IGCC電廠電氣設(shè)計(jì)優(yōu)化思路

姚 雯，張慧新

（中南電力設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430071）

IGCC電廠電氣設(shè)計(jì)優(yōu)化思路

姚 雯，張慧新

（中南電力設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430071）

為優(yōu)化整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電（Integrated Gasification Combined Cycle， IGCC）電廠電氣設(shè)計(jì)，筆者對我國已投運(yùn)的IGCC電廠投運(yùn)一年來的運(yùn)行情況進(jìn)行了調(diào)研。本文通過對運(yùn)行反饋信息進(jìn)行分析，對后續(xù)IGCC項(xiàng)目的電氣設(shè)計(jì)提出了設(shè)計(jì)優(yōu)化思路。

IGCC；電氣設(shè)計(jì)；優(yōu)化。

1　概述

IGCC發(fā)電技術(shù)，將煤氣化、凈化與燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電有機(jī)結(jié)合，是未來高效超低排放煤基發(fā)電的重要技術(shù)方向。與傳統(tǒng)燃煤電廠相比，具有近零排放、高效率、資源利用充分、用水量少、適于調(diào)峰等優(yōu)點(diǎn)。然而，其工藝系統(tǒng)和裝備復(fù)雜，工程造價(jià)高（大約是同規(guī)模燃煤電廠的2～3倍），運(yùn)行廠用電率高，在我國設(shè)計(jì)和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)尚未成熟，至今尚處在概念驗(yàn)證和工業(yè)試點(diǎn)階段。以電氣專業(yè)設(shè)計(jì)為例，IGCC電廠的電氣系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)方法與常規(guī)燃煤電廠基本相同，但由于IGCC電廠工藝系統(tǒng)復(fù)雜，且跨越了電力和化工兩個(gè)行業(yè)，其電氣設(shè)計(jì)與常規(guī)燃煤電站相比有其特殊和復(fù)雜之處。

本文從電氣設(shè)計(jì)角度，對我國已投運(yùn)IGCC試點(diǎn)電廠的電氣設(shè)計(jì)方案及其運(yùn)行反饋情況進(jìn)行分析，并對后續(xù)同類工程提出電氣設(shè)計(jì)優(yōu)化思路，供設(shè)計(jì)同行參考。

2　電廠主要電氣系統(tǒng)

該項(xiàng)目一期建設(shè)1×250MW級整體煤氣化燃?xì)?蒸汽IGCC機(jī)組，機(jī)組配置型式：1+1+1（1套燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組、1臺余熱鍋爐和1套蒸汽輪發(fā)電機(jī)組），燃機(jī)發(fā)電機(jī)額定功率180MW，汽機(jī)發(fā)電機(jī)額定功率100MW，發(fā)電機(jī)冷卻方式均為空冷。

電廠以220 kV一級電壓、出線1回至附近220 kV變電站，線路長度約2 km，廠內(nèi)設(shè)220 kV戶內(nèi)GIS配電裝置。

燃機(jī)發(fā)電機(jī)和汽輪發(fā)電機(jī)采用發(fā)電機(jī)-變壓器組單元接線型式接入廠內(nèi)220 kV母線，220 kV配電裝置采用單母線接線。不設(shè)發(fā)電機(jī)出口斷路器（Generator Circuit-Breaker， GCB）。

燃機(jī)發(fā)電機(jī)主變壓器容量為200 MVA，汽輪發(fā)電機(jī)主變壓器容量為110 MVA。

全廠起動/備用電源由廠內(nèi)220 kV配電裝置母線引接。

電氣主接線見圖1。

圖1　電廠電氣主接線圖

高壓廠用電系統(tǒng)采用10 kV一級電壓，高壓廠用電源由燃機(jī)發(fā)電機(jī)出口引接，設(shè)1臺分裂繞組高廠變和2段10 kV廠用工作母線，設(shè)1臺與高廠變同容量的起動/備用變壓器，高廠變和起動/備用變壓器的額定容量為68/41-41 MVA。

