火電廠供熱技改項(xiàng)目新增用電負(fù)荷分析研究

王啟業(yè)

（1.華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江 杭州 310030；2.杭州華電能源工程有限公司，浙江 杭州 310030）

0 引言

為響應(yīng)超低排放、節(jié)能降耗的要求，火力發(fā)電企業(yè)技改項(xiàng)目逐年加碼，致使高廠變?cè)Ａ恐饾u不足。文獻(xiàn)[1-4]對(duì)近幾年火電靈活性改造現(xiàn)狀及發(fā)展前景比較全面的進(jìn)行了綜合性論述。本文針對(duì)集中供熱廠內(nèi)技改項(xiàng)目，摒棄電氣專業(yè)僅依據(jù)“火力發(fā)電廠廠用電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程”進(jìn)行廠用電負(fù)荷統(tǒng)計(jì)的弊端[5-6]，將工藝系統(tǒng)配套新增的電負(fù)荷與工藝流程及運(yùn)轉(zhuǎn)介質(zhì)相結(jié)合進(jìn)行分析，更加科學(xué)合理的分析統(tǒng)計(jì)出火力發(fā)電企業(yè)供熱技改項(xiàng)目中實(shí)際所需的用電容量，盡可能的規(guī)避因采取高廠變擴(kuò)容或新增高廠變?cè)斐傻耐顿Y增加和電氣安全隱患。

1 供熱技改項(xiàng)目簡(jiǎn)況

某電廠為滿足新增熱負(fù)荷需求，新建一座熱網(wǎng)首站。站內(nèi)配置的主要用電負(fù)荷包括：熱網(wǎng)循環(huán)水泵、熱網(wǎng)疏水泵、熱網(wǎng)補(bǔ)水泵等工藝設(shè)備。4臺(tái)熱網(wǎng)循環(huán)泵中，僅1臺(tái)為電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，其他3臺(tái)為小汽機(jī)驅(qū)動(dòng)。

熱網(wǎng)首站新增6 kV高壓用電負(fù)荷統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1所列，合計(jì)新增3 145 kVA。

表1 新增6 kV用電負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

本期工程新建熱網(wǎng)首站新增低壓用電負(fù)荷統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2所列，合計(jì)新增低壓負(fù)荷89.9 kVA。

表2 新增低壓用電負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

2 電廠原有用電分析

該廠建設(shè)規(guī)模為2×635 MW汽輪發(fā)電機(jī)組，2臺(tái)發(fā)電機(jī)均采用發(fā)電機(jī)—變壓器組單元接線，2臺(tái)728 MW發(fā)電機(jī)分別經(jīng)2臺(tái)主變壓器升壓至500 kV。

2.1 廠用電配置情況

廠內(nèi)設(shè)有5A、5B、6A、6B高壓廠用工作變壓器，分別從#5、#6主變低壓側(cè)引出，高壓廠用工作變壓器容量均為40/20-20 MVA，電壓為22/6.3-6.3 kV。5A、5B高壓廠用工作變壓器6 kV側(cè)分別設(shè)有6 kV廠用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ段；6A、6B高壓廠用工作變壓器6 kV側(cè)分別設(shè)有6 kV廠用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ段；各廠用段備用電源由廠內(nèi)2臺(tái)由220 kV母線引接的高備變提供。#5、#6發(fā)電機(jī)出口還分別接有1臺(tái)脫硫高壓廠用變壓器。6 kV廠用電動(dòng)機(jī)及低壓廠變分別接于相應(yīng)高壓廠用6 kV母線段。

2.2 技改實(shí)施前廠用變負(fù)荷統(tǒng)計(jì)分析

技改實(shí)施前5、6號(hào)機(jī)廠用Ⅱ、Ⅳ段均超高廠變分支額定容量，經(jīng)調(diào)取實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，5號(hào)機(jī)廠用Ⅱ、Ⅳ段最大運(yùn)行電流分別為1 540 A和1 600 A，6號(hào)機(jī)廠用Ⅱ、Ⅳ段最大運(yùn)行電流分別為1 576 A和1 599 A，均未超過(guò)高廠變低壓側(cè)額定電流1 833 A(原始設(shè)計(jì)中各類水泵、風(fēng)機(jī)參數(shù)的選擇上均留有一定的裕量，一般會(huì)高于額定工況5% ～ 15%，因此配套的驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行功率往往低于額定功率)。目前5A高廠變總裕量為1 687.4 kW，5B高廠變總裕量為4 248.3 kW，6A高廠變總裕量為3 199 kW，6B高廠變總裕量為1 981.6 kW。

