電廠啟備變環(huán)保節(jié)能技術(shù)改造方案

一、 啟備變環(huán)保節(jié)能的意義和經(jīng)濟(jì)效益

1) 啟備變節(jié)能運行的意義

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源需求與能源消耗日益增加，作為能源動力的發(fā)電廠進(jìn)行節(jié)能減排，其意義十分重大。建設(shè)節(jié)約環(huán)保型示范電廠，已經(jīng)成為各大發(fā)電集團(tuán)落實國家建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的具體體現(xiàn)，是建設(shè)具有國際競爭力大企業(yè)集團(tuán)的戰(zhàn)略舉措。

隨著發(fā)電公司與電網(wǎng)公司的分離，以及電力市場改革的不斷推進(jìn)，各發(fā)電公司發(fā)電廠開始自負(fù)盈虧。對于火電發(fā)電企業(yè)運行經(jīng)濟(jì)性，通過兩大經(jīng)濟(jì)指標(biāo)來反應(yīng)：發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗和廠用電率。在完成發(fā)電任務(wù)的同時，盡可能降低發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗、降低廠用電率，就可以提高發(fā)電廠的生產(chǎn)效率，實現(xiàn)企業(yè)效益最大化的目標(biāo)。

眾所周知，發(fā)電廠啟備變一直采用熱備用的運行狀態(tài)，存在空載損耗。以北方聯(lián)合電力有限責(zé)任公司統(tǒng)計了下屬發(fā)電廠的啟備變運行為例，啟備變?nèi)萘繛?0MW~70MW不等，若這些啟備變?nèi)扛挠美鋫溆?，每年可?jié)約空載損耗的電費約為2600萬元。

國內(nèi)相關(guān)統(tǒng)計表明，300MW-600MW機(jī)組設(shè)計廠用電率約為6～8%，200MW及以下機(jī)組一般在7～8%，老舊機(jī)組廠用電率一般高于8～9%。2005年末我國裝機(jī)容量已達(dá)到5億kW，其中水電機(jī)組1億kW，火電機(jī)組4億kW，火電機(jī)組中300MW以上機(jī)組占42%，300MW以下機(jī)組為58%，平均廠用電率為7.7%。若按照“十一五”規(guī)劃《綱要(草案)》要求能源消耗降低20%(7.7%×20%=1.54%)，則相當(dāng)于新增6200MW裝機(jī)容量，節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤1300萬噸，節(jié)約240億元投資，相應(yīng)地降低了土地占用及相應(yīng)的煤、電消耗，也相應(yīng)地降低水資源和相應(yīng)的材料、機(jī)電設(shè)備等。

發(fā)電廠啟備變一直采用熱備用的運行狀態(tài)，一是存在空載損耗，二是對于多數(shù)發(fā)電廠來說，啟備變使用的是電網(wǎng)購買的工業(yè)電，電價高于廠內(nèi)自用電，存在明顯的電價差，若改為冷備用，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

過去有一種認(rèn)識，認(rèn)為啟備變涉及廠用電安全運行，必須采用熱備運行才能有較高的可靠性;認(rèn)為空載損耗較小，可忽略不計;啟備變改為冷備用，雖然降低了損耗，但增加了運行風(fēng)險。然而隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，自動化設(shè)備產(chǎn)品的可靠性越來越高，啟備變由熱備用改為冷備用成為了可能。

為此，現(xiàn)在我們有必要按照電廠的實際運行情況，通過分析計算和相關(guān)的RTDS實驗的研究的驗證，進(jìn)行發(fā)電廠啟備變熱備用改冷備用的工程實施，建設(shè)節(jié)約環(huán)保型電廠。

2) 啟備變冷備用的經(jīng)濟(jì)效益分析

發(fā)電廠啟備變一直采用熱備用的運行狀態(tài)，存在空載損耗(實測損耗遠(yuǎn)大于變壓器銘牌空載損耗)，據(jù)前期工程實施中，以北方聯(lián)合電力有限責(zé)任公司下屬發(fā)電廠24臺啟備變?yōu)檠芯繉ο?，若全部改用冷備用，每年可?jié)約空載損耗的電費約為2600萬元;另外多數(shù)發(fā)電廠啟備變使用的是電網(wǎng)購買的工業(yè)電，電價高于廠內(nèi)自用電;因此冷備技術(shù)對于節(jié)能減排、降低廠用電率意義重大，符合時代潮流。

