大型电力工程项目建设中关于电气优化设计的思考

黄裕忠

（华电江苏能源有限公司 句容发电厂，江苏 句容 212400）

大型电力工程项目建设中关于电气优化设计的思考

黄裕忠

（华电江苏能源有限公司 句容发电厂，江苏 句容 212400）

大型火电工程项目建设需经历可行性研究、初步设计、施工图设计、施工调试及运行优化等环节。对电气专业优化的以下几方面进行述说：电气优化的阶段工作、开展设计优化采取的措施，优化设计的主要专题及优化设计的重点、难点。在满足规程、规范的条件下，从可靠性、灵活性、先进性、实用性、经济性比较，希望在设计、选型、施工各环节进行优化，使项目建设降本增效，保证企业利益最大化。

大型火电工程项目建设；设计优化；电气

0 引言

大型火电工程项目建设在确保安全生产及设备质量、可靠性，通过优化设计很好地实现降本增效，是每个建设项目追求的目标。火电工程的开发建设需要经过初步可行性研究、可行性研究、初步设计、设计、施工准备和施工等阶段，项目建设投资大、范围广、周期长，每个阶段均有方案优化的比较，可以减少失误和避免差错。通过近十几年火电工程项目建设的实际经验和探索，总结出进行优化设计的主要优点有如下几个方面：1）节约直接投资成本；2）提高了机组的可靠性和效率；3）降低施工难度，减少工作量，缩短工程的周期；4）在试运及投产后能保证机组的稳定运行。开展好火电工程的优化设计，能取得巨大的经济效益，是项目建设中最重要的环节之一。

优化设计一般是在典型设计或初步可行性研究、初步设计的基础上，依据电源规划、结合工程特点及其他同类型机组设计的经验进行的。项目从规划选址到投产可以开展的优化设计阶段主要有[1]：1）前期阶段的优化设计，如：在前期立项，项目的规划、投资能力、战略发展等宏观方面，对工程的总投资影响巨大是宏观方面较多。2）可行性研究及初设计阶段的优化设计。如：主要考虑厂址、出线、运输、煤种、水源、贮灰、地址、主要设备、厂房布置、施工临建布置等一系列的细节方面的优化设计，期间涉及电气专业优化的方案也较少。3）设计工作和施工调试阶段的优化设计工作，本阶段涉及电气相关方案比选情况多，是工程设计优化过程中关键阶段，对工程的达标投产和实现优质工程起着很大的作用。

1 具体优化设计各阶段主要工作

1.1 初步优化设计阶段

该阶段是工程建设中非常重要的设计阶段，期间电气专业主要的优化设计工作是：1）电源与电网的情况，建设的规模和系统（本期和远期）连接方式，装机的容量等；2）电气主接线的方案的比较、各级电压等级、负荷、主变压器的选择（结构型式、冷却方式、容量、分接）等；3）短路电流的计算及设备的选择（通过专业化软件，确定主接线型式、运行方式，设备选择）；4）直流系统的接线方式和负荷计算，蓄电池、充电装置选择；5）电气设备的布置（主要是电气建筑物、构筑物内电气设备布置方案的比较，对电缆施用量和桥架、施工有很大的影响）；6）二次设备（继电保护，自动装置，信号、测量、网络通信、远动装置）的选择；7）其他部分（接地、过电压、防雷、照明、起动设备、检修、通风）等。

在采用新技术、典型设计、设计专利的基础上，对上述问题进行比较论证，是对方向性和功能性的总体优化，对工程的投资起着关键的作用。

1.2 施工图优化设计阶段

该阶段是初步设计的进一步深入，是对初步设计的准确表述，施工图优化设计阶段是具体优化设计最重要的阶段，能否在投产后成为一流工程、金奖工程，该阶段是基础中的基础，特别是主设备的优化是本阶段的重点、要点。

1.2.1 大型发电机的选择

目前国内大型发电机的制造商为上海电气、东方电气、哈尔滨电气，三家发电机效率基本相同均在99%以上。由于发电机的冷却系统不同，引起机组的结构就不完全相同，目前由于上海电气集团生产的汽轮机效率最高，且发电机与汽轮机连接在一起，国内一般发电机组和汽轮机是配套使用。据统计目前已投运的1000MW汽轮发电机组采用上海电气生产的1000MW汽轮发电机大约占60%以上。

