电厂启备变环保节能技术改造方案

一、 启备变环保节能的意义和经济效益

1) 启备变节能运行的意义

随着我国国民经济的快速发展，能源需求与能源消耗日益增加，作为能源动力的发电厂进行节能减排，其意义十分重大。建设节约环保型示范电厂，已经成为各大发电集团落实国家建设资源节约型、环境友好型社会的具体体现，是建设具有国际竞争力大企业集团的战略举措。

随着发电公司与电网公司的分离，以及电力市场改革的不断推进，各发电公司发电厂开始自负盈亏。对于火电发电企业运行经济性，通过两大经济指标来反应：发电标准煤耗和厂用电率。在完成发电任务的同时，尽可能降低发电标准煤耗、降低厂用电率，就可以提高发电厂的生产效率，实现企业效益最大化的目标。

众所周知，发电厂启备变一直采用热备用的运行状态，存在空载损耗。以北方联合电力有限责任公司统计了下属发电厂的启备变运行为例，启备变容量为30MW~70MW不等，若这些启备变全部改用冷备用，每年可节约空载损耗的电费约为2600万元。

国内相关统计表明，300MW-600MW机组设计厂用电率约为6～8%，200MW及以下机组一般在7～8%，老旧机组厂用电率一般高于8～9%。2005年末我国装机容量已达到5亿kW，其中水电机组1亿kW，火电机组4亿kW，火电机组中300MW以上机组占42%，300MW以下机组为58%，平均厂用电率为7.7%。若按照“十一五”规划《纲要(草案)》要求能源消耗降低20%(7.7%×20%=1.54%)，则相当于新增6200MW装机容量，节约标准煤1300万吨，节约240亿元投资，相应地降低了土地占用及相应的煤、电消耗，也相应地降低水资源和相应的材料、机电设备等。

发电厂启备变一直采用热备用的运行状态，一是存在空载损耗，二是对于多数发电厂来说，启备变使用的是电网购买的工业电，电价高于厂内自用电，存在明显的电价差，若改为冷备用，经济效益明显。

过去有一种认识，认为启备变涉及厂用电安全运行，必须采用热备运行才能有较高的可靠性;认为空载损耗较小，可忽略不计;启备变改为冷备用，虽然降低了损耗，但增加了运行风险。然而随着技术的不断进步，自动化设备产品的可靠性越来越高，启备变由热备用改为冷备用成为了可能。

为此，现在我们有必要按照电厂的实际运行情况，通过分析计算和相关的RTDS实验的研究的验证，进行发电厂启备变热备用改冷备用的工程实施，建设节约环保型电厂。

2) 启备变冷备用的经济效益分析

发电厂启备变一直采用热备用的运行状态，存在空载损耗(实测损耗远大于变压器铭牌空载损耗)，据前期工程实施中，以北方联合电力有限责任公司下属发电厂24台启备变为研究对象，若全部改用冷备用，每年可节约空载损耗的电费约为2600万元;另外多数发电厂启备变使用的是电网购买的工业电，电价高于厂内自用电;因此冷备技术对于节能减排、降低厂用电率意义重大，符合时代潮流。

启备变的空载电流实测及空载损耗估算。以我公司实施工程中的某电厂为例，在电厂#1启备变冷备用投运前，实测了热备用情况下的空载电流。实测高压侧二次电流为3mA，CT变比为600A/5A(由于高压侧电压太高，又在运行中难于将变压器的套管CT更换为计量专用CT，由于套管CT变比是基于负荷电流、短路电流设计的，用于保护，而非计量专用，故在空载时的计量精度很低，本次实测，只是在CT二次串了一块高精度电流表FLUKE187)，折算高压侧一次电流为0.36A，实测高压侧电压为232kV，因此，功率：P1 =1.732×232×0.36 × cosφ = 144.7kW×0.8175 = 118.29kW。( 注：由启备变的铭牌参数可计算出空载运行时的功率因数cosφ = P0/(0.1%Sn) = 32.7kW/(0.1%*40MVA) = 0.8175 )

实际上，由于CT精度太低，实际损耗要比本次实测数还要大。根据型式试验、及多年电科院的实测，一般空载损耗为变压器额定容量的0.3~1.0%，若按0.5%考虑，40000kVA的变压器损耗最少为200kW。

