火电机组超低排放改造中电气设备的仿真分析

胡建明，智建平

(扬州第二发电有限责任公司，江苏 扬州 225000)

0 引言

随着国家对火电企业减排要求日趋严格，江苏省在省内推进燃煤发电机组烟气污染物超低排放示范工程的建设，扬州第二发电有限责任公司按此要求进行改造。该厂为4×600MW火电机组，厂用电电压等级为10.50，3.15，0.40 kV。为满足新增设备的用电要求，电气侧需增加10.50/3.15 kV除灰脱硫变压器(以下简称灰硫变)、3.15 kV除灰脱硫段母线、3.15/0.40 kV湿式除尘变压器(以下简称湿除变)A/B段、400 V湿式除尘(以下简称湿除)PC A/B段;新增或改造吸收塔循环泵 D/E、射流泵A/B、氧化风机A/B等设备。为了解设备的运行特性，为设备选型、定值整定和设备运行提供指导，需对相关的电气设备进行仿真分析。

目前常用的仿真分析软件有PSASP，MATLAB，PSCAD，PSS/E等，本文采用ETAP，它由美国OTI公司研发，采用独特的三维数据库技术，适用于发配电工程的分析、设计、仿真及模拟，可进行潮流计算、短路计算、电机启动、保护配合等多种分析。ETAP软件的计算精度已为大量的理论分析及工程实例所验证［1-3］。当然，针对具体工程，仿真结果与实际运行状况的吻合程度取决于建模参数的准确性。

按照ETAP建模的要求，绘制电气单线图并输入相关设备的参数，对厂家未提供的参数，采用典型值或ETAP设备库中自带的数据，完成建模工作。

1 潮流分析

潮流分析可完成各种运行方式下的“最大负荷”“最小负荷”和“平均负荷”的潮流计算，获得各种工况下调压方式和无功分配，校验关键线路的潮流;可分析因一次接线更改、设备新增或扩容对系统造成的影响，为采取相应措施或设备选型提供依据。

计算表明，除3.15 kV脱硫1B段运行电压(95.94%Un，Un为额定电压)稍低外，其他母线电压基本正常，无设备过载现象，表明变压器容量、开关型号、电缆截面的选型适当。如选型偏小，软件会给出报警，相应设备在图中以红色显示，提醒设计人员重新选型、核算。

2 短路计算

短路电流计算是保护整定计算的基础和前提。ETAP软件采用IEC 60909标准进行计算，相比于国内标准或其他计算方法，ETAP计算量大，但原理清晰，结果也更准确。建模完成后，该软件可以计算三相短路、单相短路、两相短路、两相接地短路电流值。

大方式下，三相短路电流计算方式如图1所示，计算结果见表1。

3 保护配合

STAR模块可以将上下级保护的动作曲线绘制到同一张图中(如图2所示)，可以清晰地看出保护的各级配合是否满足设计要求［4］。

从图2可以看到，湿除变保护(曲线1)与湿除变励磁涌流(点2)和湿除变过载运行特性(曲线3)的配合关系，灰硫变保护(曲线4)与灰硫变励磁涌流(点5)和灰硫变过载运行特性(曲线6)的配合关系。曲线7为湿除变电缆过载运行特性曲线。由图2可知，各级保护之间的配合良好。

模拟400 V湿除PC A段母线三相短路(如图3所示)，可以看到各级保护的动作时序，可以检查断路器有无越级跳闸现象。

图1 大方式下三相短路计算

表1 短路电流计算结果 kA

图2 保护配合

图3 三相短路故障模拟

4 电机启动

对超低排放改造中容量最大的电机——吸收塔循环泵D电机进行启动分析，用于校验电机能否顺利启动，以及电机启动时母线电压的下降情况，应保证电机启动时不妨碍其他电气设备工作。

电机的铭牌参数为:型号，YKK500-4W;电压，3 kV;额定功率，1000 kW;电流，234.8 A;功率因数，0.87;转速，1489 r/min;绝缘等级，F。

由电机原理可知，启动时间与电源条件、电机本身的机械特性及负载轴系特性相关［5］。进行启动分析前需要先建立电机的电路模型，该模型所需参数较多，用户一般很难收集齐全。ETAP内置有5种电机动态模型，并提供了电机参数估算模块，根据电机的铭牌值，可估算得到电机的电路模型，如图4所示。

本例中动态模型选sigle2，即感应电机的标准模型为有深槽效应的、转子电阻和电抗随转速变化的单笼型电路模型，负载类型选PUMP，电机转动惯量Jm取典型值44 kg·m2，负载转动惯量取0.15Jm。设定好电路模型、转动惯量和负载阻力矩模型后，ETAP通过仿真逐步求解电机的动态方程，计算出电机的启动时间。

仿真结果表明:电机启动时间约为2.85 s，启动电流约为5倍的电机额定电流(启动电流曲线为图5中的实线)，3.15 kV灰硫1段母线电压约为83%Un，10.5kV 1AX段母线电压约为97%Un，满足规程要求，电机可以顺利启动，不会对其他电机的运行造成不利影响。

ETAP自带设备库中电缆、变压器、电机、保护装置等均为欧美设备，参数和国产设备略有差异。按照DL/T 5153—2002《火力发电厂厂用电设计技术规定》［6］计算，启动时间为2.88 s。实测吸收塔循环泵D，E电机启动时间约为3.00s，3.15kV灰硫段母线电压约为82%Un。

设定灰硫变的高压侧10.5 kV 1AX段母线失电切换时间为0.1 s，通过仿真可看到:10.5 kV 1AX段、3.15 kV灰硫1段母线电压下降至62%Un;自启动电流为760 A(图5中的虚线为吸收塔循环泵D电机自启动时的电流曲线)，约为3.2倍的电机额定电流。因母线失电时间较短，电机自启动电流和自启动时间均小于直接启动的情况。

图4 电机模型及参数估计

图5 启动分析

仿真表明，当失电切换时间大于0.2 s时，10.5 kV 1AX段、3.15 kV灰硫1段母线电压降至44%Un，该泵自启动困难。

5 结束语

通过仿真，可以对设计进行验证，对相关设备的运行特性进行定量分析，为设备的运行、定值整定提供指导，提高系统的可靠性。

［1］李升.MATLAB和ETAP电力系统仿真比较研究［J］.南京工程学院学报(自然科学版)，2006，4(2):50-55.

［2］谢文，朱永强，崔文进.IEC 60909短路电流计算标准分析［J］.电力建设，2005，26(2):23-25，43.

［3］刘丽影，李杨，侯淑莲，等.基于ETAP仿真的核电机组厂用电系统暂态稳定分析［J］.电力建设，2013，34(2):68-73.

［4］刘森，汪洋，周莹莹，等.ETAP软件在水泥厂短路计算及继电保护整定的应用［J］.中国水泥，2010(6):70-72.

［5］戴江江，贾云浪.基于ETAP电力系统计算软件的电机软启动仿真计算［C］//中国化工机械动力技术协会.第五届全国石油和化学工业电气管理(技术)交流研讨会论文集.延吉:中国化工机械动力技术协会，2006.

［6］火力发电厂厂用电设计技术规定:DL/T 5153—2002［S］.