某機場三聯供能源站接入系統及燃氣發電機機組選型

黃 宇 清

(廣東省建筑設計研究院有限公司, 廣東 廣州 510010)

0 引 言

某機場三聯供能源站項目位于我國西部某省會城市,用于向該機場區域供電、供熱水及暖氣。該項目設計時機場區域總建筑面積為32萬m2,年用電量約為31.9 MkWh,年電費約為2 511.7萬元。因機場區域計劃擴建,預計能源站建成后機場區域總建筑面積達到42萬m2。

項目所在地天然氣價格低,市電采用分時計價。該三聯供能源站建成后,在電價峰時、平時時段使用天然氣自發電,并利用發電產生的余熱加熱鍋爐給水,將產生良好的經濟效益;項目所在地供暖時間長,因環保原因供暖需采用清潔能源,采用燃氣鍋爐供熱將產生良好的社會效益。經技術經濟比較,自發電成本與谷時市電電價相當,故該項目不考慮電價谷時時段自發電。

經技術經濟比較后,該項目能源站的聯供系統共設置4臺2 MW的燃氣內燃機(分為2組)向機場全部用電負荷供電;另外,設置2臺20 t的燃氣鍋爐向機場區域輸出熱水,用于供熱水、供暖。燃氣內燃機排放的尾氣用于對燃氣鍋爐的給水進行預加熱,實現熱電聯產。

本文對該項目中電氣設計的關鍵技術問題進行分析。

1 供配電系統

1.1 供配電系統現狀

機場現狀設35/10.5 kV中心變電站1個(簡稱“中心變電站”),由2路35 kV市政電源(空川線、龍中線)供電,共安裝2臺35/10.5 kV變壓器,每臺變壓器的容量為10 000 kVA。中心變電站共設2段10 kV母線(分別為10 kVⅠ段、10 kVⅡ段),2臺變壓器分別接入其中一段10 kV母線。兩段10 kV母線平時分列運行,當其中一段故障時,另外一臺變壓器可滿足全部負荷的用電需求。中心變電站饋出40路10 kV線路至各10/0.4 kV變電所。

1.2 發電系統運行方式

受當地供電部門對企業聯供系統上網的限制,該項目聯供系統采用并網運行的方式,不上網運行。

1.3 接入系統設置

接入系統應根據發電機組的容量及變配電系統的主接線形式進行設計[1]。

該項目中心變電站饋出的10 kV線路多達40路,下級10/0.4 kV變電所數量多,用電負荷分散在整個機場區域。為保證聯供系統的發電機組能有效向所有用電負荷供電,該工程將并網點設在中心變電站的10.5 kV母線處,10.5 kVⅠ段母線、10.5 kVⅡ段母線分別接入聯供系統的發電機組電源,聯供系統可向機場區域的全部用電負荷供電。

發電機組輸出電壓等級應根據發電機容量、用電負荷要求、供電距離等因素確定。該項目發電機單機容量為2 MW,并網位置為中心變電站的10.5 kV母線處,能源站至并網點的距離約為800 m。綜合考慮上述因素,發電機組機端輸出電壓為10.5 kV。

中心變電站的10.5 kV母線接入聯供系統發電電源后,其供電系統的電源由原來的2路增加到4路,系統供電可靠性得到了提高。

35/10.5 kV配電系統示意圖如圖1所示。

1.4 并網系統的繼電保護措施

該項目設置自動監控集成系統(簡稱“監控系統”),采用PLC控制器對聯供系統的發電、輸電、配電系統進行控制和保護。

(1)自動同期措施。監控系統根據中心變電站10.5 kV母線的電壓、頻率、相位等參數(由智能測控儀表進行采集),調整聯供系統發電機組的輸出參數,使之與中心變電站10.5 kV母線參數自動同期并自動投切并網斷路器(位于能源站10 kV高壓配電室),實現聯供系統發電機組并網運行。