空分系統(tǒng)的空壓機(jī)與增壓機(jī)分別接在廠用10 kV A、B段上，空壓機(jī)和增壓機(jī)的電動機(jī)采用異步電機(jī)。2臺大容量電機(jī)采用變頻啟動方式，并共用1套變頻啟動裝置。變頻啟動裝置接線采用通過2臺10 kV開關(guān)分別接在10 kVA、B段的方式，以避免發(fā)生2臺大電機(jī)接在同一段10 kV母線上的情況。

聯(lián)合循環(huán)發(fā)電、空分、氣化及凈化等裝置的負(fù)荷采用集中供電方式，設(shè)置電氣綜合樓。變頻啟動裝置、10 kV配電裝置、空分、氣化及凈化等裝置 PC、汽機(jī)PC、MCC、燃機(jī)PC、保安PC及低壓變壓器等均布置在電氣綜合樓內(nèi)。

設(shè)1臺1000kW柴油發(fā)電機(jī)組，為機(jī)組事故失電提供保安電源。

3　電氣系統(tǒng)運(yùn)行反饋

3.1空分裝置

3.1.1大功率電動機(jī)啟動和運(yùn)行對母線電壓的影響

空分裝置的空壓機(jī)電動機(jī)為22500 kW，增壓機(jī)電動機(jī)為19000 kW，兩臺電動機(jī)合用一套容量約8000 kW的變頻啟動裝置，機(jī)組啟動前這兩臺電動機(jī)先后進(jìn)行空載變頻啟動。各電動機(jī)啟動時(shí)電流從0開始，切換至工頻時(shí)尚未達(dá)到其額定電流。投運(yùn)至今變頻裝置未發(fā)現(xiàn)異常或啟動失敗的情況。

由于這兩臺電動機(jī)均先于機(jī)組啟動，其啟動時(shí)廠用高壓母線負(fù)荷很低（一般不足5000 kW），因此電動機(jī)啟動時(shí)母線壓降不大，實(shí)測電壓約為10.2 kV，壓降約2%，低壓母線電壓為390～395V。所以大容量電動機(jī)啟動對其他電動機(jī)運(yùn)行基本無影響。

另一方面，機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，空壓機(jī)和增壓機(jī)始終在運(yùn)行，10 kV、380 V母線運(yùn)行電壓約為9.9 kV、382～394 V，相對于高、低壓廠用變壓器低壓側(cè)額定電壓分別為10.5、0.4 kV來說，母線電壓是偏低的。但是運(yùn)行時(shí)不能因此調(diào)整變壓器抽頭以提高母線電壓，因?yàn)橐坏┛諌簷C(jī)或增壓機(jī)停運(yùn)，母線電壓將立刻上升，電壓偏高將影響其他設(shè)備壽命。

對后續(xù)工程設(shè)計(jì)的啟示：空分裝置為電動機(jī)驅(qū)動時(shí)，采用容量為25%左右的變頻器是可行的，可多臺電動機(jī)共用1套變頻器啟動裝置。對于大功率空分裝置電動機(jī)供電，建議同類工程可參考化工行業(yè)的習(xí)慣做法，將大型電動機(jī)采用單獨(dú)的變壓器供電，而不與其他用電負(fù)荷一起從同一母線供電。

3.1.2空分裝置采用電驅(qū)方式對啟動費(fèi)用的影響

從空分裝置啟動到機(jī)組滿負(fù)荷，冷態(tài)啟動約65 h，熱態(tài)啟動約40 h。啟動一次費(fèi)用約需300～700萬元，其中空分裝置耗電費(fèi)用所占比重較大。