啟備變的空載電流實測及空載損耗估算。以我公司實施工程中的某電廠為例，在電廠#1啟備變冷備用投運前，實測了熱備用情況下的空載電流。實測高壓側(cè)二次電流為3mA，CT變比為600A/5A(由于高壓側(cè)電壓太高，又在運行中難于將變壓器的套管CT更換為計量專用CT，由于套管CT變比是基于負(fù)荷電流、短路電流設(shè)計的，用于保護(hù)，而非計量專用，故在空載時的計量精度很低，本次實測，只是在CT二次串了一塊高精度電流表FLUKE187)，折算高壓側(cè)一次電流為0.36A，實測高壓側(cè)電壓為232kV，因此，功率：P1 =1.732×232×0.36 × cosφ = 144.7kW×0.8175 = 118.29kW。( 注：由啟備變的銘牌參數(shù)可計算出空載運行時的功率因數(shù)cosφ = P0/(0.1%Sn) = 32.7kW/(0.1%*40MVA) = 0.8175 )

實際上，由于CT精度太低，實際損耗要比本次實測數(shù)還要大。根據(jù)型式試驗、及多年電科院的實測，一般空載損耗為變壓器額定容量的0.3~1.0%，若按0.5%考慮，40000kVA的變壓器損耗最少為200kW。

以某電廠的啟備變(55MW)為例，如果啟備變改為冷備用，按啟備變空載損耗占額定容量的0.5%估算，每年可節(jié)約電量約55MW×0.5%×24h×300天(冷備)/年 = 198萬kWh/年。假設(shè)按工業(yè)電價0.6055元/kWh計算，一年可節(jié)約費用198萬kWh*0.6055元/kWh = 120萬元。

3) 采用冷備方式后日常運行管理的變化

啟備變改為冷備用運行方式后，在運行管理上，應(yīng)做如下規(guī)定：

a) 定期啟動潛油泵，防止變壓器油中微水結(jié)冰，避免變壓器出現(xiàn)事故。建議冬季定期啟動周期縮短。春夏秋季可每月一次;冬季可每半個月一次。

b) 按運行規(guī)程要求，定期做變壓器油微水及色譜分析。

二、 啟備變環(huán)保節(jié)能技術(shù)改造方案

啟備變冷備用的實施離不開廠用電快切裝置和變壓器保護(hù)裝置的相互配合，其中還涉及到啟備變高低壓側(cè)斷路器合閘方式，以及合閘過程的勵磁涌流等一系列問題。如果廠用電快切裝置和變壓器保護(hù)裝置配合不好，有可能在關(guān)鍵時刻出現(xiàn)不能正確地實現(xiàn)電壓切換的問題，由此引發(fā)的廠用電母線失壓將帶來非常嚴(yán)重的后果。因此，啟備變冷備用在應(yīng)用之前一定要有充分的成功和可靠的試驗結(jié)果作為依據(jù)。

通過動模試驗研究(包括物理動模和RTDS數(shù)字動模)，模擬啟備變在各種工況下(包括事故狀態(tài))的切換試驗，確認(rèn)啟備變冷備用運行的可行性。

本項目的總體方案是：

a) 通過動模試驗研究(包括物理動模和RTDS數(shù)字動模)，獲得充分而可信的試驗數(shù)據(jù)，作為現(xiàn)場進(jìn)行工程改造的重要依據(jù);

b) 采用快切裝置和變壓器保護(hù)裝置(差動保護(hù)包含勵磁涌流閉鎖功能)的配合實現(xiàn)啟備變冷備運行切換。

智能切換裝置，采用合理可靠的高壓側(cè)、低壓側(cè)合閘時序進(jìn)行切，使切換裝置支持熱備與冷備兩種模式，使用時兩種模式可選其中一種。

1) 啟備變熱備改冷備RTDS數(shù)字仿真試驗

為保證快切冷備技術(shù)對貴電廠廠用電系統(tǒng)的適用性，需要對廠用電系統(tǒng)進(jìn)行建模，進(jìn)行RTDS試驗驗證(相關(guān)實驗內(nèi)容請參看海勃灣電廠的動模試驗報告)，通過RTDS數(shù)字仿真的方法，定量的分析啟備變冷備用的運行工況，并通過現(xiàn)場試驗，驗證了啟備變冷備用的可行性與可靠性，保證啟備變冷備用項目的順利實施。

