電驅壓氣站供配電系統經濟可靠性措施探討

夏平　羅榮馨

摘 要：電驅壓氣站主要是為提高天然氣長輸管道的輸氣量，為保證壓氣站的安全平穩運行，必須對壓氣站配電系統進行安全可靠性設計，避免三相電壓不平衡度超標，同時要滿足天然氣管網增輸的功能。對電驅壓氣站供配電系統經濟可靠性措施進行了探討，提出了安全可靠性設計的原則，研究了將靜止無功發生器SVG補償技術應用到治理電源三相電壓不平衡的可行性方案，同時針對站場變壓器常規設計已無法滿足用電負荷的情況提出了經濟可行的解決措施。

關鍵詞：電驅；供配電；經濟；可靠性；措施

中圖分類號：TE974 文獻標識碼：A

通常天然氣管道壓氣站的功能是提高輸氣的壓力，維持管道所要求的輸氣流量，主要設備是結構緊湊、運行效率高的離心式壓縮機組。離心式壓縮機組為速度型壓縮機，只有在高速運行的情況下才能有效工作，按其驅動方式分為變頻電機驅動和燃氣輪機驅動，使用相應驅動設備的壓氣站稱為電驅壓氣站和燃驅壓氣站。

大型變頻電動機驅動壓縮機具有運行穩定可靠、維護和維修費用低、速度調節精度高、輸出效率高和環境污染小等優勢，并且隨著我國電網架構的完善和供電能力的提高，已經逐步替代了故障率高和維修費用高的傳統燃氣輪機驅動方式，成為壓縮機組主流的驅動方式，特別是在經濟發達地區。以西氣東輸二線東段為例，已建成的11個壓氣站中有7座電驅壓氣站，每站1臺壓縮機組啟用，1臺備用。

隨著我國天然氣需求量逐年增加，在不增大管徑的基礎上，要提高管道的輸送量，必須要控制壓氣站壓縮機組的停機次數，保證機組的持續穩定運轉。通過對西氣東輸二線電驅壓縮機停機次數的統計，供配電系統故障在電驅壓氣站壓縮機組停機中占46%以上，嚴重制約了電驅壓氣站的生產工作。為此，提高電驅壓氣站供配電系統安全可靠性，保證站場運行的經濟性，對于天然氣長輸管道的平穩運行和節能降耗具有重要意義。本文以西氣東輸二線某電驅壓氣站為例，在分析負荷特點及運行方式的基礎上，對電驅壓氣站的供配電系統存在的問題提出了安全可靠性措施，對變壓器的運行提出了優化配置方案。

1.電驅壓氣站供配電系統

某電驅壓氣站屬于西氣東輸二線，主要任務為接收上游的來氣，經過過濾分離和壓縮機組增壓后實現遠輸。電驅壓氣站的負荷等級為一級，主要負荷來自于3臺壓縮機（2用1備），特別是壓縮機電功率比較大，配套電壓應該在10kV等級。按照可靠性的要求，常規設計采用雙重110kV電源供電，在壓氣站內設置變電站。變電站的作用主要是作為電驅壓氣站的供電樞紐，為離心式壓縮機組變頻系統提供高壓電能，為站場的SCADA控制系統和ESD緊急切斷放空系統提供低壓電能，同時為站場用的泵機、空壓機和風機提供動力支持。

變電站設計電壓為110kV，供電方式為雙回路供電。110kV、10kV及0.4kV母線均采用單母分段接線方式。3臺壓縮機組分配在兩段l0kV母線上（10kV兩進線開關及母聯開關處配置有一臺深圳國立智能公司SID快切裝置）。3臺壓縮機組均采用VSDS（變頻調速系統），主要配套設備為10kV高壓開關柜、三相油浸隔離變壓器、水冷變頻器、三相異步電動機。

2.電驅壓氣站供配電系統安全可靠性設計措施

2.1 供配電方式設計

電驅壓氣站負荷等級為l級，按照相關規定，一級負荷用戶應具備2路電源供電，2路電源應來自不同的變電站，當一路電源發生故障時，另一路電源能保證獨立正常供電。

該電驅壓氣站有兩臺離心壓縮機，每臺離心式壓縮機組都獨立配套驅動電機、變頻器、空冷器和馬達控制中心等，兩臺壓縮機的公用輔助設備包括空壓機、冷卻水塔和UPS。以前的設計供配電設計方式是離心式壓縮機掛在10kV母線上，輔助設備分配在兩端400V母線上，造成任何一段母線失電或者故障都會造成兩臺壓縮機無法正常運行，也無法完成輸氣任務。合理的供配電方案應該是各壓縮機組配套的主設備和輔助設備都應該按照電壓等級的不同垂直掛接在同一段母線上，壓縮機主設備掛在10kV母線上，其獨立配套的輔助設備掛在400V母線上。輔助設備在選型時盡可能選購偶數臺設備，并且平均分配在兩段400V母線上。

該電驅壓氣站設計除要遵循國家和電力行業的相關設計運行規范標準外，需要考慮電力設備預防性試驗和維檢修的需求，并保證壓氣站電力系統，特別是壓縮機組電驅系統抗“晃電”的能力。在預防性試驗要求上，電驅壓氣站變電站設計過程中要考慮變壓器、母線、絕緣子等設備系統預防性試驗的要求，確保試驗過程中能提供足夠的操作空間，能保證壓縮機組能進行切換作業實現斷路器、母線和繼電保護裝置的停用，同時能保證壓氣站輸氣工作的正常。在壓縮機變頻系統“晃電”影響上，可以采取在低壓部分設置工業UPS設備或者防止晃電的繼電器來保證避免晃電導致壓縮機停機，同時在高壓部分可以利用快切裝置與高壓變頻器相結合配置的手段來避免晃電的危害。