機(jī)組啟動時(shí)一般最先啟動空分裝置空壓機(jī)，然后啟動增壓機(jī)；停機(jī)時(shí)最后停空壓機(jī)（氣化爐停即可停空分電動機(jī)）。為節(jié)省啟停費(fèi)用，如果機(jī)組停機(jī)時(shí)間僅1～2 d，空分裝置的電動機(jī)一般保持運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)停機(jī)時(shí)間超過3 d，則停運(yùn)空分裝置。雖然電廠采用的是近年來制造及應(yīng)用技術(shù)較為成熟的E級燃機(jī)，但是由于燃燒天然氣和合成氣的技術(shù)有所不同，燃機(jī)仍需要做特別設(shè)計(jì)，投產(chǎn)初期機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定，啟停頻繁導(dǎo)致運(yùn)行費(fèi)用較大。

對后續(xù)工程設(shè)計(jì)的啟示：由于空分裝置耗電量大、變頻器投資較高（近1千萬元），當(dāng)具備采用汽輪機(jī)驅(qū)動的條件時(shí)（即附近有合適的汽源），建議采用汽輪機(jī)驅(qū)動方案。

3.2電氣主接線方案

該電廠未裝設(shè)發(fā)電機(jī)斷路器，機(jī)組啟停電源通過起/備變引自廠內(nèi)220 kV母線。由于投產(chǎn)初期機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定，啟停頻繁，為避免廠用電切換失敗導(dǎo)致機(jī)組啟動失敗而耗費(fèi)巨額啟動費(fèi)用，該廠投運(yùn)后長期由起/備變帶廠用電運(yùn)行。雖然關(guān)口表裝設(shè)在線路上，由起/備變帶廠用電不會因購電導(dǎo)致運(yùn)行費(fèi)用增加，但是起/備變作為工作電源，一旦故障則再無停機(jī)/備用電源。由此可見，不設(shè)GCB對機(jī)組運(yùn)行可靠性是不利的。

對后續(xù)工程設(shè)計(jì)的啟示：建議燃機(jī)發(fā)電機(jī)出口裝設(shè)GCB以避免機(jī)組啟停時(shí)的廠用電切換，提高運(yùn)行可靠性；對于關(guān)口表裝設(shè)在主變高壓側(cè)的工程，這樣還可以避免通過起/備變啟動買電導(dǎo)致啟動費(fèi)用增加。

3.3廠用電率

IGCC電廠的廠用電率是比較高的，一般約為15～20%。由于本項(xiàng)目機(jī)組投運(yùn)初期較長一段時(shí)間內(nèi)都不能保持穩(wěn)定滿發(fā)，運(yùn)行廠用電率更是偏大。2013年時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行的廠用電率約為33%；2014年5月15-18日進(jìn)行的綜合出力測試顯示，整套機(jī)組發(fā)電功率可穩(wěn)定達(dá)到22萬kW，最高功率近23萬kW，穩(wěn)定運(yùn)行期間的廠用電率降至25%左右。

空壓機(jī)電動機(jī)一般運(yùn)行容量為額定容量的90%，增壓機(jī)電動機(jī)為100%，這兩種電動機(jī)只要機(jī)組運(yùn)行即投入運(yùn)行。所以，空分裝置的廠用電率可估算為：（22500+19000）/250000=16.6%。因此，當(dāng)空分裝置采用電驅(qū)動時(shí)，廠用電率是比較高的。

對后續(xù)工程設(shè)計(jì)的啟示：由于空壓機(jī)和增壓機(jī)在機(jī)組運(yùn)行期間持續(xù)以高負(fù)荷率運(yùn)行，為選擇高壓廠用變壓器進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算時(shí)，不宜采用常規(guī)燃煤電廠的換算系數(shù)。該電廠高廠變和起/備變選擇68/41-41 MVA，運(yùn)行反映變壓器容量偏緊。為避免高壓廠用變壓器選擇容量不足，建議后續(xù)工程在選擇高壓廠用變壓器時(shí)，應(yīng)向化工島設(shè)計(jì)單位仔細(xì)了解負(fù)荷運(yùn)行特性，必要時(shí)采用公式Sjs=P/cosφ。