以某电厂的启备变(55MW)为例，如果启备变改为冷备用，按启备变空载损耗占额定容量的0.5%估算，每年可节约电量约55MW×0.5%×24h×300天(冷备)/年 = 198万kWh/年。假设按工业电价0.6055元/kWh计算，一年可节约费用198万kWh*0.6055元/kWh = 120万元。

3) 采用冷备方式后日常运行管理的变化

启备变改为冷备用运行方式后，在运行管理上，应做如下规定：

a) 定期启动潜油泵，防止变压器油中微水结冰，避免变压器出现事故。建议冬季定期启动周期缩短。春夏秋季可每月一次;冬季可每半个月一次。

b) 按运行规程要求，定期做变压器油微水及色谱分析。

二、 启备变环保节能技术改造方案

启备变冷备用的实施离不开厂用电快切装置和变压器保护装置的相互配合，其中还涉及到启备变高低压侧断路器合闸方式，以及合闸过程的励磁涌流等一系列问题。如果厂用电快切装置和变压器保护装置配合不好，有可能在关键时刻出现不能正确地实现电压切换的问题，由此引发的厂用电母线失压将带来非常严重的后果。因此，启备变冷备用在应用之前一定要有充分的成功和可靠的试验结果作为依据。

通过动模试验研究(包括物理动模和RTDS数字动模)，模拟启备变在各种工况下(包括事故状态)的切换试验，确认启备变冷备用运行的可行性。

本项目的总体方案是：

a) 通过动模试验研究(包括物理动模和RTDS数字动模)，获得充分而可信的试验数据，作为现场进行工程改造的重要依据;

b) 采用快切装置和变压器保护装置(差动保护包含励磁涌流闭锁功能)的配合实现启备变冷备运行切换。

智能切换装置，采用合理可靠的高压侧、低压侧合闸时序进行切，使切换装置支持热备与冷备两种模式，使用时两种模式可选其中一种。

1) 启备变热备改冷备RTDS数字仿真试验

为保证快切冷备技术对贵电厂厂用电系统的适用性，需要对厂用电系统进行建模，进行RTDS试验验证(相关实验内容请参看海勃湾电厂的动模试验报告)，通过RTDS数字仿真的方法，定量的分析启备变冷备用的运行工况，并通过现场试验，验证了启备变冷备用的可行性与可靠性，保证启备变冷备用项目的顺利实施。

启备变由热备用改为冷备用后，启备变的高、低压侧断路器合闸方式发生了变化。由原来只需合低压侧断路器变为高、低压侧断路器都需要进行合闸。在热备用状态下，起备变在稳态下运行，快切动作只需合其低压侧断路器。起备变改为冷备用后，快切动作时需要合其高、低压侧断路器。在起备变刚合上高压侧时，随之产生激磁涌流等一列问题。因激磁涌流最大幅值一般可以达到额定电流的6～8倍，且含有大量的高次谐波，故需要从下面几个方面研究起备变由热备用改冷备用的可行性。

1) 启备变空投情况下，励磁涌流对继电保护装置的影响;

2) 启备变带不同负载情况下，励磁涌流对继电保护装置的影响;

3) 研究在不同负载下母线电压维持时间。

4) 测试厂用电快切装置在各种方式下的切换功能。

5) 启备变高、低压侧断路器合闸次序，对快切和启备变差动保护的影响;包括同时合闸，高、低压侧不同合闸时间。

2) 启备变热备改冷备保护现场改造配置方案

6kV厂用电每段母线配置1台厂用电智能快切装置，对应1台发电机组屏一面，安装于其控制室。

厂用电智能快切装置配置组屏方案如下：

订购快切装置还需提供的参数：

额定交流电流值：1A或5A;

直流电压：220V或110V，用于开入信号采集;

对时方式：GPS 脉冲对时或485 接口-B码对时;

一、 现场工程实施

1) 每台厂用电智能快切装置装置需要连接的电缆

a)交流量

母线三相电压、工作分支电压、备用分支电压1、备用分支电压2、工作分支电流、备用分支电流

b)开出量

跳工作分支开关、合工作分支开关、跳备用分支高压侧开关、合备用分支高压侧开关、跳备用分支低压侧开关、合备用分支低压侧开关;