(2)逆功率保護措施。在兩路35 kV市電電源進線處設置“逆功率保護裝置”作為并網不上網的控制、保護裝置,保證聯供系統只受電,不向公共電網輸送電能。

由智能測控儀表對35 kV市電電網向機場輸送的有功功率進行實時檢測。當有功功率接近0時,監控系統自動控制、減少發電機組的輸出功率;當有功功率為0時,逆功率保護裝置自動斷開發電機組并網接入斷路器(位于中心變電站的10 kVⅠ段母線、10 kVⅡ段母線處),避免發電機向35 kV公共電網輸送電能。

為保證機場供電的可靠性,逆功率保護裝置僅作用于斷開發電機組的并網接入斷路器,不作用于斷開中心變電站35 kV市電的進線斷路器。

(3)發電機組起停、輸出功率控制措施。監控系統可實現對發電機組的起停控制、輸出功率控制、并網投切控制。監控系統實時監測35 kV變電站主進線回路的有功功率及相關參數,根據控制邏輯起停燃氣發電機組,對發電機組的輸出功率進行自動調整,并對發電機組并網斷路器進行自動投切控制。

2 燃氣發電機組類型的選擇

2.1 發電機組主要類型及特點

聯供系統發電設備主要有小型燃氣輪機(以下簡稱“燃氣輪機”)、燃氣內燃機和微燃機[1],合理選擇發電機組類型是提高設備利用率、提升能效及經濟性的關鍵。

2.2 燃氣輪機特點

(1)燃氣輪機是以連續流動氣體為工質將熱能轉化為機械能的旋轉式動力設備,包括壓氣機、燃燒室、輔助設備等,具有結構緊湊、操作簡便、穩定性好等優點。

(2)燃氣輪機功率較大,主要用在大、中型電站。

(3)單機容量在4 MW以下時,燃氣輪機的發電效率較低,經濟性較差。

2.3 燃氣內燃機特點

(1)燃氣內燃機是將液體或氣體燃料與空氣混合后,直接輸入氣缸內部燃燒并產生動力的設備,是一種將熱能轉化為機械能的熱機,具有體積小、熱效率高、起動性能好等優點。

(2)燃氣內燃機受地理環境的影響比較小,高溫、高海拔下可正常運行。

(3)燃氣內燃機功率較小,主要用在小型分布式電站,當發電功率較低時燃氣內燃機組的發電效率較高,較適用于單機發電功率小于4 MW的系統。

2.4 微燃機特點

微燃機是微型燃氣輪機,單機功率一般小于300 kW,其特性與燃氣輪機基本相同。微燃機單機功率太小,不適合應用于該項目。

2.5 各類型發電機組的熱效率、發電效率特性

(1)燃氣輪機、燃氣內燃機的熱電總效率(熱效率與發電效率之和)大致相同。

(2)燃氣內燃機的發電效率高于燃氣輪機。

(3)燃氣輪機的熱效率高于燃氣內燃機。

2.6 各類型發電機組的余熱特性

(1)燃氣輪機組的煙氣溫度較高(450 ℃以上),主要用于生產高壓蒸汽,還可推動蒸汽輪機發電機組發電。

(2)燃氣內燃機組余熱分為兩部分:一部分為缸套冷卻水余熱,溫度較低,主要用于供熱、制備生活熱水;另一部分為煙氣余熱,溫度在400～500 ℃之間,可用于驅動吸收式冷水機組及生產蒸汽。

2.7 發電機組類型確定

確定發電機組類型時,應綜合考慮冷熱電負荷情況、運行方式、余熱介質參數與余熱利用設備應匹配、運行經濟性等因素。該項目具有以下特點:

(1)發電機組的單機容量約為2 MW。

(2)運行方式為并網。

(3)項目所在地海拔高度較高,約為2 000 m。

(4)產生經濟效益的部分主要是發電的電量,應選擇發電效率高的機組。

(5)對余熱(煙氣余熱、冷卻水余熱)溫度要求不高,余熱僅用于加熱鍋爐給水。

綜合考慮上述因素及各類型發電機組的特性,該項目選擇燃氣內燃機作為發電機組。

3 發電機組臺數、單機容量的確定

選擇發電機組臺數、單機容量時,應考慮發電機工作時有較高的負載率、發電機組應能適應用戶的負荷變化、余熱能充分利用、投資回報率高等因素。

該項目中產生經濟效益的部分主要是發電量,應在有限的投資內將年發電總量最大作為總體設計目標,機組容量利用率應盡可能高。

3.1 燃氣內燃機單機負荷率特性

燃氣內燃機當負荷率在50%以上時,發電效率較高;當負荷率低于50%時,發電效率低,且對機組損害較大,一般需要停機,不能發電。因此,燃氣內燃機只能運行在發電負荷率為50%～100%的負荷范圍。

3.2 機場用電負荷分析

總投資一定情況下,發電單機功率太小,總功率較小,當用電負荷高峰時因發電總容量不夠,使用市電較多,經濟效益不好;發電單機功率太大,當用電負荷低谷時由于負荷低于單機容量的50%,發電機組需要停機,需使用市電,發電總量減少,機組容量利用率低,投資回報率低。

因此,要確定發電裝機總容量、單機容量及臺數,必須對項目用電負荷進行分析,對全天、全年各時段用電負荷的數值進行統計、分析[2-3]。

3.3 各時段電價及其對機組容量的影響

該機場的市電電價為分時電價,各時段電價情況如表1所示。

表1 各時段電價情況

由于谷時電價較低,與能源站自發電成本接近,因此該項目不考慮在谷時(23 ∶00～7 ∶00)發電,用電負荷分析、發電機組選型按(峰價+平價)時段考慮。

3.4 現狀用電負荷分析

該項目設計時,機場總建筑面積為32萬m2,其中航站樓面積為9.6萬m2,非航站樓面積為22.4萬m2。中心變電站已設置電力自動監控系統,系統可導出35 kV市電電源進線處每天整點時刻的有功功率數值。該項目方案設計階段,筆者從系統中導出了機場最近1～2年的每日平均有功負荷、日有功負荷的運行數據,并對該數據進行了統計、整理。

(1)日平均有功功率。中心變電所2014年1月1日至2016年4月30日(共851天),35 kV進線每日平均有功功率曲線如圖2所示。

圖2 35 kV進線每日平均有功功率曲線

對圖2進行分析,可得到以下結論:

① 10 kVⅠ段(空川線)及10 kVⅡ段(龍中線)的用電負荷較為接近,約各占總負荷的50%。

② 每年非供暖季(4月15日～10月14日)期間,用電負荷較小;每年供暖季(10月15日～4月14日)期間,用電負荷較大。

③ 非供暖季平均負荷/供暖季平均負荷的比值為55%;1年中,最小日用電有功功率/最大日用電有功功率的比值為34%。

④ 日用電負荷是逐年增加的。主要原因是機場每年擴建,總建筑面積逐年增加。

(2)典型日有功功率(機場區域總的用電有功功率)。中心變電站2015年4月15日至2016年4月5日(每月取5、15、25日作為典型日,共36天),35 kV進線典型日有功功率曲線如圖3所示。

圖3 35 kV進線典型日有功功率曲線圖

因谷時電價與自發電成本相當,故谷時使用市電,統計時不考慮谷電價時段。對圖3進行分析,典型日最大、最小及平均有功功率如表2所示。

表2 典型日最大、最小及平均有功功率

由圖3、表2,可得到如下結論:

① 年最大有功功率出現在供暖季,為12月15日10 ∶00,有功功率為6 390.0 kW。

② 年最小有功功率出現在非供暖季,為5月25日23 ∶00,有功功率為2 280.4 kW。

③ 年有功功率的平均值為3 977.5 kW。

3.5 擴建后有功功率預測

因機場計劃1～2年擴建,預計擴建后總建筑面積達到42萬m2,其中航站樓建筑面積為9.6萬m2,非航站樓建筑面積為32.4萬m2。能源站建成后,機場總建筑面積將為42萬m2,故有必要對擴建后的用電負荷進行預測。

以現有運行數據為依據,根據不同類別的建筑物面積增加的情況,將增長的負荷分為航站樓、非航站樓兩部分分別進行預測。

(1)有功功率預測模型。機場現狀及擴建建筑規模如表3所示。

表3 機場現狀及擴建建筑規模

預測10 kVⅠ段有功功率P2a=P2a1+P2a2,其中P2a1、P2a2分別為10 kVⅠ段擴建后航站樓部分、非航站樓部分的有功功率。

預測10 kVⅡ段有功功率P2b=P2b1+P2b2,其中P2b1、P2b2分別為10 kVⅡ段擴建后航站樓部分、非航站樓部分的有功功率。

因此,擴建后總的有功功率P=P2a+P2b。

(2)典型日有功功率預測結果。中心變電站4月15日至第二年4月5日(每月取5、15、25號作為典型日,共36天),35 kV進線典型日有功功率預測曲線如圖4所示。

圖4 35 kV進線典型日有功功率預測曲線

不考慮谷電價時段,對圖4進行分析,擴建后典型日最大、最小及平均有功功率預測如表4所示。

表4 擴建后典型日最大、最小及平均有功功率預測

由圖4、表4,可得如下結論:

(1)預測年最大有功功率出現在供暖季,為12月15日10 ∶00,有功功率為8 078.9 kW。

(2)預測年最小有功功率出現在非供暖季,為8月15日7 ∶00,有功功率為2 836.9 kW。

(3)預測年有功功率的平均值為4 948.9 kW。

3.6 發電機組分組、臺數、單機容量的確定

發電機組分組應與電力系統的接線方式相匹配。由于中心變電站設有2段10 kV母線,平時分列運行。聯供系統發電機組應分為2組,各組分別與其中1段10 kV母線并網運行。

考慮各組發電機容量應適應用電負荷的變化,保證投入運行的發電機負荷率在50%～100%范圍內,每組設置2臺發電機組。發電并網運行時,每組發電機的有功功率可在總裝機容量的25%～100%范圍內調節。

根據表4,能源站共選用4臺2 000 kW的內燃發電機組,發電機組裝機總容量為8 MW。發電機組分為2組,每組設2臺發電機組,2組發電機組分別接入35/10.5 kV中心變電站的10 kVⅠ段母線、10 kVⅡ段母線。

在市電谷電價時段(23 ∶00～7 ∶00),該項目發電機組不運行,機場全部使用市電。在市電峰電價及平電價時段,該項目發電機組運行,盡可能保證機場的全部負荷用電。在用電負荷高峰時段,4臺發電機組全部滿負荷運行;在用電負荷最低時段,每組1臺發電機組運行(共2臺機組運行),2臺發電機組負荷率分別為81%、60%。

上述發電機機組分組、臺數、容量的確定與設計目標相適應,在負荷高峰或低谷時段,基本可以實現機場全部用電由發電機組供電,因此機組分組、臺數及單機容量合理,機組容量利用率高。

4 結 語

三聯供能源站電氣設計應根據項目投資經濟性分析及地方電網對分布式電站上網的要求,確定發電系統的運行方式;根據變電所分布、用電負荷分布、配電系統結線方式,確定發電系統接入方式及發電機機端輸出電壓;根據用電負荷有功功率數值、有功功率年/日波動情況、余熱熱能利用方式、項目所在地海拔高度、投資和運行的經濟性等因素,確定燃氣發電機的機組類型、機組臺數、單臺機組功率及分組運行方式等。