kV 侧并联接入静止无功发生器SVG,同时在变压器的低压侧采用并联传统的电容器组作为就地补偿,两种方法结合使用可有效解决上述问题。 本工程通过10 kV 侧的SVG 装置快速动态调节来补偿末端的无功功率,使得电源线路传输无功功率得以补偿,又因10 kV 热水循环泵为直接启动,因此SVG的投入可以减小热水循环泵启动时的短时电压波动,从而起到稳定供电点电压的作用。 同时SVG 还可以兼顾不同控制模式,如调节功率因数及补偿无功等,在正常工作时,上述控制模式均可实现在线切换。 与此同时,在变压器低压侧并联电容器组,投资较小,运行灵活,安装维护方便,同时能达到在低压侧就地动态无功补偿的效果。

2 结论

通过对某水处理项目供冷供热综合能源工程项目的整体电气设计方案中的供电电源设计、电气主接线设计、电气用房的布置、高压电机启动方式及高压无功补偿设计等要点进行深入分析,解决了能源站电气设计中的重点、难点问题,采用高压变频器启动方式的同时加入同步投切装置,消除了变频切换工频过程中的电压、电流的不同步与相角差问题,将10 kV SVG 装置应用到10 kV 配电网中,在进行平滑的无功补偿调节的同时,达到稳定10 kV 供配电系统侧电压稳定的效果。