1.2.2 主变压器选择

1000MW汽轮发电机组配套的大型主变压器，主要有三相一体和三相分体式变压器两种。

在2009年前，由于三相一体变压器制造技术受限，变压器低压侧电流大，高压侧电压高，在短路时电动力很大；此外由于电流的趋肤效应，铁芯的磁场饱和等影响，变压器内部热耗较大，变压器冷却及单件超450吨运输也成为很大的问题；三相一体变压器只有进口产品，其造价就不低于三相分体变压器。2009年后在导线和硅钢片及制造工艺的进步之后，第一台合资品牌的三相一体变压器（常州东芝变压器厂生产）的投运。经过多年运行，三相一体变压器性能和参数均高于三相分体变压器，并且其投资造价比同容量的变压器价格减低20%以上，性价比就大大提高，如果三相一体变压器能有较好运输条件（可以水路运输），不受限体积大、重量大的情况下，采用三相一体变压器具有以下主要优点：1）造价低；2）安装场地小；3）施工方便；4）维护工作量少等。

1.2.3 厂用电系统

厂用电系统是火力发电厂的重要动力设备。合理的厂用电接线对保证机组的安全正常连续运行，降低电气设备损耗，方便操作和维护，节省造价和投资有着重要的作用。随着新工艺、新技术、新方案不断成功应用，厂用电系统负荷的组成结构也发生了变化，例如：1）由于给水泵由电动方式采用汽动方式，引风机由电动方式采用汽动或变频方式，高压厂用变压器（高压起动备用）的短路电流和高压电动机起动时的最低电压；2）利用电动给水泵只作为机组起动时使用而不作为备用使得高压厂用负载容量显著降低；3）采用节能设备；例如：电气除尘器采用高频电源，调试采用变频及永磁等方式，启动采用软启动、变频等方式。以上新工艺、新技术、新方案的使用，目前百万机组厂用电率最低设计值已小于3%，对厂用电系统进行优化设计将具有重要的意义。

对于厂用电优化设计，主要考虑以下因素：1）充分保证系统接线的可靠性，满足各种供电负荷对供电质量的要求，降低电厂厂用电全停的可能性；2）在保证可靠性的前提下，减少不必要的备用，尽量简化系统配置，节省投资；3）正常运行的情况下，尽量避免启动/备用变压器带机组或公用负荷长期运行；4）根据工艺负荷的配置，合理地选择变压器的容量和台数，尽量减少电气设备的配置数量，简化厂用电接线，降低故障率，提高厂用电运行的可靠性；5）充分考虑系统接线的灵活性，有利于运行维护，方便设备检修；6）近年来，随着国内陆续兴建大容量火电机组，几个主要变压器生产厂家对分裂结构高压厂用变压器（起动/备用变压器）做了很大改进，大容量分裂结构高压厂用变压器（起动/备用变压器）得以制造并投运；7）按照21世纪示范电站思路，进行模块化设计和优化；8）每台机组的高低压母线段尽可能采用相同配置，方便运行管理，同时提高设备的互换性，减少工程设备的备用裕量，减少投资，降低造价；9）利用高效节能型产品减少厂用电系统的总负载。

2 开展优化设计采取的措施

2.1 选择技术力量雄厚、实力强大的设计单位

俗话说设计是工程建设的“龙头”，大型电力设计是综合性的应用技术学科。一个优秀、实力强的设计单位，其专业技术人员业务水平高，经验丰富，可以借鉴以往设计项目、工程的得失，把成功的专利应用到以后项目的设计工作中。根据项目特点，提出独到的见解，以设计工作符合国家的基本建设为主要原则，逐渐深入到具体的方案，由宏观到细微、逐步充实、循序渐进，保证设计总体优化。充分利用公开招标的方式，通过专业技术人员对设计方案进行对比、评优，确定符合要求的设计单位。

经过公开招标，由于参加设计单位较多，可以发现拥有建成相同容量的项目越多的设计单位，其设计方案的深度相较而言会有更多独到之处。由于设计费用在整个项目比重中所占相对很小，因此花较小的成本选择一个优秀的单位是很值得的。对于大型电力项目，一个优秀的设计团队可以将优化实际贯穿工程的始终。所以，在项目的初步可行性研究阶段选择优秀设计单位是工程取得成功的重要因素之一。