2.2 采用SVG系統治理三相電壓不平衡

由于該電驅壓氣站變電站上級電源110kV側母線上有鐵路部門牽引變電所負載，負載為非線性和沖擊性，會向電網注入大量的負序電流，導致其進線電源質量比較差，主要表現在間歇性的三相電壓不平衡度超標，現場測試的結果表明電源的三相電壓不平衡度最大值為3.45%，已經超過了國標限值2%的要求。電網三相電壓不平衡導致壓氣站變頻電動機進線電流存在較大的負序分量，最終使變電站保護動作、壓縮機電機軸承振動和站內停電。由此可見，外電的電能質量在一定程度上影響著壓氣站平穩運行的安全可靠性。

電能質量的治理可以在污染的源頭，就是對鐵路牽引變電站進行治理，但目前受供電部門的限制，只能在電驅壓氣站進行治理。根據我國電能質量設備的發展狀況，選擇靜態無功發生器SVG進行治理。SVG主要由儲能裝置、電抗器、逆變器和無源濾波器組成，可以等效為可控電壓源，通過檢測和輸出負序電流來改變電網電壓，抵消由于背景電網引起的三相電壓不平衡。計劃投用的思源公司SVG主要是控制輸出負序電流來改變電網電壓，從而抵消上游電網引起的三相電壓不平衡，接線框圖如圖1所示，同時考慮到壓縮機組全部投用和當地電氣化鐵路和企業的發展，容量定為6MVar。電驅壓氣站至SVG設備投用以來，較好的補償了供電系統中的負序電流、諧波電流和無功電流，三相電壓的不平衡度控制在1.4%以內，系統的功率因素穩定在0.98，不平衡度控制在1.4%以內（如圖2所示），徹底解決了由于電能質量問題導致的電機振動甚至停機的問題，保證了供配電系統的穩定性。

該電驅壓氣站110kV變電站兩回路供電線路全長約為24kM，在壓氣站3臺壓縮機停用期間線路基本上就是在空載運行，因而產生了大量的無功功率，按照與供電部門簽訂的用電合同，功率因素低于0.9時會對該壓氣站進行罰款。采用SVG補償技術后，提高了壓縮機停機期間功率因素。

3.優化電驅壓氣站供配電系統配置

由于西氣東輸電驅壓氣站的主要負荷是壓縮機組，負荷等級為一級，按照可靠性的要求，通常是采用110kV的電源供電，同時考慮到發展的預留，通常會配置2臺63000kVA的110/10kV變壓器，變壓器采用分列式運行方式，均互為熱備用，就是一臺故障時候，另外一臺變壓器全負荷運行。但隨著市場對天然氣的需求增加，X80鋼管的應用，需要進一步提交壓縮機組的壓縮比，這就增加了用電負荷，需要采用新的配電方案來應對負荷的增加。

通過對某電驅壓氣站用電負荷的預測，在2025年該站機組的配置將采用3用1備，用電負荷最大將超過常規電驅壓氣站的變壓器容量63000kVA，將達到75117kVA，這要求設計新的配電方案，即在原來變壓器配置上增加變壓器臺數或者增加變壓器的容量，同時需要對這兩種方案進行技術經濟分析。

通過對變壓器設備參數的了解，對變壓器初始費用、電度費用等經濟參數的統計，同時對壓縮機組要求變壓器初始負載、功率因數、年帶電小時數等運行參數的選擇，依據《配電變壓器能效技術經濟評價導則》中綜合能效費用法對變壓器使用期間的費用進行計算，認為增加1臺變壓器的綜合能效費用要低于增加2臺變壓器容量的方案。在選擇配電方案的基礎上，同時考慮了3臺變壓器的運行方式，在2016年至2019年該站運行期間，可以采用2臺變壓器互為熱備的需要，1臺停用，就是在1臺變壓器出現故障時候，另外1臺變壓器能迅速投入使用。從不改變變壓器傳統設計2臺的基礎上，可以從優化變壓器配置出發，考慮將站用的10kV變壓器和10kV隔離變壓器與兩臺110kV變壓器進行整合配置，調整隔離變壓器匹配壓縮機組工況，這樣有利于電驅壓氣站經濟運行。在實際的運行過程中，需要進一步對壓縮機運行、變壓器配置和變壓器產品開展系統分析，確認3臺變壓器運行模式的經濟性，控制綜合功率損耗，為后續的電驅壓氣站節能降耗提供寶貴的意見。

結論

隨著電驅壓氣站在天然氣管道上的應用，其供配電系統對天然氣管道的平穩運行越來越重要，特別是電網污染越來越嚴重，天然氣發電越來越普及，對電驅壓氣站配電系統的經濟可靠性運行提出了挑戰。本項目的實施，特別是SVG補償技術在治理三相電壓不平衡的應用和采用多臺變壓器來應對用電負荷增加的方案，為今后電驅壓氣站外電質量的治理工作提供了經驗借鑒，為電驅壓氣站變壓器擴容提供了可行性的經濟方案，在國家節能減排政策實施的條件下，具有廣泛的應用價值。

參考文獻

[1]張月紅，李光，潘習文.輸氣管道電驅壓氣站外電投送存在問題及其解決方案探討[J].電氣應用，2012（15）：14-16.

[2]徐超.淺析高壓變頻器在電驅壓氣站中的應用[J].甘肅科技，2014（11）：10-12.

[3]韓輝，呂開鈞，冀杰.SVG在天然氣壓氣站應用的原理分析與計算機仿真.電力電容器與無功補償，2013（2）：42-43.

[4]何麗梅.電驅壓氣站的變配電系統配置方案探討[J].天然氣與石油，2015（5）：84-88+13.