低压减载Ⅰ段出口、低压减载Ⅱ段出口、启动后加速出口;

装置动作、告警信号;

c) 开入量

工作分支开关位置、备用分支高压侧开关位置、备用分支低压侧开关位置、保护起动切换;

闭锁远方操作、检修状态压板、信号复归、母线PT开关位置、手动启动切换、冷备用方式、保护闭锁切换、总闭锁;

d)其它

装置电源、通讯线等;

2) 厂用电智能快切装置通讯组网

CSC-821厂用电智能快切装置提供的通讯方式：

a) 电 RS485 端口：屏蔽双绞线接口，支持Modbus RTU 规约;

b) 电以太网端口：RJ45接口，支持IEC60870-5-103 规约

可以通过通讯方式将CSC-821厂用电智能快切装置连接至ECS系统，上传信息。

二、 CSC821厂用电智能快切装置介绍

1) 装置特点：

a) 采用通用的网络化硬件平台，装置资源可灵活扩展，软件基于IEC61131-3标准，组态灵活方便，可满足不同用户的需求;

b) 核心CPU采用Freescale公司集成通讯处理器的PowerPC嵌入式双内核处理器、基于实时嵌入式操作系统，具有低功耗、寿命长、可靠性高，适合严酷工作环境等优点;

c) 独特的频率和相角差测量方法，具有响应速度快、抗干扰能力强、精度高的特点，保证快速切换的成功率;

d) 采用改进的高精度恒定越前时间算法计算导前角，确保同期切换时母线电压与备用电源电压第一次满足相角条件时合上备用电源;

e) 支持备用分支变压器冷备用;

f) 灵活的切换方式组合，可根据用户需求自定义不同的切换方式;

g) 功能设置齐备、装置提供两段式低压减载功能，保证在母线电压低时，跳开不重要的负荷;

h) 完善的自检功能，对于所有的输入输出通道均实时自诊断;

i) 大容量的录波功能，真实记录各种切换方式下，工作/备用分支电压、母线电压、工作/备用分支电流等模拟量变化的全过程，为事故分析提供第一手资料;

j) 装置提供工业以太网接口、RS485接口以及丰富的信号输出接点，实现快速及可靠的远方操作，方便接入DCS系统和电气监控系统;

2) 厂用电源切换功能介绍

在实施启备变热备用运行和冷备用运行时，厂用电快速切换装置需要具备多种切换功能，如下图所示。

图1 厂用电快速切换装置切换功能图

1) 厂用电源切换功能介绍

a) 手动起动的正常切换

正常切换是双向的，可以由工作分支切向备用分支，也可以由备用分支切向工作分支。正常切换有以下几种方式：

1. 正常并联切换

正常并联切换可以保证工作母线的持续供电。并联分为并联半自动和并联自动两种。用户可以在控制字中整定并联切换的实现方式。

1) 热备时：

n 并联半自动：装置自动合上备用(工作)分支，延时等待操作人员手动跳开工作(备用)分支。如果超时(并联半自动跳闸延时)而未跳开，装置启动去耦合功能。

n 并联自动：装置自动合上备用(工作)分支，成功后经可整定的延时后再跳开工作(备用)分支。如果超时(并联自动跳闸延时)而未跳开，装置启动去耦合功能。

2) 冷备时：

n 并联半自动：

Ø 工作至备用时，若高压侧开关不在合位，装置自动合备用变高压侧开关，如果高压侧已在合位不发合令，在确认高压侧开关合上以后，合备用变低压侧开关，在确认低压侧开关合上以后，延时等待操作人员手动跳开工作分支。如果超时(并联半自动跳闸延时)而未跳开，装置启动去耦合功能。

Ø 备用至工作时，装置自动合上工作分支开关，延时等待操作人员手动跳开备用变低压侧开关。如果超时(并联半自动跳闸延时)而未跳开低压侧开关，装置启动去耦合功能。

n 并联自动：

Ø 工作至备用时，若高压侧开关不在合位，装置自动合备用变高压侧开关，在确认高压侧开关合上以后，延时10秒合备用变低压侧开关，合备用变低压侧开关，在确认低压侧开关合上以后，经可整定的延时后跳开工作分支。如果超时(并联自动跳闸延时)未跳开，装置启动去耦合功能。若在合低压侧前，高压侧已在合位则不发合令，不经延时直接合低压侧开关。

