600MW火电机组厂用电互联改造方案研究

0引言

“双碳”目标背景下,随着光伏和风电机组容量占比日益增大,火电机组慢慢由主力电源成为调节性的保障电源,600 MW及以上大型火电厂单元制接线的机组单机运行也逐渐成为常态^[1]。机组停备期间,厂用电由电网通过启备变反向输电,由于正反向电价差的存在,电厂将产生大量外购电支出。通过厂用电源段互联改造,单元制接线的运行机组给停备机组提供厂用电,可以减少外购电,具有较好的经济性^[2-3]。因此,以某电厂为例,给出了600MW火电厂单元制接线机组6 kV厂用电系统采用电缆互联的改造实施方案、保护整定和运行方式,研究结果对大型火电厂单元制接线机组厂用电互联改造有一定的推广和借鉴意义。

1 厂用电互联改造方案

1.1 原接线方式

某电厂1、2号机组容量为600MW,发电机与双卷主变压器均按发电机—变压器组单元接线型式接入220 kV系统,发电机出口不设出口断路器,每台机组设两台40/25-25 MVA高厂用变,引接于发电机与主变低压侧之间。

1、2号机组共设两台40/25-25 MVA的启动/备用变,电源引接于本厂220 kV母线。在机组启动、停机期间,6 kV母线由启动/备用变供电,启动完毕通过主变高压侧断路器同期并网后,通过DCS手动启动厂用电快速切换装置,以并联切换方式将6 kV厂用母线切换至单元高压厂用变供电。1、2号机组每台机组厂用电系统有4段6 kV母线。

1.2改造方案

以两台机组高压厂用段互联,从安全性出发,此设计需考虑运行机组串带停运机组厂用电时的高厂变分支母线容量,以免发生过流^[4];同时,厂用电互联方式下,高厂变容量需满足供运行机组启动的负荷,以免造成供电电源分支过流或拉低6 kV母线电压,影响机组运行安全。方案即在1号机组6 kV1A、1B、1C、1D段每段增加一台联络开关及相应保护;在2号机组6 kV2A、2B、2C、2D段每段增加一台联络开关及相应保护;用电缆将6 kV1A段和2D段、1D段和2A段、1B段和2C段、1C段和2B段相连,以达到将1、2号机组6 KV厂用电互联的目的,如图1所示。同时各段增加厂用电切换装置,以实现正常运行方式改变、不断电安全切换厂用电电源的要求^[5]。

每段厂用段新增联络开关选用额定电流1 250 AVD4型真空断路器,额定容量13 MVA,两段6 KV母线间分别使用两根185mm2 的动力电缆互联,最大载流量为2 500 A,当单台机组停运,开关容量能满足要求。

2保护整定

新增联络开关保护型号为PCS-9624C,CT变比N为1 000/10根据停机负荷(停风组后)来看,各台机组的计算负荷均满足双机同时运行,高厂变容量满足一台运行机组带另一台机组停机的要求。停运时的机组厂用电负荷分配情况如表1所示,启动切换前的机组厂用电负荷分配情况如表2所示。

根据一台机组正常运行带另一台机组启动时(点火前)负荷表,经过调整负荷,1、2号机组在单机运行期间,高厂变容量能满足一台运行机组带另一台机组启动要求(点火前)。

为考虑尽快切除故障,增加过流一段,按低压短路时保护有大于2倍灵敏度原则整定;考虑速动性,考虑低压侧两相短路时有大于2倍灵敏系数整定^[6]。高厂变低压侧三相短路电流为21187 A,动作值为:

式中:I⁽²⁾_minn为本6 KV母线发生两相短路时产生的最小两相短路电流,两相短路电流是三相短路电流的√ 3/2倍,取0.866;klm取大于2倍灵敏系数,如取2.5;N为CT变比,即1 000。

过流二段保护动作电流按下列条件整定:根据上列停运、启动负荷比较,启动时所带负荷量更大,考虑按启动时负荷计算。1(2)A段启动时机组带负荷7 419 KVA,负荷电流约714 A;1 (2)D段启动时机组带负荷3819 KVA,负荷电流约325 A;1 (2)B段启动时机组带负荷6765 KVA,负荷电流约651 A;1 (2)C段启动时机组带负荷8 729 KVA,负荷电流约840 A。

按躲过启动(点火前)机组母线所接电动机最大启动电流之和整定^[7]:

I_dz=K_k×K_zq×I_e    (2)

式中:I_e为分支线上的额定电流;K_k为可靠系数,取1.1;K_zq为需要自启动的全部电动机在自启动时所引起的过电流倍数,一般可近似由以下公式求出:

式中:U_d%为归算到分支额定容量的变压器的半穿越阻抗百分值;W_e为变压器低压绕组的额定容量;K_qd为电动机启动时的电流倍数,取K_qd的平均值为5;W_dΣ为需要自启动的全部电动机的总容量。

躲过2号机组启动(点火前),1号机组母线所接电动机最大启动电流之和整定计算结果如表3所示;躲过1号机组启动(点火前),2号机组母线所接电动 机最大启动电流之和整定计算结果如表4所示。

考虑按互联后最大负荷电流整定计算,过流定值为:

I_dz=K_k•I_fh=1.1I_fh    (4)

式中:I_fh为最大负荷电流。

互联后最大负荷电流整定计算结果如表5所示。综合上述分析,考虑1A段与2D段、1D段与2A段、1B段与2C段、1C段与2B段互为互联开关,电流定值统一取两者最大值整定,即1A段与2D段取值4.0 A,2A段与1D段取值4.0 A,1B段与2C段取值4.5 A,1C段与2B段取值4.5 A。