2.2 对优化方案进行充分论证、对比

通过设计招标，不同的设计单位会提出很多专题设计报告，并提出多角度方案论证。项目部专业人员要充分学习，进行对比分析，这部分对于项目的投资影响很大，需特别慎重。以下几个电气的重要专题方案需要着重考虑：1）主机设备的比选（发电机）、变压器的选择（主变压器、高厂变、启备变）、电气主接线（包括启动/备用电源引接）、厂用电系统电压等级及接线方式、中压封闭母线的选型等关键设备进行优化；2）厂用电率的设计优化；3）配电、控制小室的布置；4）厂用电监控系统应用，包括电气设备智能控制（采用现场总线）等方式，分散就地布置；5）节能和绿色照明应用（采用高效的电力设备，例如：能耗低的变压器、高效电动机、高频电源、变频装置、照明节能）等。

2.3 拓宽优化设计的思路

每个工程各有特点，所以应该根据项目特点对技术的先进性、针对性、可靠性进行综合考虑。项目单位和设计院可以充分利用收资调研及设计单位技术储备和研究成果，并发挥与有关主要设备厂商的交流合作与技术积累，做到针对性强，系统设计、设备材料选型依据详实合理。

在技术经济指标上，需要对其先进性进行认真对比。在相同容量的机组中，通过高参数技术的运用，提高机组的效率、降低煤耗，做到技术经济指标超过同类机组最好水平。在系统的配置上，要力求简单实用，备用设备和备用容量应设置合理，选用优质高效的主辅机设备。在经济、技术方面，优先采用经济技术成熟技术，合理采用新工艺、新结构、新材料进行优化设计。对突破现行规程、规范的项目进行专题论证。优化厂区总体布置，根据设备和系统的功能要求合理设置，尽可能做到功能集中。通道和电缆合理，使得施工方便，并智能化工作控制系统设计的新思路，提高全厂综合自动化水平，节省电缆。和其他专业间有机地协调、配合，避免各专业之间相互提供数据时层层放大裕量，致使安全系数及安全裕量过大，杜绝浪费现象。

另外利用先进的设计工具、软件及其他的设计手段，进行优化设计，保证设计工作能最优服务工程要求。采用模块化设计，优化布置，设备紧凑布置，电缆、桥架短捷，这样可以缩短施工周期，降低工程造价。

3 电气优化设计的主要专题

不同的项目必须采取针对性设计，大型项目一般需做以下专题，以便实现项目的设计15项优化工作：1）电气主接线的优化设计；2）三大主机的对比（发电机所占的比重最小）；3）主变压器选型专题优化；4）启动/备用变压器引接专题优化；5）中压封闭母线的选型优化专题优化；6）电气工艺系统主要辅机技术条件专题报告高压厂用电电压等级和接线选择优化；7）低压厂用电接线方案专题优化；8）高压变频电动机接线及保护配置方案专题优化；9）电气监控管理系统应用方式专题优化；10）电除尘器电源系统应用研究专题优化；11）电缆敷设路径专题优化；12）铝合金电缆应用专题优化；13）绿色照明在电厂中的应用优化；14）厂用电率优化专题优化；15）变频调速和永磁调速方案专题优化。由于每个项目具有不同的特点，本文不对电气优化设计的主要专题进行展开述说。

4 优化设计的重点工作

4.1 主设备参数和设备选型

主设备的设计优化选型受到建厂的条件、电源点的规模和电网结构等因素影响，是项目规模和设计原则方案确定的基础，对工程的投资起着决定性的因素。

主设备各项参数和性能指标确定，通过对技术先进性、经济合理性、安全的可靠性的综合对比，在符合国家技术政策和标准规范下，公开招标确定主设备。其优化作用在总的投资占比最高，同时，其经济性受国家宏观环境影响很大，不可控因数较大。所以需要慎重考虑。

4.2 主接线、厂用电的接线优化

主接线是电厂电气设计的首要部分，不仅对电厂本体设备有影响，和电网的结构也密切相关，是发电厂与电力系统密切相关的纽带。同时，主接线对电气设备的选择、配电装置的布置、继电保护和控制方式确定有很大的影响，是电气优化设计中重点和难点。

