電廠(chǎng)啟備變環(huán)保節能技術(shù)改造方案

一、 啟備變環(huán)保節能的意義和經(jīng)濟效益

1) 啟備變節能運行的意義

隨著(zhù)我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，能源需求與能源消耗日益增加，作為能源動(dòng)力的發(fā)電廠(chǎng)進(jìn)行節能減排，其意義十分重大。建設節約環(huán)保型示范電廠(chǎng)，已經(jīng)成為各大發(fā)電集團落實(shí)國家建設資源節約型、環(huán)境友好型社會(huì )的具體體現，是建設具有國際競爭力大企業(yè)集團的戰略舉措。

隨著(zhù)發(fā)電公司與電網(wǎng)公司的分離，以及電力市場(chǎng)改革的不斷推進(jìn)，各發(fā)電公司發(fā)電廠(chǎng)開(kāi)始自負盈虧。對于火電發(fā)電企業(yè)運行經(jīng)濟性，通過(guò)兩大經(jīng)濟指標來(lái)反應：發(fā)電標準煤耗和廠(chǎng)用電率。在完成發(fā)電任務(wù)的同時(shí)，盡可能降低發(fā)電標準煤耗、降低廠(chǎng)用電率，就可以提高發(fā)電廠(chǎng)的生產(chǎn)效率，實(shí)現企業(yè)效益最大化的目標。

眾所周知，發(fā)電廠(chǎng)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)合電力有限責任公司統計了下屬發(fā)電廠(chǎng)的啟備變運行為例，啟備變容量為30MW~70MW不等，若這些啟備變全部改用冷備用，每年可節約空載損耗的電費約為2600萬(wàn)元。

國內相關(guān)統計表明，300MW-600MW機組設計廠(chǎng)用電率約為6～8%，200MW及以下機組一般在7～8%，老舊機組廠(chǎng)用電率一般高于8～9%。2005年末我國裝機容量已達到5億kW，其中水電機組1億kW，火電機組4億kW，火電機組中300MW以上機組占42%，300MW以下機組為58%，平均廠(chǎng)用電率為7.7%。若按照“十一五”規劃《綱要(草案)》要求能源消耗降低20%(7.7%×20%=1.54%)，則相當于新增6200MW裝機容量，節約標準煤1300萬(wàn)噸，節約240億元投資，相應地降低了土地占用及相應的煤、電消耗，也相應地降低水資源和相應的材料、機電設備等。

發(fā)電廠(chǎng)啟備變一直采用熱備用的運行狀態(tài)，一是存在空載損耗，二是對于多數發(fā)電廠(chǎng)來(lái)說(shuō)，啟備變使用的是電網(wǎng)購買(mǎi)的工業(yè)電，電價(jià)高于廠(chǎng)內自用電，存在明顯的電價(jià)差，若改為冷備用，經(jīng)濟效益明顯。

過(guò)去有一種認識，認為啟備變涉及廠(chǎng)用電安全運行，必須采用熱備運行才能有較高的可靠性;認為空載損耗較小，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(zhù)技術(shù)的不斷進(jìn)步，自動(dòng)化設備產(chǎn)品的可靠性越來(lái)越高，啟備變由熱備用改為冷備用成為了可能。

為此，現在我們有必要按照電廠(chǎng)的實(shí)際運行情況，通過(guò)分析計算和相關(guān)的RTDS實(shí)驗的研究的驗證，進(jìn)行發(fā)電廠(chǎng)啟備變熱備用改冷備用的工程實(shí)施，建設節約環(huán)保型電廠(chǎng)。

2) 啟備變冷備用的經(jīng)濟效益分析

發(fā)電廠(chǎng)啟備變一直采用熱備用的運行狀態(tài)，存在空載損耗(實(shí)測損耗遠大于變壓器銘牌空載損耗)，據前期工程實(shí)施中，以北方聯(lián)合電力有限責任公司下屬發(fā)電廠(chǎng)24臺啟備變?yōu)檠芯繉ο?，若全部改用冷備用，每年可節約空載損耗的電費約為2600萬(wàn)元;另外多數發(fā)電廠(chǎng)啟備變使用的是電網(wǎng)購買(mǎi)的工業(yè)電，電價(jià)高于廠(chǎng)內自用電;因此冷備技術(shù)對于節能減排、降低廠(chǎng)用電率意義重大，符合時(shí)代潮流。

