華潤電力湖北有限公司的研究人員石志輝,在2020年第9期《電氣技術》雜志上撰文,結合電廠保安段的運行方式以及電廠所具備的現有條件,提出了保安段改造方案,并詳細介紹了改造過程及優化空間,實踐證明保安段改造達到了預期效果。
發電廠廠用電源是保證發電廠正常運行的基本電源,廠用電系統接線、布置及負荷分配是否合理,直接關系到發電廠汽輪機、發電機、鍋爐及相關輔助設備乃至整個發電廠能否可靠、靈活、經濟運行。
為了保證在全廠事故停電時能安全可靠地停機、停爐、避免設備遭受損壞,廠用電源關鍵組成部分的保安段承擔着發電廠保安負荷的供電任務,保安電源作為發電廠的最後防線,發揮着至關重要的作用。發電廠應結合現場實際情況,充分利用現有條件,來提升保安電源的可靠性。
1 保安段電源接線和運行方式華潤電力湖北有限公司(以下簡稱蒲圻電廠)共裝機2×330MW 2×1000MW,分兩期完成,4台機組均采用發變線組單元接線方式。
一期和二期各設一台起動備用變壓器,其中一期的#01起備變通過蒲汪Ⅱ回線接于距電廠約15km的汪莊餘變電所220kV母線,二期的#02起備變電源與一期#01起備變電源合用一路廠外220kV電源,即從一期蒲汪Ⅱ回線處T接,并通過220kV電纜引接至二期#02起備變高壓側。二期起備變電源設計雖有節省投資、節約征地等優點,卻對起備變電源線路的運行可靠性提出了更高要求。
二期2×1000MW機組廠用電系統采用10kV和380V/220V兩級電壓。每台機組設有兩段汽機保安電機控制中心(motor control center, MCC)段母線、兩段鍋爐保安MCC段母線和一段脫硫保安MCC段母線,在事故情況下保證主機潤滑油泵、頂軸油泵、密封油泵、盤車電動機、火檢風機、其他重要輔機油泵以及直流系統、不間斷電源(uninterruptible power supply, UPS)、分散控制系統(distributed control system, DCS)等重要負荷的供電。
正常運行時,各保安MCC段由對應的汽機動力中心(power center, PC)段、鍋爐PC段和脫硫PC段按工作和備用方式通過雙電源切換裝置快速切換供電。其中汽機保安MCC段、鍋爐保安MCC段的備用電源自投功能由雙電源自動切換開關(automatic transfer switch, ATS)實現,脫硫保安MCC段的備用電源自投功能由備自投裝置實現。
為了保證在全廠事故停電時能安全可靠地停機、停爐、避免設備遭受損壞,每台機組設置一台1800kW柴油發電機組作為機組的交流事故保安電源,接入保安PC段,為上述各保安MCC段提供第三路電源。保安電源接線方式如圖1所示。
圖1 保安電源接線圖
以汽機保安MCCA段的運行方式為例,來自汽機PCA段的電源1和來自汽機PCB段的電源2互為備用,通過ATS雙電源自動切換開關後經開關4ZKK接入汽機保安MCCA段,作為該段的工作電源。
如該段由電源1供電,當電源1故障,ATS雙電源開關自動切換至電源2供電,如電源2也出現故障,汽機保安MCCA段失壓,柴油發電機組聯起成功後,汽機保安MCCA段工作電源進線開關4ZKK自動跳開,柴油發電機組出口開關1ZKK及汽機保安MCCA段備用電源進線開關5ZKK依次自動合上,此時汽機保安MCCA段由柴油發電機組供電。其他各保安MCC段運行方式與之類似。
2 保安段電源改造方案分析蒲圻電廠二期保安PC段目前采用柴油發電機組為機組保安PC段提供電源,柴油發電機組作為一個相對獨立的系統,受廠用電系統因素影響較小,這是其被廣泛選作機組保安電源的最主要原因。柴油發電機組帶載機會少,日常除了定期的怠速試運,更多時間處于靜止熱備用狀态。
柴油發電機組系統較為複雜,維護工作專業性較強,涉及電控、機務、暖通等多個專業,涵蓋電控系統、機油油位、柴油油量、冷卻液液位、寒冷環境下柴油和冷卻液管道的防寒防凍、各類濾芯、電瓶電壓、風道、排煙管、風扇、氣門間隙等諸多方面,任一方面出現問題都将導緻柴油發電機組起動失敗或運行故障。