在其设计阶段，必须对可靠性、灵活性、经济性三项基本要求进行对比分析，选择最优方案。

对于一个新建项目，由于其容量不同、地位、作用不同，其可靠性要求是不相同的。应重点以国内外长期运行的实践经验作为对比的依据，进行定性分析。

灵活性是指满足设备运行后在不同运行方式、检修状态和扩建时的影响，需要满足系统在事故状态、检修方式、特殊运行方式供电的要求，是可靠性的补充[1]。

经济性是每个优化设计工作的必备项，一般来说直接投资是重点关注的内容。除了特大型项目或特殊工程没有完整的经验数据，对于成熟的机型，一般会采用略低于设计概算的标准作为依据进行比较。对于经济发达地区、城市和地质条件恶劣的地区，占地面积也是主接线考虑的重要因素之一。此外还需把运行期的能耗作为附加条件，进行经济性综合对比（尤其在厂用电接线的对比中，将高、低压电动机的能效和价格作为重要指标进行定量分析，确定最经济的方案）。

4.3 配电装置和配电室的布置

大型火力项目机组，安全等级高，场地大，设备布置复杂，很多是在工业发达地区，由于地少人多，需节约用地，因此配电装置和配电室的布置对整个投资影响较大。配电装置的新技术、新设备、新材料、新结构、新布置在不断创新发展中已通过国家、行业鉴定，广泛应用，其优点有以下：1）投资减少、降低造价；2）便于安装和检修维护；3）减少用地，减低土建工程；4）提高运行和日常操作巡检[1]。

配电室的优化布置，可以使项目总平面图整齐清晰、美观。大型火电项目电缆、光缆就像是神经系统，交叉辅助，且用量大。配电室的合理布置不仅大幅度减少的电缆、光缆的使用量，使通道更简洁，交叉更少，安装施工工程量明显下降，同时减少投资，对整个工程非常重要。

5 优化设计的难点工作

5.1 电缆、桥架的优化工作

电缆、桥架设计优化非常复杂，牵涉专业多，每个工程各有特点，是施工图优化设计中的一个重要环节。大型火电项目在主厂房内辅机对布置特殊性、工艺性能、参数的要求高。主管道的材料价格很高，对机组的性能影响很大；电缆和桥架由于比较容易施工，技术要求较低，可塑造性、可调节性更好，重要等级相对降低。因此，遇到主管道和功能要求较高的场所及消防要求等环境，电缆和桥架在途径和通道一般均会避让。

由于管道、工艺在施工图设计阶段才能体现，这会给电缆、电缆桥架正常设计增加难度和不确定性。电缆、桥架的美观，通道的畅通，对工程的评比影响很大。近年来许多计算机辅助设计软件应用，例如：PROMIS-E、CAD、数据库、三维辅助敷设设计，给优化设计提供了可行性，为电缆敷设（含设备厂商供应电缆、光缆等）、通道图、排列图、封堵平面图、断面图的模拟等提供了可行性[2-3]。

电缆、桥架优化设计采用电气PROMIS-E，可以利用电气原理接线图设计，从工艺数据库共享的电负荷，在厂用电原理接线图的数据库中进行配电的负荷分配。对厂用电原理接线设计已经确定的电气参数，建立配置接线图及其数据库。从而利用PROMIS-E的数据库中直接生成电气设备表、原始电缆表、桥架表。利用托架设计软件配合完成电缆清册，建立生产原始的电缆通道。通过电缆通道、桥架三维模型生成电缆托架敷设空视图，对通道的复杂部位进行优化、避让，然后生成电缆桥架、立柱竖井、托架三维模型安装图，并与接线设计的原电缆表配合，生成电缆清册，完成电缆和桥架的总体优化工作。在实际的施工过程中根据施工进度及现场实际情况，再进行完善优化处理。

利用打捆集中采购，建立合格供应商制度，公开招标，减低投资。同时，合理采用铝芯电缆，通过优化处理，减少钢铠电缆的使用量，用普通电缆替代，也可以减少投资成本。该项经优化设计后，通过几个大型工程对比，可以节约投资10%左右，按2台百万机组，电缆和桥架总概算为1亿以上，可节约1000万以上。

5.2 电气监控系统优化

大型火力发电厂建设自动化水平的迅猛发展，电气监控方式由于电子、软件、通信、总线等技术的迅速发展，电气自动装置、保护装置、测量装置和就地测控设备等智能前端设备的成熟发展，为电气系统的智能化、网络化和信息化提供了重要的技术保证。