啟備變由熱備用改為冷備用后，啟備變的高、低壓側(cè)斷路器合閘方式發(fā)生了變化。由原來只需合低壓側(cè)斷路器變?yōu)楦?、低壓?cè)斷路器都需要進(jìn)行合閘。在熱備用狀態(tài)下，起備變在穩(wěn)態(tài)下運行，快切動作只需合其低壓側(cè)斷路器。起備變改為冷備用后，快切動作時需要合其高、低壓側(cè)斷路器。在起備變剛合上高壓側(cè)時，隨之產(chǎn)生激磁涌流等一列問題。因激磁涌流最大幅值一般可以達(dá)到額定電流的6～8倍，且含有大量的高次諧波，故需要從下面幾個方面研究起備變由熱備用改冷備用的可行性。

1) 啟備變空投情況下，勵磁涌流對繼電保護(hù)裝置的影響;

2) 啟備變帶不同負(fù)載情況下，勵磁涌流對繼電保護(hù)裝置的影響;

3) 研究在不同負(fù)載下母線電壓維持時間。

4) 測試廠用電快切裝置在各種方式下的切換功能。

5) 啟備變高、低壓側(cè)斷路器合閘次序，對快切和啟備變差動保護(hù)的影響;包括同時合閘，高、低壓側(cè)不同合閘時間。

2) 啟備變熱備改冷備保護(hù)現(xiàn)場改造配置方案

6kV廠用電每段母線配置1臺廠用電智能快切裝置，對應(yīng)1臺發(fā)電機(jī)組屏一面，安裝于其控制室。

廠用電智能快切裝置配置組屏方案如下：

訂購快切裝置還需提供的參數(shù)：

額定交流電流值：1A或5A;

直流電壓：220V或110V，用于開入信號采集;

對時方式：GPS 脈沖對時或485 接口-B碼對時;

一、 現(xiàn)場工程實施

1) 每臺廠用電智能快切裝置裝置需要連接的電纜

a)交流量

母線三相電壓、工作分支電壓、備用分支電壓1、備用分支電壓2、工作分支電流、備用分支電流

b)開出量

跳工作分支開關(guān)、合工作分支開關(guān)、跳備用分支高壓側(cè)開關(guān)、合備用分支高壓側(cè)開關(guān)、跳備用分支低壓側(cè)開關(guān)、合備用分支低壓側(cè)開關(guān);

低壓減載Ⅰ段出口、低壓減載Ⅱ段出口、啟動后加速出口;

裝置動作、告警信號;

c) 開入量

工作分支開關(guān)位置、備用分支高壓側(cè)開關(guān)位置、備用分支低壓側(cè)開關(guān)位置、保護(hù)起動切換;

閉鎖遠(yuǎn)方操作、檢修狀態(tài)壓板、信號復(fù)歸、母線PT開關(guān)位置、手動啟動切換、冷備用方式、保護(hù)閉鎖切換、總閉鎖;

d)其它

裝置電源、通訊線等;

2) 廠用電智能快切裝置通訊組網(wǎng)

CSC-821廠用電智能快切裝置提供的通訊方式：

a) 電 RS485 端口：屏蔽雙絞線接口，支持Modbus RTU 規(guī)約;

b) 電以太網(wǎng)端口：RJ45接口，支持IEC60870-5-103 規(guī)約

可以通過通訊方式將CSC-821廠用電智能快切裝置連接至ECS系統(tǒng)，上傳信息。

二、 CSC821廠用電智能快切裝置介紹

1) 裝置特點：

a) 采用通用的網(wǎng)絡(luò)化硬件平臺，裝置資源可靈活擴(kuò)展，軟件基于IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)，組態(tài)靈活方便，可滿足不同用戶的需求;

b) 核心CPU采用Freescale公司集成通訊處理器的PowerPC嵌入式雙內(nèi)核處理器、基于實時嵌入式操作系統(tǒng)，具有低功耗、壽命長、可靠性高，適合嚴(yán)酷工作環(huán)境等優(yōu)點;

c) 獨特的頻率和相角差測量方法，具有響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)、精度高的特點，保證快速切換的成功率;

d) 采用改進(jìn)的高精度恒定越前時間算法計算導(dǎo)前角，確保同期切換時母線電壓與備用電源電壓第一次滿足相角條件時合上備用電源;

e) 支持備用分支變壓器冷備用;

f) 靈活的切換方式組合，可根據(jù)用戶需求自定義不同的切換方式;

g) 功能設(shè)置齊備、裝置提供兩段式低壓減載功能，保證在母線電壓低時，跳開不重要的負(fù)荷;

h) 完善的自檢功能，對于所有的輸入輸出通道均實時自診斷;

i) 大容量的錄波功能，真實記錄各種切換方式下，工作/備用分支電壓、母線電壓、工作/備用分支電流等模擬量變化的全過程，為事故分析提供第一手資料;

j) 裝置提供工業(yè)以太網(wǎng)接口、RS485接口以及豐富的信號輸出接點，實現(xiàn)快速及可靠的遠(yuǎn)方操作，方便接入DCS系統(tǒng)和電氣監(jiān)控系統(tǒng);