啟備變的空載電流實(shí)測及空載損耗估算。以我公司實(shí)施工程中的某電廠(chǎng)為例，在電廠(chǎng)#1啟備變冷備用投運前，實(shí)測了熱備用情況下的空載電流。實(shí)測高壓側二次電流為3mA，CT變比為600A/5A(由于高壓側電壓太高，又在運行中難于將變壓器的套管CT更換為計量專(zhuān)用CT，由于套管CT變比是基于負荷電流、短路電流設計的，用于保護，而非計量專(zhuān)用，故在空載時(shí)的計量精度很低，本次實(shí)測，只是在CT二次串了一塊高精度電流表FLUKE187)，折算高壓側一次電流為0.36A，實(shí)測高壓側電壓為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可計算出空載運行時(shí)的功率因數cosφ = P0/(0.1%Sn) = 32.7kW/(0.1%*40MVA) = 0.8175 )

實(shí)際上，由于CT精度太低，實(shí)際損耗要比本次實(shí)測數還要大。根據型式試驗、及多年電科院的實(shí)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(chǎng)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，每年可節約電量約55MW×0.5%×24h×300天(冷備)/年 = 198萬(wàn)kWh/年。假設按工業(yè)電價(jià)0.6055元/kWh計算，一年可節約費用198萬(wàn)kWh*0.6055元/kWh = 120萬(wàn)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，應做如下規定：

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

b) 按運行規程要求，定期做變壓器油微水及色譜分析。

二、 啟備變環(huán)保節能技術(shù)改造方案

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

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

本項目的總體方案是：

a) 通過(guò)動(dòng)模試驗研究(包括物理動(dòng)模和RTDS數字動(dòng)模)，獲得充分而可信的試驗數據，作為現場(chǎng)進(jìn)行工程改造的重要依據;

b) 采用快切裝置和變壓器保護裝置(差動(dòng)保護包含勵磁涌流閉鎖功能)的配合實(shí)現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、低壓側合閘時(shí)序進(jìn)行切，使切換裝置支持熱備與冷備兩種模式，使用時(shí)兩種模式可選其中一種。

1) 啟備變熱備改冷備RTDS數字仿真試驗

為保證快切冷備技術(shù)對貴電廠(chǎng)廠(chǎng)用電系統的適用性，需要對廠(chǎng)用電系統進(jìn)行建模，進(jìn)行RTDS試驗驗證(相關(guān)實(shí)驗內容請參看海勃灣電廠(chǎng)的動(dòng)模試驗報告)，通過(guò)RTDS數字仿真的方法，定量的分析啟備變冷備用的運行工況，并通過(guò)現場(chǎng)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(shí)施。

啟備變由熱備用改為冷備用后，啟備變的高、低壓側斷路器合閘方式發(fā)生了變化。由原來(lái)只需合低壓側斷路器變?yōu)楦?、低壓側斷路器都需要進(jìn)行合閘。在熱備用狀態(tài)下，起備變在穩態(tài)下運行，快切動(dòng)作只需合其低壓側斷路器。起備變改為冷備用后，快切動(dòng)作時(shí)需要合其高、低壓側斷路器。在起備變剛合上高壓側時(shí)，隨之產(chǎn)生激磁涌流等一列問(wèn)題。因激磁涌流最大幅值一般可以達到額定電流的6～8倍，且含有大量的高次諧波，故需要從下面幾個(gè)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裝置的影響;

2) 啟備變帶不同負載情況下，勵磁涌流對繼電保護裝置的影響;

3) 研究在不同負載下母線(xiàn)電壓維持時(shí)間。

4) 測試廠(chǎng)用電快切裝置在各種方式下的切換功能。

5) 啟備變高、低壓側斷路器合閘次序，對快切和啟備變差動(dòng)保護的影響;包括同時(shí)合閘，高、低壓側不同合閘時(shí)間。

2) 啟備變熱備改冷備保護現場(chǎng)改造配置方案

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

廠(chǎng)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：

額定交流電流值：1A或5A;

直流電壓：220V或110V，用于開(kāi)入信號采集;

對時(shí)方式：GPS 脈沖對時(shí)或485 接口-B碼對時(shí);

一、 現場(chǎng)工程實(shí)施

1) 每臺廠(chǎng)用電智能快切裝置裝置需要連接的電纜

a)交流量

母線(xiàn)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(kāi)出量

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

低壓減載Ⅰ段出口、低壓減載Ⅱ段出口、啟動(dòng)后加速出口;