目前电力系统没有统一、完整、系统的规范标准，电网公司的智能化变电所、五大发电集团的智能化电站的电气现场监控制系统各有特色。目前，大型火力发电机组的电气监控系统主要由以下三种：DCS、ECMS、DCS与ECMS结合的方式；其配置监控实施方式由以下三种：全通讯方式，ECMS仅作为监测用的硬接线+通讯监测方式和高低压厂用电源监控由ECMS是实现的硬接线+通讯监控方式。

2010年前应用最多的是全硬接线方式，但技术与经济适用性的角度看已经逐步被淘汰；全通讯方式因其多设备之间不同通讯规约之间的转换引起的时滞，导致稳定性和实时性的问题难以化解，且其通信规约与热控控制系统的规约配合难度，使用条件苛刻，很多项目由于没有成熟经验，制约方案的推广。

目前大型火电机组统一采用的IEC61850通讯规约，根据《火力发电厂、变电站二次接线设计技术规程》所述：“发电厂电气监控管理系统应根据电厂的控制方式统筹考虑，采用监控或监测方式。”目前国内大型火电机组运行最多的为硬接线+通讯监测方式，即ECMS系统采用监测方式，采用硬接线+通讯监测方案，由于ECMS系统与DCS系统通信，大量DCS系统所需的电气系统信息量通过ECMS系统的主控单元传送至DCS系统，减少了大量的I/O硬接线，从而避免了信息重复采集，减少了设备和电缆成本及运行维护费用。采用此方式，电气控制纳入DCS系统的同时，创建电气相对独立的监测系统，可以独立完成监视、报警、统计计算、电能管理等功能，可以做到运行时，需要的维护人员少，节约了投资费用。

现场总线系统在2000后也在部分大中型火力发电厂电气监控系统应用，相比于硬接线+通讯监测减少了电缆，但控制的可靠性会受环境因素的一定影响，干扰能力需要提高、在出现异常或报警时难以及时判断。

随着智能化技术发展和成熟，全通讯方式必将是电气监控系统优化发展的方向。

6 结论

大型火电工程项目投资大，建设周期长，标准要求高，优化工作在项目建设中具有关键和决策性作用，可以推广到项目的每个环节。其不仅体现在功能、指标、安全可靠性上，而且体现在投资成本控制、运行、检修维护性上。结合实际工作中的经验对项目过程中开展的部分方案进行一些对比优化工作，体会到大型机组优化设计工作是一个系统工程，每个项目特点不同，优化的侧重点各不相同，需每位参加工程每位专业人员发挥自己的智慧，本文抛砖引玉，粗略地从设计的不同阶段、对项目比较重要和难点的优化项目需要进行开展优化工作，谈了一些体会，由于水平有限，难免有差错，请批评指正；同时由于各个项目实际情况不同，优化设计工作虽然是一项费神，很耗脑力和体力的工作，但为了保证项目建成后能达到优质、高效，并打造成精品工程，一定是每位电力专有识之士终生追求的目标。

[1]戈东方.电力工程电气设计手册[M].北京：中国电力出版社，1987.

[2]江苏华电句容二期（2×1000MW）高效洁净超超临界扩建工程勘察设计投标技术方案说明[Z].

[3]DL/T5164-2014，火力发电厂厂用电设计技术规定[S].

Design Optimization of Large-scale Thermal Power Project Construction

HUANG Yuzhong
（Huadian Jiangsu Energy Co.，Ltd，Jurong Power Plant，Jurong 212400，China）

Large-scale thermal power project construction needs to go through several procedures,such as the feasibility study,preliminary design,construction design,construction commissioning and operation optimization.This paper mainly focuses on the following aspects:electronic design optimization steps,design optimization measures,hot spot and difficulties of optimization.Compare the reliability,flexibility,advancement,practicality,economic condition under the constraints of regulations.Thus,the cost of the project will be deduced and the company will get the maximum profit by design optimization.

large-scale thermal power project construction； design optimization； electrical

TM645

B

2095-3429（2017）05-0026-05

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.05.006

2017-07-21

黄裕忠（1968-），男，工学硕士，高级工程师，高级技师，主要从事于高电压技术及电气优化设计方面的研究工作。