2) 廠用電源切換功能介紹

在實施啟備變熱備用運行和冷備用運行時，廠用電快速切換裝置需要具備多種切換功能，如下圖所示。

圖1 廠用電快速切換裝置切換功能圖

1) 廠用電源切換功能介紹

a) 手動起動的正常切換

正常切換是雙向的，可以由工作分支切向備用分支，也可以由備用分支切向工作分支。正常切換有以下幾種方式：

1. 正常并聯(lián)切換

正常并聯(lián)切換可以保證工作母線的持續(xù)供電。并聯(lián)分為并聯(lián)半自動和并聯(lián)自動兩種。用戶可以在控制字中整定并聯(lián)切換的實現(xiàn)方式。

1) 熱備時：

n 并聯(lián)半自動：裝置自動合上備用(工作)分支，延時等待操作人員手動跳開工作(備用)分支。如果超時(并聯(lián)半自動跳閘延時)而未跳開，裝置啟動去耦合功能。

n 并聯(lián)自動：裝置自動合上備用(工作)分支，成功后經(jīng)可整定的延時后再跳開工作(備用)分支。如果超時(并聯(lián)自動跳閘延時)而未跳開，裝置啟動去耦合功能。

2) 冷備時：

n 并聯(lián)半自動：

Ø 工作至備用時，若高壓側(cè)開關(guān)不在合位，裝置自動合備用變高壓側(cè)開關(guān)，如果高壓側(cè)已在合位不發(fā)合令，在確認(rèn)高壓側(cè)開關(guān)合上以后，合備用變低壓側(cè)開關(guān)，在確認(rèn)低壓側(cè)開關(guān)合上以后，延時等待操作人員手動跳開工作分支。如果超時(并聯(lián)半自動跳閘延時)而未跳開，裝置啟動去耦合功能。

Ø 備用至工作時，裝置自動合上工作分支開關(guān)，延時等待操作人員手動跳開備用變低壓側(cè)開關(guān)。如果超時(并聯(lián)半自動跳閘延時)而未跳開低壓側(cè)開關(guān)，裝置啟動去耦合功能。

n 并聯(lián)自動：

Ø 工作至備用時，若高壓側(cè)開關(guān)不在合位，裝置自動合備用變高壓側(cè)開關(guān)，在確認(rèn)高壓側(cè)開關(guān)合上以后，延時10秒合備用變低壓側(cè)開關(guān)，合備用變低壓側(cè)開關(guān)，在確認(rèn)低壓側(cè)開關(guān)合上以后，經(jīng)可整定的延時后跳開工作分支。如果超時(并聯(lián)自動跳閘延時)未跳開，裝置啟動去耦合功能。若在合低壓側(cè)前，高壓側(cè)已在合位則不發(fā)合令，不經(jīng)延時直接合低壓側(cè)開關(guān)。

Ø 備用至工作時，裝置自動合上工作分支開關(guān)，工作開關(guān)合上后，經(jīng)可整定的延時后再跳開備用變低壓側(cè)開關(guān)。如果超時(并聯(lián)自動跳閘延時)未跳開，裝置啟動去耦合功能

2. 正常同時切換

正常同時切換可有三種切換條件，快速、同期、殘壓。

1) 熱備時：

手動起動，先發(fā)跳工作(備用)分支命令，經(jīng)過同時切換合閘延時定值后，在切換條件滿足時，發(fā)合備用(工作)分支命令。

2) 冷備時：

Ø 工作至備用時，手動起動，先發(fā)跳工作分支命令，若高壓側(cè)開關(guān)不在合位，裝置合備用變高壓側(cè)開關(guān)，經(jīng)延時△T和同時切換合閘延時定值的最大值后判斷切換條件，在切換條件滿足時，發(fā)合備用變低壓側(cè)開關(guān)命令?！鱐的目的是使低壓側(cè)不先于高壓側(cè)合閘。△T=高壓側(cè)開關(guān)合閘時間-低壓側(cè)合閘時間。如果發(fā)跳工作令時，高壓側(cè)已在合位，則直接在經(jīng)同時切換合閘延時后判切換條件合低壓側(cè)。