技改新增6 kV高壓負(fù)荷3 145 kVA，5A、6B高廠變?cè)Ａ恳巡荒軡M足新增電負(fù)荷需求。該情況并非個(gè)例，多個(gè)技改設(shè)計(jì)工作中，廠用電按照設(shè)計(jì)規(guī)程校核后經(jīng)常顯示廠用電裕量不足，難以通過(guò)可行性報(bào)告審查，為防止高廠變過(guò)載運(yùn)行，往往采用增加廠用變壓器或原廠用變擴(kuò)容的方式來(lái)滿足新增負(fù)荷需求。該方案不僅投資造價(jià)高[8]，發(fā)電機(jī)出口至升壓主變之間再次T接1臺(tái)新的高廠變，短路電流需重新校驗(yàn)，保護(hù)定值需根據(jù)GB/T 14825—2006《電力系統(tǒng)繼電保護(hù)與安全自動(dòng)裝置整定計(jì)算》[9]和DL/T 684—2012《大型發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定計(jì)算導(dǎo)則》[10]等進(jìn)行重新整定。目前國(guó)內(nèi)火力發(fā)電廠多數(shù)投運(yùn)時(shí)間較長(zhǎng)，存在廠用電繼電保護(hù)資料缺失或關(guān)注不足等情況。整定配置原則及方法一直處于比較混亂的狀態(tài)，不同電廠的保護(hù)配置方案也各有差別。許多電廠都出現(xiàn)過(guò)因廠用電配置或計(jì)算不合理導(dǎo)致的誤動(dòng)或拒動(dòng)的情況[11]。

實(shí)際上，集中供熱技改項(xiàng)目往往不會(huì)帶來(lái)供熱期廠用電負(fù)荷的過(guò)度增加，不必用增加廠用變壓器或原廠用變擴(kuò)容的方式來(lái)滿足新增負(fù)荷需求，下面從用電負(fù)荷特性與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)兩個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)的分析研究。

3 供熱相關(guān)廠用電負(fù)荷分析及供電方案設(shè)計(jì)

3.1 水泵運(yùn)行工況對(duì)電機(jī)功率的影響

水泵運(yùn)行電功率計(jì)算公式：

式中：P為電功率，kW ；Q為流量，L/s；H為揚(yáng)程，m；ρ為流體密度，kg/L；g為重力加速度，取9.81 m/s2；η為水泵效率，一般取0.75～0.85。

水泵的揚(yáng)程和流量不是由功率決定的，而是由水泵結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)速來(lái)決定的，只有達(dá)到一定揚(yáng)程又有一定的流量時(shí)才與功率有關(guān)。通常把表示主要性能參數(shù)之間關(guān)系的曲線稱為水泵的性能曲線或特性曲線，實(shí)質(zhì)上，水泵性能曲線是液體在泵內(nèi)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的外部表現(xiàn)形式，通過(guò)實(shí)測(cè)求得。特性曲線包括：流量-揚(yáng)程曲線(Q-H)、流量-效率曲線(Q-η)、流量-功率曲線(Q-N)。在水泵特性曲線上，任意流量點(diǎn)都可以找到一組與其相對(duì)應(yīng)的揚(yáng)程、軸功率和效率值，通常把這一組相對(duì)應(yīng)的參數(shù)稱為工況，其對(duì)應(yīng)最高效率點(diǎn)的一組工況稱為最佳工況。

在設(shè)備選型設(shè)計(jì)過(guò)程中，水泵的運(yùn)行工況點(diǎn)是通過(guò)管路特性曲線與水泵特性曲線確定的，兩者的交叉點(diǎn)即為最佳運(yùn)行工況點(diǎn)，典型的水泵運(yùn)行工況圖如圖1所示(M工況點(diǎn)即為最佳工況點(diǎn))。在選擇和使用泵時(shí)，使水泵在高效區(qū)(最佳工況點(diǎn)附近)運(yùn)行，以保證運(yùn)轉(zhuǎn)的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

圖1 水泵運(yùn)行工況圖

如圖2所示，為典型的水泵Q-η曲線，表示泵的流量Q和效率η的關(guān)系。開始η隨Q的增大而增大，達(dá)到最大值后，又隨Q的增大而下降。該曲線最大值相當(dāng)于效率最高點(diǎn)。因此將該點(diǎn)作為水泵的設(shè)計(jì)點(diǎn)最為經(jīng)濟(jì)合理。但實(shí)際上水泵往往不可能完全在該條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，因此一般只能規(guī)定一個(gè)工作范圍，稱為泵的高效率區(qū)。由圖2可知，當(dāng)水泵的實(shí)際運(yùn)行流量低于設(shè)計(jì)流量時(shí)，水泵的效率也會(huì)隨之降低，電機(jī)功率就會(huì)相對(duì)增加，但相較于額定工況下的電機(jī)功率，小流量工況下的電機(jī)功率還是會(huì)降低。

圖2 流量-效率曲線

3.2 供熱期凝結(jié)水系統(tǒng)電負(fù)荷分析

熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組集中供熱工藝流程中，熱網(wǎng)加熱器的汽源來(lái)自汽輪機(jī)抽汽，相應(yīng)的凝結(jié)疏水通過(guò)疏水泵回流至汽輪機(jī)凝結(jié)水系統(tǒng)，由于抽汽增加，原汽輪機(jī)凝結(jié)水流量勢(shì)必減少，熱網(wǎng)首站內(nèi)新增的熱網(wǎng)疏水量與技改后汽輪機(jī)蒸汽凝結(jié)水量之和等于技改前汽輪機(jī)蒸汽凝結(jié)水量。因此，雖然首站內(nèi)新增疏水泵用電負(fù)荷，由上文可知，原汽輪機(jī)凝結(jié)水泵電負(fù)荷會(huì)相應(yīng)下降，凝結(jié)水系統(tǒng)整體電負(fù)荷會(huì)略有增加。