过流时间考虑与高厂变进线保护过流时间配合,级差0.2 s,过流二段时间为0.6 s。

综合以上结果,互联开关保护过流二段定值设为:1A互联开关过流4.0 A,0.6 s;2A互联开关过流4.0 A,0.6 s;1B互联开关过流4.5 A,0.6 s;2B互联开关过流4.5 A,0.6 s;1C互联开关过流4.5 A,0.6s;2C互联开关过流4.5 A,0.6 s;1D互联开关过流4.0 A,0.6s;2D互联开关过流4.0 A,0.6 s。

灵敏度校验:

K_lm=I⁽²⁾_min/I_dz>2     (5)

过负荷告警:考虑防止互联切换时分支过载,考虑与高厂变的过负荷配合,可靠系数调整为1.0,按方案的负荷分配表计算,过载后延时1.5 s告警。互联后过负荷保护电流整定计算结果如表6所示。

综合表6结果,考虑1A与2D、1D与2A、1B与2C、1C与2B互为互联开关,电流定值统一取两者中较大值整定,互联开关过负荷保护定值设为:1A互联开关过负荷2.2 A,1.5s;2A互联开关过负荷2.2 A,1.5s;1B互联开关过负荷2.4 A,1.5 s;2B互联开关过负荷2.4 A,1.5 s;1C互联开关过负荷2.4 A,1.5s;2C互联开关过负荷2.4 A,1.5s;1D互联开关过负荷2.2 A,1.5 s;2D互联开关过负荷2.2 A,1.5 s。

零序过流时间:与高厂变配合,时间取0.5s。零序中性点CT变比50/1。#1启备变和#1、#2高厂变6 kV侧中性点接地电阻均为23 Ω,此电阻远大于启备变和高厂变的零序阻抗。6 kV系统的单相接地电流约为158 A。

考虑灵敏度为3~4,且与下级间隔零序保护和高厂变低压侧零序保护有级差配合,动作电流一次值取40 A,时间:与下级变压器及电动机配合,T=ΔT+T,跳开关。二次动作值为I0=0.8 A,动作时间0.5 s。

3 改造后厂用电运行及互联方式

1、2号机组双机运行时工作电源由高厂变带各自机组的4段6 kV厂用电正常运行,备用电源段进线带电运行,各段备用进线开关在热备用状态。

为防止厂用电互联的两台机组同时运行,误将互联的两段6 kV厂用电段合环,在停运机组由运行机组互联串带恢复至本机组电源带时,只断开停运机组侧的互联电源开关,并将其摇至试验位置。为防止两段间的互联电缆长期不带电导致电缆绝缘下降,及避免摇绝缘带来的烦琐程序,争取实现停机时的快速互联,保持另一侧的互联电源开关长期处于合闸状态带电缆空载运行。互联快切屏的保护压板在不进行串带操作时保持在退出状态,只有实际需要串带停运机组操作时将停运机组侧的互联开关送至工作位置,然后投上互联快切屏的压板进行互联电源切换。

在转高厂变供电或转互联电源供电的过程中,需要启备变进行过渡。单机运行期间若运行机组突然停运,备用电源仍可由快切装置自动切换到备用电源,保证运行机组安全停运。

为增强单元机组厂用电源的安全性,避免保护配置的困难,不考虑一台机组的6 kV厂用电作为另一台机组的启动运行方式;禁止将6 kV段的两电源长期并列运行。厂用电互联快切示意图如图2所示。

每段6 kV母线增加一台互联快切装置,用于互联电源联络开关和备用电源进线开关之间的快速无扰智慧切换。以1号机组6 kV1A段和2号机组6 kV 2D段为例,2号高厂变运行,原快切装置1和2在工作状态,互联快切装置3和4在闭锁状态,1号机组停机时先通过快切装置1将厂用电切换为启备变供电(图2),然后退出原快切装置1,投入互联快切装置3,将厂用电切换为6 kV 2D段供电。

4 安全经济性分析

4.1 安全可靠性方面

厂用电实现智慧互联,进一步加强了可靠性。当单台机组停运时,启备变故障,同时柴油机故障,此时厂用电备用电源全失,会严重危害停运机组设备安全。增加联络开关后,危机情况下,可以使用运行机组提供停运机组厂用电,这样可以有效避免因厂用电消失而造成设备损坏的重大事故。

4.2 经济性方面

本工程改造可以大幅度降低1、2号机组在机组启动、停机、检修及备用状态下反向(电网输出)电量的 用量,根据目前电力市场的发展趋势,市场竞争激励下,机组年利用小时下降(大约为4 000h),机组停备时间增多,加上机组A、C级定期检修,并结合机组近三年 统计数据预测,1、2号机组每年外购电约1800万kw•h,扣除启、停机用电量,每年约减少外购电1000万kw•h,节约费用100万元左右。

5结论

1)改造后使用快切装置实现厂用电正常电源至互联电源的无扰快速切换,保证厂用电在正常及事故工况下可靠智慧运行。

2)改造工程不仅可以作为停运机组厂用电第三路电源,保障停运机组厂用电的可靠性,且投入少、收益大,达到了节能降耗、创效增收的目的。

3)该设计方案使厂用电运行方式更加灵活,不论是从安全稳定性还是节能降耗上来讲,效果都十分明显,为后续600 MW火电机组厂用电的设计提供了十分有益的借鉴。

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2024年第21期第15篇