裝置動(dòng)作、告警信號;

c) 開(kāi)入量

工作分支開(kāi)關(guān)位置、備用分支高壓側開(kāi)關(guān)位置、備用分支低壓側開(kāi)關(guān)位置、保護起動(dòng)切換;

閉鎖遠方操作、檢修狀態(tài)壓板、信號復歸、母線(xiàn)PT開(kāi)關(guān)位置、手動(dòng)啟動(dòng)切換、冷備用方式、保護閉鎖切換、總閉鎖;

d)其它

裝置電源、通訊線(xiàn)等;

2) 廠(chǎng)用電智能快切裝置通訊組網(wǎng)

CSC-821廠(chǎng)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(xiàn)接口，支持Modbus RTU 規約;

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

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

二、 CSC821廠(chǎng)用電智能快切裝置介紹

1) 裝置特點(diǎn)：

a) 采用通用的網(wǎng)絡(luò )化硬件平臺，裝置資源可靈活擴展，軟件基于IEC61131-3標準，組態(tài)靈活方便，可滿(mǎn)足不同用戶(hù)的需求;

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

c) 獨特的頻率和相角差測量方法，具有響應速度快、抗干擾能力強、精度高的特點(diǎn)，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(shí)間算法計算導前角，確保同期切換時(shí)母線(xiàn)電壓與備用電源電壓第一次滿(mǎn)足相角條件時(shí)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，可根據用戶(hù)需求自定義不同的切換方式;

g) 功能設置齊備、裝置提供兩段式低壓減載功能，保證在母線(xiàn)電壓低時(shí)，跳開(kāi)不重要的負荷;

h) 完善的自檢功能，對于所有的輸入輸出通道均實(shí)時(shí)自診斷;

i) 大容量的錄波功能，真實(shí)記錄各種切換方式下，工作/備用分支電壓、母線(xiàn)電壓、工作/備用分支電流等模擬量變化的全過(guò)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(diǎn)，實(shí)現快速及可靠的遠方操作，方便接入DCS系統和電氣監控系統;

2) 廠(chǎng)用電源切換功能介紹

在實(shí)施啟備變熱備用運行和冷備用運行時(shí)，廠(chǎng)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(chǎng)用電快速切換裝置切換功能圖

1) 廠(chǎng)用電源切換功能介紹

a) 手動(dòng)起動(dòng)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(xiàn)的持續供電。并聯(lián)分為并聯(lián)半自動(dòng)和并聯(lián)自動(dòng)兩種。用戶(hù)可以在控制字中整定并聯(lián)切換的實(shí)現方式。

1) 熱備時(shí)：

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

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

2) 冷備時(shí)：

n 并聯(lián)半自動(dòng)：

Ø 工作至備用時(shí)，若高壓側開(kāi)關(guān)不在合位，裝置自動(dòng)合備用變高壓側開(kāi)關(guān)，如果高壓側已在合位不發(fā)合令，在確認高壓側開(kāi)關(guān)合上以后，合備用變低壓側開(kāi)關(guān)，在確認低壓側開(kāi)關(guān)合上以后，延時(shí)等待操作人員手動(dòng)跳開(kāi)工作分支。如果超時(shí)(并聯(lián)半自動(dòng)跳閘延時(shí))而未跳開(kāi)，裝置啟動(dòng)去耦合功能。

Ø 備用至工作時(shí)，裝置自動(dòng)合上工作分支開(kāi)關(guān)，延時(shí)等待操作人員手動(dòng)跳開(kāi)備用變低壓側開(kāi)關(guān)。如果超時(shí)(并聯(lián)半自動(dòng)跳閘延時(shí))而未跳開(kāi)低壓側開(kāi)關(guān)，裝置啟動(dòng)去耦合功能。

n 并聯(lián)自動(dòng)：

Ø 工作至備用時(shí)，若高壓側開(kāi)關(guān)不在合位，裝置自動(dòng)合備用變高壓側開(kāi)關(guān)，在確認高壓側開(kāi)關(guān)合上以后，延時(shí)10秒合備用變低壓側開(kāi)關(guān)，合備用變低壓側開(kāi)關(guān)，在確認低壓側開(kāi)關(guān)合上以后，經(jīng)可整定的延時(shí)后跳開(kāi)工作分支。如果超時(shí)(并聯(lián)自動(dòng)跳閘延時(shí))未跳開(kāi)，裝置啟動(dòng)去耦合功能。若在合低壓側前，高壓側已在合位則不發(fā)合令，不經(jīng)延時(shí)直接合低壓側開(kāi)關(guān)。