Ø 备用至工作时，装置自动合上工作分支开关，工作开关合上后，经可整定的延时后再跳开备用变低压侧开关。如果超时(并联自动跳闸延时)未跳开，装置启动去耦合功能

2. 正常同时切换

正常同时切换可有三种切换条件，快速、同期、残压。

1) 热备时：

手动起动，先发跳工作(备用)分支命令，经过同时切换合闸延时定值后，在切换条件满足时，发合备用(工作)分支命令。

2) 冷备时：

Ø 工作至备用时，手动起动，先发跳工作分支命令，若高压侧开关不在合位，装置合备用变高压侧开关，经延时△T和同时切换合闸延时定值的最大值后判断切换条件，在切换条件满足时，发合备用变低压侧开关命令。△T的目的是使低压侧不先于高压侧合闸。△T=高压侧开关合闸时间-低压侧合闸时间。如果发跳工作令时，高压侧已在合位，则直接在经同时切换合闸延时后判切换条件合低压侧。

Ø 备用至工作时，手动起动，先发跳备用变低压侧开关命令，经延时同时切换合闸延时定值后判断切换条件，在切换条件满足时，发合工作分支命令。

3. 正常串联切换

1) 热备时：

手动起动，先发跳工作(备用)分支命令，确认工作(备用)分支跳开后，在切换条件满足时，发合备用(工作)分支命令。

2) 冷备时：

Ø 工作至备用时，手动起动，先发跳工作分支命令，若高压侧开关不在合位，装置合备用变高压侧开关，时间t开始计时，工作分支分开后，开始判断t是否大于△T，如果t≥△T则开始判断切换条件，在切换条件满足时，发合备用变低压侧开关命令。延时△T的目的是使低压侧不先于高压侧合闸。△T=高压侧开关合闸时间-低压侧合闸时间。如果发跳工作令时，高压侧已在合位，则直接判切换条件合低压侧。

Ø 备用至工作时，手动起动，先发跳备用变低压侧开关命令，确认备用变低压侧开关分开以后，判断切换条件，在切换条件满足时，发合工作分支命令。

b) 保护起动的事故切换方式

事故切换是单向的，只能由工作分支切向备用分支。事故切换有两种方式：

1. 串联切换

1) 热备时：起动后，跳工作分支，确认跳开后，经快速切换、同期切换或残压切换后合上备用分支。

2) 冷备时：起动后，先发跳工作分支命令，若高压侧开关不在合位，装置合备用变高压侧开关，时间t开始计时，工作分支分开后，开始判断t是否大于△T，如果t≥△T则开始判断切换条件，在切换条件满足时，发合备用变低压侧开关命令。延时△T的目的是使低压侧不先于高压侧合闸。△T=高压侧开关合闸时间-低压侧合闸时间。如果发跳工作令时，高压侧已在合位，则直接判切换条件合低压侧。

2. 同时切换

1) 热备时：起动后，跳工作分支，且经可整定的延时后(不判断工作分支是否已经跳开)，经快速切换、同期切换或残压切换后合上备用分支。

2) 冷备时：起动后，先发跳工作分支命令，若高压侧开关不在合位，装置合备用变高压侧开关，经延时△T和同时切换合闸延时定值的最大值后判断切换条件，在切换条件满足时，发合备用变低压侧开关命令。延时△T的目的是使低压侧不先于高压侧合闸。△T=高压侧开关合闸时间-低压侧合闸时间。如果发跳工作令时，高压侧已在合位，则直接在经同时切换合闸延时后判切换条件合低压侧。

c) 低电压或者工作开关偷跳起动的非正常切换方式

1. 低电压起动

切换方式为串联或同时，装置经快速切换、同期切换或残压切换后合上备用分支。热备或冷备时的切换过程与保护切换相同。

2. 工作开关偷跳起动

切换方式为串联。只能由工作切向备用。装置经快速切换、同期切换或残压切换后合上备用分支。

1) 热备时：起动后，判断切换条件，条件满足时合备用变的开关。

2) 冷备时:起动后，首先合备用变的高压侧开关，在延时△T后，判断切换条件，切换条件满足时，合备用变的低压侧开关。起动后，如果高压侧在合位，则直接判切换条件合备用低压侧。