3.4交流保安電源

由于電廠僅由220 kV單回線送出，當(dāng)220 kV線路故障時(shí)，高廠變、起/備變均會失去電源，此時(shí)廠內(nèi)交流應(yīng)急停機(jī)負(fù)荷由交流保安電源系統(tǒng)供電。

電廠的交流保安電源系統(tǒng)除引接了正常工作電源外，還引接了第三方電源及一臺常用功率為1120 kW的柴油發(fā)電機(jī)組。

常規(guī)西門子或GE的E級燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組所配保安電源柴油發(fā)電機(jī)組容量一般為1200 kW。可見，該廠采用西門子燃機(jī)，所配柴油發(fā)電機(jī)組容量與常規(guī)燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組項(xiàng)目是相當(dāng)?shù)摹５剂拷尤氡０搽娫聪到y(tǒng)的負(fù)荷，化工島負(fù)荷是否接入保安有可商榷之處。一方面是化工行業(yè)一般沒有設(shè)置保安電源的做法，另一方面從其負(fù)荷運(yùn)行特性看也沒有必要接入保安。如氣化裝置的事故氮泵（170 kW，帶變頻裝置），由于配置了氮槽，事故停機(jī)時(shí)沒有必要繼續(xù)供電。如果不考慮這些化工負(fù)荷，柴油發(fā)電機(jī)組容量還可以進(jìn)一步降低。

對后續(xù)工程設(shè)計(jì)的啟示：對化工島負(fù)荷的供電要求和運(yùn)行特性需做深入了解，確認(rèn)其是否有事故停機(jī)時(shí)繼續(xù)供電的必要性，合理選擇柴油發(fā)電機(jī)組的容量。

3.5照明供電方式

電廠采用照明與動力合并供電的方式。由于空分裝置的空壓機(jī)及增壓機(jī)與其他廠用高壓負(fù)荷共用母線供電，停機(jī)后空分裝置停運(yùn)、母線電壓升高，導(dǎo)致很多照明燈具損壞。

對后續(xù)工程設(shè)計(jì)的啟示：當(dāng)空分裝置的空壓機(jī)及增壓機(jī)與其他廠用高壓負(fù)荷共用母線時(shí)，建議照明與動力分開供電，設(shè)置專門的照明變壓器。

4　電氣設(shè)計(jì)優(yōu)化思路

通過對已投運(yùn)的IGCC電廠的調(diào)研，及對IGCC電廠電氣設(shè)計(jì)特殊問題的研究，對后續(xù)同類IGCC項(xiàng)目的電氣設(shè)計(jì)提出如下優(yōu)化思路。

4.1空分裝置采用汽驅(qū)時(shí)設(shè)計(jì)優(yōu)化思路

當(dāng)具備合適的引接蒸汽的條件時(shí)，推薦配置汽驅(qū)壓縮機(jī)，實(shí)際上化工行業(yè)的空分裝置也多有采用汽驅(qū)方式，則電氣設(shè)計(jì)可做如下優(yōu)化：

（1）高壓廠用變壓器容量降低

經(jīng)初步估算，高廠變和起/備變?nèi)萘靠蛇x擇55～60 MVA，與已投運(yùn)IGCC電廠采用的68 MVA相比，容量降低較多。

（2）高壓廠用電系統(tǒng)可采用6 kV一級電壓

當(dāng)IGCC電廠采用電驅(qū)空分裝置時(shí)，為滿足大容量電動機(jī)的啟動和運(yùn)行要求，高壓廠用電系統(tǒng)采用10 kV電壓是合適的。當(dāng)空分壓縮機(jī)采用汽驅(qū)方案、沒有其他大容量電動機(jī)時(shí)，采用6 kV電壓等級在降低初投資和運(yùn)行損耗方面更具經(jīng)濟(jì)性，高壓廠用母線短路水平亦未超出6 kV開關(guān)設(shè)備最大開斷水平，且電壓等級與常規(guī)發(fā)電廠工程一致更符合電廠運(yùn)行習(xí)慣。