Ø 備用至工作時，手動起動，先發(fā)跳備用變低壓側(cè)開關(guān)命令，經(jīng)延時同時切換合閘延時定值后判斷切換條件，在切換條件滿足時，發(fā)合工作分支命令。

3. 正常串聯(lián)切換

1) 熱備時：

手動起動，先發(fā)跳工作(備用)分支命令，確認(rèn)工作(備用)分支跳開后，在切換條件滿足時，發(fā)合備用(工作)分支命令。

2) 冷備時：

Ø 工作至備用時，手動起動，先發(fā)跳工作分支命令，若高壓側(cè)開關(guān)不在合位，裝置合備用變高壓側(cè)開關(guān)，時間t開始計時，工作分支分開后，開始判斷t是否大于△T，如果t≥△T則開始判斷切換條件，在切換條件滿足時，發(fā)合備用變低壓側(cè)開關(guān)命令。延時△T的目的是使低壓側(cè)不先于高壓側(cè)合閘?！鱐=高壓側(cè)開關(guān)合閘時間-低壓側(cè)合閘時間。如果發(fā)跳工作令時，高壓側(cè)已在合位，則直接判切換條件合低壓側(cè)。

Ø 備用至工作時，手動起動，先發(fā)跳備用變低壓側(cè)開關(guān)命令，確認(rèn)備用變低壓側(cè)開關(guān)分開以后，判斷切換條件，在切換條件滿足時，發(fā)合工作分支命令。

b) 保護(hù)起動的事故切換方式

事故切換是單向的，只能由工作分支切向備用分支。事故切換有兩種方式：

1. 串聯(lián)切換

1) 熱備時：起動后，跳工作分支，確認(rèn)跳開后，經(jīng)快速切換、同期切換或殘壓切換后合上備用分支。

2) 冷備時：起動后，先發(fā)跳工作分支命令，若高壓側(cè)開關(guān)不在合位，裝置合備用變高壓側(cè)開關(guān)，時間t開始計時，工作分支分開后，開始判斷t是否大于△T，如果t≥△T則開始判斷切換條件，在切換條件滿足時，發(fā)合備用變低壓側(cè)開關(guān)命令。延時△T的目的是使低壓側(cè)不先于高壓側(cè)合閘?！鱐=高壓側(cè)開關(guān)合閘時間-低壓側(cè)合閘時間。如果發(fā)跳工作令時，高壓側(cè)已在合位，則直接判切換條件合低壓側(cè)。

2. 同時切換

1) 熱備時：起動后，跳工作分支，且經(jīng)可整定的延時后(不判斷工作分支是否已經(jīng)跳開)，經(jīng)快速切換、同期切換或殘壓切換后合上備用分支。

2) 冷備時：起動后，先發(fā)跳工作分支命令，若高壓側(cè)開關(guān)不在合位，裝置合備用變高壓側(cè)開關(guān)，經(jīng)延時△T和同時切換合閘延時定值的最大值后判斷切換條件，在切換條件滿足時，發(fā)合備用變低壓側(cè)開關(guān)命令。延時△T的目的是使低壓側(cè)不先于高壓側(cè)合閘?！鱐=高壓側(cè)開關(guān)合閘時間-低壓側(cè)合閘時間。如果發(fā)跳工作令時，高壓側(cè)已在合位，則直接在經(jīng)同時切換合閘延時后判切換條件合低壓側(cè)。

c) 低電壓或者工作開關(guān)偷跳起動的非正常切換方式

1. 低電壓起動

切換方式為串聯(lián)或同時，裝置經(jīng)快速切換、同期切換或殘壓切換后合上備用分支。熱備或冷備時的切換過程與保護(hù)切換相同。

2. 工作開關(guān)偷跳起動

切換方式為串聯(lián)。只能由工作切向備用。裝置經(jīng)快速切換、同期切換或殘壓切換后合上備用分支。

1) 熱備時：起動后，判斷切換條件，條件滿足時合備用變的開關(guān)。

2) 冷備時:起動后，首先合備用變的高壓側(cè)開關(guān)，在延時△T后，判斷切換條件，切換條件滿足時，合備用變的低壓側(cè)開關(guān)。起動后，如果高壓側(cè)在合位，則直接判切換條件合備用低壓側(cè)。