與發電機、變壓器等常規電氣設備的管理維護工作相比,電廠維保人員對柴油發電機組的管理經驗相對不足,一旦柴油發電機組出現故障,維保人員不一定能迅速排查處理。這些都是柴油發電機組作為機組保安電源相對不利的方面。
蒲圻電廠二期項目基建期在廠内建有一處施工電源配電室,内設兩段10kV母線,設計采用兩條10kV架空專用線路,施工電源取自距廠約2.64km的110kV荊泉變電站,變電站提供的用電容量分别為3000kVA和1600kVA。在二期兩台機組建成投産以後,該施工電源未拆除,一直保留至今。
施工電源取自廠外獨立電源,優點是設備故障率低、維護工作量少,可以長期處于熱備用狀态,在機組事故時可立即投入,事故過程中保安電源短暫失電的時間縮短,但其缺點是廠外獨立電源并不能完全獨立于外部電力系統,兩條架空線路途經的部分地段植被茂密,一旦輸電線路或變電站内部出現故障,施工電源将無法100%保證供電可靠性。
簡要對比兩種供電方式的特點,見表1。結合廠内現有條件,對保安PC段電源系統進行改造,在保留柴油發電機組作為保安PC段第一電源的基礎上,将目前處于閑置狀态的施工電源接入二期保安PC段,作為該段新增的備用電源(如圖1虛線部分所示),以解決在機組事故狀态下,當柴油發電機組無法正常運行時,保安段無備用電源供電的問題。
考慮到柴油發電機組的運行基本不受廠内和廠外條件的制約,可适應極端停電事故情況,因此在運行方式上,将柴油發電機組作為保安PC段的主電源,施工電源作為該段的備用電源。
表1 兩種供電方式特點對比表
#3機、#4機保安PC配電室均位于集控樓0m層,兩配電室相鄰,施工電源配電室距離#3機保安PC配電室約285m,在#3機保安PC配電室内新安裝1台保安變壓器和3面400V低壓開關櫃,施工電源開關與新增變壓器之間、新增低壓開關與機組保安PC段之間采用電纜連接,新增變壓器與低壓開關櫃以及低壓開關櫃之間均采用銅排連接。
3 保安段電源改造保安PC段電源改造工作主要包括10kV施工電源開關改造、新增保安變壓器和新增400V低壓開關櫃安裝及相關配套工作。
3.1 10kV施工電源開關改造
保安PC段新增備用電源取自10kV施工電源B段,該段工作電源進線開關QF和保安變壓器高壓側開關QF1在原設計中均采用手動操作、就地巡檢的工作模式。
為減少人員操作風險、加強設備運行狀态的監控,在開關原控制回路中增加遠方、就地轉換開關,将這兩台10kV開關的遠方分合閘指令接入DCS(如圖2虛線部分所示),同時将10kV開關的合位、跳位、儲能、手車工作位、遠方、回路故障、保護動作等反饋信号接入DCS,将10kV施工電源B段母線電壓、兩台10kV開關的電流通過4~20mA模拟信号接入DCS。10kV開關控制回路改造後如圖2所示。
圖2 10kV開關控制回路改造圖
3.2 新增保安變壓器安裝
根據保安PC配電室現有設備布置情況,新增保安變壓器安裝于#3機保安PC配電室的備用屏櫃預留位置。#3機、#4機保安負荷統計見表2。
有文獻要求明備用的低壓廠用工作變壓器的容量宜留有10%的裕度,保安變壓器容量選擇2500kVA。
表2 #3機、#4機保安負荷統計表
3.3 新增400V低壓開關櫃安裝
新增400V低壓開關櫃也安裝于#3機保安PC配電室的備用屏櫃預留位置。根據表1的統計核算,保安變壓器低壓側開關QF2選擇In=6.3kA,施工電源至#3機保安PC段饋線開關QF3與施工電源至#4機保安PC段饋線開關QF4均選擇In=4kA。
保安變壓器與低壓側開關QF2采用3層80mm×10mm銅排雙拼并排連接,保安變壓器低壓側開關QF2與施工電源至#3機保安PC段饋線開關QF3和施工電源至#4機保安PC段饋線開關QF4均采用雙層80mm× 10mm銅排雙拼并排連接,施工電源至#3機保安 PC段饋線開關QF3與#3機保安PC段、施工電源至#4機保安PC段饋線開關QF4與#4機保安PC段均采用12根3×185mm2 1×95mm2低壓動力電纜并排連接。