3.3 熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)相關(guān)廠用電負(fù)荷分析

熱網(wǎng)加熱器中熱網(wǎng)循環(huán)水與來(lái)自汽輪機(jī)的采暖抽汽換熱后，熱網(wǎng)循環(huán)水溫度得到提升，此時(shí)，熱網(wǎng)加熱器的功能類似于汽輪機(jī)組凝汽器，熱網(wǎng)循環(huán)水和汽輪機(jī)組排汽冷卻水存在替代關(guān)系。由于汽輪機(jī)抽汽的增加，排汽的減少，冷卻循環(huán)水流量降低，依據(jù)上文的分析，原冷卻循環(huán)泵電負(fù)荷降低，這時(shí)供熱期冷卻循環(huán)水僅在塔池內(nèi)循環(huán)，不上塔，冷卻循環(huán)泵只需低速運(yùn)行。

另外，熱網(wǎng)首站內(nèi)3臺(tái)熱網(wǎng)循環(huán)泵采用小汽機(jī)驅(qū)動(dòng)、僅1臺(tái)電動(dòng)泵做備用。因此，可以推斷技改工程實(shí)施后供熱期廠用電負(fù)荷會(huì)不升反降。

3.4 供電方案

依據(jù)上述分析，6 kV高壓負(fù)荷按照均勻分布的原則，4臺(tái)熱網(wǎng)疏水泵分別接入5號(hào)機(jī)廠用I、Ⅲ段和6號(hào)機(jī)廠用I、Ⅲ段，1臺(tái)熱網(wǎng)循環(huán)泵接入6號(hào)機(jī)廠用I段。低壓負(fù)荷總?cè)萘枯^小，但負(fù)荷數(shù)量多且較為分散，因此采用集中供電方式，熱網(wǎng)首站內(nèi)設(shè)置一段熱網(wǎng)MCC、雙電源進(jìn)線，電源取自原廠用不同PC段即可。

供熱技改項(xiàng)目廠用電負(fù)荷統(tǒng)計(jì)中原機(jī)組凝結(jié)水泵和冷卻循環(huán)水泵采用負(fù)荷率法[12]，專用換算系數(shù)取0.5，依據(jù)DL/T 5153—2014《火力發(fā)電廠廠用電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》新增負(fù)荷換算系數(shù)取0.85，核算結(jié)果見(jiàn)表3所列。核算結(jié)果顯示廠用電負(fù)荷不升反降，4臺(tái)高廠變均未超過(guò)額定容量。

表3 技改實(shí)施后廠用變負(fù)荷校核 kVA

4 技改前后運(yùn)行數(shù)據(jù)

通過(guò)調(diào)取歷史數(shù)據(jù)，供熱技改項(xiàng)目實(shí)施前后供熱期廠變最大運(yùn)行電流比對(duì)見(jiàn)表4所列。5號(hào)機(jī)廠用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ段實(shí)際最大運(yùn)行電流分別為1 480 A、1 495 A、1 360 A、1 516 A，5號(hào)機(jī)廠用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ段實(shí)際最大運(yùn)行電流分別為1 453 A、1 520 A、1 492 A、1 507 A，均未超過(guò)高廠變低壓側(cè)額定電流1 833 A，并且技改實(shí)施后各廠用段運(yùn)行電流相較實(shí)施前均有所降低。

表4 技改實(shí)施前后供熱期高廠變最大運(yùn)行電流對(duì)比 A

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)理論分析計(jì)算和實(shí)際運(yùn)行驗(yàn)證了集中供熱技改項(xiàng)目往往不會(huì)帶來(lái)供熱期廠用電負(fù)荷的過(guò)度增加。不同于超低排放技改項(xiàng)目[13-16]、脫硫脫硝技術(shù)改造中增加的大量電動(dòng)設(shè)備，均是為了運(yùn)轉(zhuǎn)新的工質(zhì)所配置，由于新增電負(fù)荷較大，原廠用電裕量往往無(wú)法滿足這部分用電設(shè)備的需求，通常都需要新增一定容量的高廠變來(lái)應(yīng)對(duì)。而供熱改造中原機(jī)組的工質(zhì)總量沒(méi)有發(fā)生變化，只是在工藝流程上做了變換，驅(qū)動(dòng)原機(jī)組工質(zhì)流轉(zhuǎn)的電動(dòng)設(shè)備總出力基本保持不變。因此，供熱技改后供熱期正常運(yùn)行廠用電率基本保持不變，高廠變也并不會(huì)過(guò)載。另外，正如本文案例中所述，采暖蒸汽參數(shù)較高的情況下，遵循能源梯級(jí)利用的原則，可以采用蒸汽驅(qū)動(dòng)熱網(wǎng)循環(huán)泵[17-18]的方式來(lái)進(jìn)一步降低廠用電負(fù)荷。