（3）技術(shù)指標(biāo)優(yōu)化

經(jīng)初步估算，采用汽驅(qū)方案的廠用電率約為6%，大大低于已投運(yùn)IGCC電廠設(shè)計(jì)廠用電率和機(jī)組運(yùn)行狀況較好時(shí)的運(yùn)行廠用電率（約25%）。

（4）其他

取消大容量電動機(jī)及其啟動裝置后，可節(jié)省投資數(shù)千萬元。在電氣綜合樓或其他場所節(jié)省了布置變頻啟動裝置所需的配電室面積。

4.2空分裝置采用電驅(qū)時(shí)設(shè)計(jì)優(yōu)化思路

空分裝置為電動機(jī)驅(qū)動時(shí)，可多臺電動機(jī)共用1套變頻器啟動裝置，變頻器容量可按最大一臺電動機(jī)的容量的25%左右選擇。

為避免大功率空分裝置電動機(jī)啟停對母線電壓的影響，可將大型電動機(jī)采用單獨(dú)的變壓器供電，而不與其他用電負(fù)荷一起從同一母線供電。

當(dāng)未單獨(dú)設(shè)置母線給空分裝置空壓機(jī)及增壓機(jī)的大型電動機(jī)供電時(shí)，建議照明與動力分開供電，設(shè)置專門的照明變壓器。

4.3電氣主接線優(yōu)化思路

根據(jù)運(yùn)行反饋，為提高機(jī)組運(yùn)行可靠性，建議后續(xù)同類IGCC項(xiàng)目在燃機(jī)發(fā)電機(jī)出口裝設(shè)GCB。當(dāng)主機(jī)考慮采用9F燃機(jī)時(shí)，相應(yīng)GCB價(jià)格約400萬元/臺。考慮到IGCC電廠在我國運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)尚淺，機(jī)組啟動失敗后重新啟動耗費(fèi)巨大，適當(dāng)增加投資、提高可靠性是必要的。

5　結(jié)語

IGCC是高效、綠色優(yōu)質(zhì)能源，由于其工藝系統(tǒng)的復(fù)雜性，設(shè)計(jì)單位仍需針對其電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特殊問題進(jìn)行深入研究。目前，根據(jù)已投運(yùn)IGCC電廠的運(yùn)行情況，暫對電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出以下幾點(diǎn)設(shè)計(jì)優(yōu)化思路：

（1） IGCC項(xiàng)目的空分裝置驅(qū)動方式對電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)和廠用電率影響很大。從電氣設(shè)計(jì)角度看，在具備條件時(shí)，采用汽驅(qū)方式更有利于降低電氣系統(tǒng)投資和運(yùn)行費(fèi)用。

（2）當(dāng)空分裝置采用汽驅(qū)方式時(shí)，建議高壓廠用電系統(tǒng)采用6 kV一級電壓。

（3）當(dāng)空分裝置采用電驅(qū)方式時(shí)，建議對空分裝置大容量電動機(jī)采用單獨(dú)的變壓器供電，其計(jì)算負(fù)荷的換算系數(shù)取值需根據(jù)其運(yùn)行特性確定。

（4）考慮到IGCC電廠在我國運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)尚淺、機(jī)組啟動失敗后重新啟動耗費(fèi)較大，建議在燃機(jī)發(fā)電機(jī)出口裝設(shè)GCB。

［1］ 焦樹建.IGCC技術(shù)發(fā)展的回顧與展望［J］.電力建設(shè)，2009，30（1）.

［2］ GB 50660-2011，大中型火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］ DL/T 5153-2014，火力發(fā)電廠廠用電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)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，高級工程師，主要從事發(fā)電廠電氣設(shè)計(jì)工作。