為避免出現兩路電源非同期并列情況,施工電源至#3機保安PC段饋線開關QF3與#3機保安PC段工作電源進線開關采用DCS搭設邏輯和控制回路硬接線兩方面措施,其中一路電源進線開關的合閘允許條件必須滿足另一路電源進線開關在跳閘位,實現兩路電源進線開關在遠方和就地方式下的合閘互鎖功能,确保事故情況下,保安PC段隻有一路電源供電。保安PC段電源進線開關改造後的合閘允許回路邏輯與控制回路分别如圖3、圖4所示。
圖3 保安PC段電源進線開關合閘允許回路邏輯改造圖
圖4 保安PC段電源進線開關控制回路改造圖
3.4 改造後動作過程分析
施工電源接入保安PC段後,保安MCC段實現4路電源供電:PCA段、PCB段、柴油發電機組、廠外市電。在原運行方式基礎上,如柴油發電機組起動失敗或運行故障,柴油發電機組出口開關将自動跳開,由運行人員先斷開來自柴油發電機組的保安PC段工作電源進線開關,再合上施工電源至保安PC段饋線開關。
此時保安MCC段由廠外市電供電。如柴油發電機組處于退出狀态,運行人員在事故情況下,确認保安MCC段工作電源進線開關分閘後,可直接将保安MCC段切至由廠外市電供電。
3.5 改造效果與設計優化
保安PC段改造後,各設備運行可靠,為百萬千萬機組順利迎峰度冬提供了堅實保障,達到了改造的目的。
1)将廠外市電作為新增備用電源,提高了保安段供電可靠性。
2)最大程度地利用現有設備,提高了設備利用率,降低了改造成本。
3)保安PC段改造後,仍有進一步優化改進的空間。柴油發電機組控制系統獨立于DCS,包括可編程邏輯控制器(programmable logic controller, PLC)、同期裝置、電壓檢測模塊等設備,負責柴油發電機組的起停、保安段工作電源和備用電源開關的切換。施工電源目前接入保安PC段采用手動投切方式,後續可通過完善PLC程序和增加系統硬件的手段,對保安段運行方式進行優化。
在柴油發電機組控制櫃上增加運行方式切換開關,運行人員可根據現場情況自行選擇以下3種運行方式。
(1)對應上述手動模式,即事故情況下柴油發電機組起動,在柴油發電機組起動失敗或運行故障情況下,手動投切施工電源。該方式不需修改PLC程序和控制回路,運行人員需要判斷現場情況後再決定是否投切廠外市電。
(2)在柴油發電機組起動失敗或運行故障情況下,電壓檢測模塊檢測到廠外市電正常後,施工電源自動投入,當廠用電恢複後,在運行人員确認後,保安電源自動切回至廠用電。該方式需要擴展PLC的數字輸入(digital input, DI)和數字輸出(digital output, DO)卡件,增加電壓檢測模塊等設備,并修改PLC程序和控制回路。
(3)柴油發電機組退出運行,電壓檢測模塊檢測到廠外市電正常後,施工電源自動投入,當廠用電恢複後,在運行人員确認後,保安電源自動切回至廠用電。該方式也需要擴展PLC的DI和DO卡件,增加電壓檢測模塊等設備,并修改PLC程序和控制回路。
4 結論本文闡述了1000MW機組保安段電源的運行方式,總結分析了保安段電源的改造方案、改造過程及優化空間。交流保安電源是發電廠廠用電系統的重要組成部分,除了依靠傳統的柴油發電機組提供備用保安電源以外,各廠還可結合自身的具體情況,采用引入其他可靠電源作為保安電源、優化保安電源運行方式、細化設備的檢修和運行管理等手段,來提升保安電源系統運行的可靠性、靈活性、經濟性。同時,維護人員也應克服畏難情緒,刻苦鑽研技術、錘煉動手能力,确保柴油發電機組始終處于良好備用狀态。
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