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

2. 正常同時(shí)切換

正常同時(shí)切換可有三種切換條件，快速、同期、殘壓。

1) 熱備時(shí)：

手動(dòng)起動(dòng)，先發(fā)跳工作(備用)分支命令，經(jīng)過(guò)同時(shí)切換合閘延時(shí)定值后，在切換條件滿(mǎn)足時(shí)，發(fā)合備用(工作)分支命令。

2) 冷備時(shí)：

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

Ø 備用至工作時(shí)，手動(dòng)起動(dòng)，先發(fā)跳備用變低壓側開(kāi)關(guān)命令，經(jīng)延時(shí)同時(shí)切換合閘延時(shí)定值后判斷切換條件，在切換條件滿(mǎn)足時(shí)，發(fā)合工作分支命令。

3. 正常串聯(lián)切換

1) 熱備時(shí)：

手動(dòng)起動(dòng)，先發(fā)跳工作(備用)分支命令，確認工作(備用)分支跳開(kāi)后，在切換條件滿(mǎn)足時(shí)，發(fā)合備用(工作)分支命令。

2) 冷備時(shí)：

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

Ø 備用至工作時(shí)，手動(dòng)起動(dòng)，先發(fā)跳備用變低壓側開(kāi)關(guān)命令，確認備用變低壓側開(kāi)關(guān)分開(kāi)以后，判斷切換條件，在切換條件滿(mǎn)足時(shí)，發(fā)合工作分支命令。

b) 保護起動(dòng)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(shí)：起動(dòng)后，跳工作分支，確認跳開(kāi)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(shí)：起動(dòng)后，先發(fā)跳工作分支命令，若高壓側開(kāi)關(guān)不在合位，裝置合備用變高壓側開(kāi)關(guān)，時(shí)間t開(kāi)始計時(shí)，工作分支分開(kāi)后，開(kāi)始判斷t是否大于△T，如果t≥△T則開(kāi)始判斷切換條件，在切換條件滿(mǎn)足時(shí)，發(fā)合備用變低壓側開(kāi)關(guān)命令。延時(shí)△T的目的是使低壓側不先于高壓側合閘?！鱐=高壓側開(kāi)關(guān)合閘時(shí)間-低壓側合閘時(shí)間。如果發(fā)跳工作令時(shí)，高壓側已在合位，則直接判切換條件合低壓側。

2. 同時(shí)切換

1) 熱備時(shí)：起動(dòng)后，跳工作分支，且經(jīng)可整定的延時(shí)后(不判斷工作分支是否已經(jīng)跳開(kāi))，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(shí)：起動(dòng)后，先發(fā)跳工作分支命令，若高壓側開(kāi)關(guān)不在合位，裝置合備用變高壓側開(kāi)關(guān)，經(jīng)延時(shí)△T和同時(shí)切換合閘延時(shí)定值的最大值后判斷切換條件，在切換條件滿(mǎn)足時(shí)，發(fā)合備用變低壓側開(kāi)關(guān)命令。延時(shí)△T的目的是使低壓側不先于高壓側合閘?！鱐=高壓側開(kāi)關(guān)合閘時(shí)間-低壓側合閘時(shí)間。如果發(fā)跳工作令時(shí)，高壓側已在合位，則直接在經(jīng)同時(shí)切換合閘延時(shí)后判切換條件合低壓側。

c) 低電壓或者工作開(kāi)關(guān)偷跳起動(dòng)的非正常切換方式

1. 低電壓起動(dòng)

切換方式為串聯(lián)或同時(shí)，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(shí)的切換過(guò)程與保護切換相同。

2. 工作開(kāi)關(guān)偷跳起動(dòng)

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(shí)：起動(dòng)后，判斷切換條件，條件滿(mǎn)足時(shí)合備用變的開(kāi)關(guān)。

2) 冷備時(shí):起動(dòng)后，首先合備用變的高壓側開(kāi)關(guān)，在延時(shí)△T后，判斷切換條件，切換條件滿(mǎn)足時(shí)，合備用變的低壓側開(kāi)關(guān)。起動(dòng)后，如果高壓側在合位，則直接判切換條件合備用低壓側。