某机场三联供能源站接入系统及燃气发电机机组选型

黄 宇 清

(广东省建筑设计研究院有限公司, 广东 广州 510010)

0 引 言

某机场三联供能源站项目位于我国西部某省会城市,用于向该机场区域供电、供热水及暖气。该项目设计时机场区域总建筑面积为32万m2,年用电量约为31.9 MkWh,年电费约为2 511.7万元。因机场区域计划扩建,预计能源站建成后机场区域总建筑面积达到42万m2。

项目所在地天然气价格低,市电采用分时计价。该三联供能源站建成后,在电价峰时、平时时段使用天然气自发电,并利用发电产生的余热加热锅炉给水,将产生良好的经济效益;项目所在地供暖时间长,因环保原因供暖需采用清洁能源,采用燃气锅炉供热将产生良好的社会效益。经技术经济比较,自发电成本与谷时市电电价相当,故该项目不考虑电价谷时时段自发电。

经技术经济比较后,该项目能源站的联供系统共设置4台2 MW的燃气内燃机(分为2组)向机场全部用电负荷供电;另外,设置2台20 t的燃气锅炉向机场区域输出热水,用于供热水、供暖。燃气内燃机排放的尾气用于对燃气锅炉的给水进行预加热,实现热电联产。

本文对该项目中电气设计的关键技术问题进行分析。

1 供配电系统

1.1 供配电系统现状

机场现状设35/10.5 kV中心变电站1个(简称“中心变电站”),由2路35 kV市政电源(空川线、龙中线)供电,共安装2台35/10.5 kV变压器,每台变压器的容量为10 000 kVA。中心变电站共设2段10 kV母线(分别为10 kVⅠ段、10 kVⅡ段),2台变压器分别接入其中一段10 kV母线。两段10 kV母线平时分列运行,当其中一段故障时,另外一台变压器可满足全部负荷的用电需求。中心变电站馈出40路10 kV线路至各10/0.4 kV变电所。

1.2 发电系统运行方式

受当地供电部门对企业联供系统上网的限制,该项目联供系统采用并网运行的方式,不上网运行。

1.3 接入系统设置

接入系统应根据发电机组的容量及变配电系统的主接线形式进行设计[1]。

该项目中心变电站馈出的10 kV线路多达40路,下级10/0.4 kV变电所数量多,用电负荷分散在整个机场区域。为保证联供系统的发电机组能有效向所有用电负荷供电,该工程将并网点设在中心变电站的10.5 kV母线处,10.5 kVⅠ段母线、10.5 kVⅡ段母线分别接入联供系统的发电机组电源,联供系统可向机场区域的全部用电负荷供电。

发电机组输出电压等级应根据发电机容量、用电负荷要求、供电距离等因素确定。该项目发电机单机容量为2 MW,并网位置为中心变电站的10.5 kV母线处,能源站至并网点的距离约为800 m。综合考虑上述因素,发电机组机端输出电压为10.5 kV。

中心变电站的10.5 kV母线接入联供系统发电电源后,其供电系统的电源由原来的2路增加到4路,系统供电可靠性得到了提高。

35/10.5 kV配电系统示意图如图1所示。

1.4 并网系统的继电保护措施

该项目设置自动监控集成系统(简称“监控系统”),采用PLC控制器对联供系统的发电、输电、配电系统进行控制和保护。

(1)自动同期措施。监控系统根据中心变电站10.5 kV母线的电压、频率、相位等参数(由智能测控仪表进行采集),调整联供系统发电机组的输出参数,使之与中心变电站10.5 kV母线参数自动同期并自动投切并网断路器(位于能源站10 kV高压配电室),实现联供系统发电机组并网运行。

(2)逆功率保护措施。在两路35 kV市电电源进线处设置“逆功率保护装置”作为并网不上网的控制、保护装置,保证联供系统只受电,不向公共电网输送电能。

由智能测控仪表对35 kV市电电网向机场输送的有功功率进行实时检测。当有功功率接近0时,监控系统自动控制、减少发电机组的输出功率;当有功功率为0时,逆功率保护装置自动断开发电机组并网接入断路器(位于中心变电站的10 kVⅠ段母线、10 kVⅡ段母线处),避免发电机向35 kV公共电网输送电能。

为保证机场供电的可靠性,逆功率保护装置仅作用于断开发电机组的并网接入断路器,不作用于断开中心变电站35 kV市电的进线断路器。

(3)发电机组起停、输出功率控制措施。监控系统可实现对发电机组的起停控制、输出功率控制、并网投切控制。监控系统实时监测35 kV变电站主进线回路的有功功率及相关参数,根据控制逻辑起停燃气发电机组,对发电机组的输出功率进行自动调整,并对发电机组并网断路器进行自动投切控制。

2 燃气发电机组类型的选择

2.1 发电机组主要类型及特点

联供系统发电设备主要有小型燃气轮机(以下简称“燃气轮机”)、燃气内燃机和微燃机[1],合理选择发电机组类型是提高设备利用率、提升能效及经济性的关键。

2.2 燃气轮机特点

(1)燃气轮机是以连续流动气体为工质将热能转化为机械能的旋转式动力设备,包括压气机、燃烧室、辅助设备等,具有结构紧凑、操作简便、稳定性好等优点。

(2)燃气轮机功率较大,主要用在大、中型电站。

(3)单机容量在4 MW以下时,燃气轮机的发电效率较低,经济性较差。

2.3 燃气内燃机特点

(1)燃气内燃机是将液体或气体燃料与空气混合后,直接输入气缸内部燃烧并产生动力的设备,是一种将热能转化为机械能的热机,具有体积小、热效率高、起动性能好等优点。

(2)燃气内燃机受地理环境的影响比较小,高温、高海拔下可正常运行。

(3)燃气内燃机功率较小,主要用在小型分布式电站,当发电功率较低时燃气内燃机组的发电效率较高,较适用于单机发电功率小于4 MW的系统。

2.4 微燃机特点

微燃机是微型燃气轮机,单机功率一般小于300 kW,其特性与燃气轮机基本相同。微燃机单机功率太小,不适合应用于该项目。

2.5 各类型发电机组的热效率、发电效率特性

(1)燃气轮机、燃气内燃机的热电总效率(热效率与发电效率之和)大致相同。

(2)燃气内燃机的发电效率高于燃气轮机。

(3)燃气轮机的热效率高于燃气内燃机。

2.6 各类型发电机组的余热特性

(1)燃气轮机组的烟气温度较高(450 ℃以上),主要用于生产高压蒸汽,还可推动蒸汽轮机发电机组发电。

(2)燃气内燃机组余热分为两部分:一部分为缸套冷却水余热,温度较低,主要用于供热、制备生活热水;另一部分为烟气余热,温度在400～500 ℃之间,可用于驱动吸收式冷水机组及生产蒸汽。

2.7 发电机组类型确定

确定发电机组类型时,应综合考虑冷热电负荷情况、运行方式、余热介质参数与余热利用设备应匹配、运行经济性等因素。该项目具有以下特点:

(1)发电机组的单机容量约为2 MW。

(2)运行方式为并网。

(3)项目所在地海拔高度较高,约为2 000 m。

(4)产生经济效益的部分主要是发电的电量,应选择发电效率高的机组。

(5)对余热(烟气余热、冷却水余热)温度要求不高,余热仅用于加热锅炉给水。

综合考虑上述因素及各类型发电机组的特性,该项目选择燃气内燃机作为发电机组。

3 发电机组台数、单机容量的确定

选择发电机组台数、单机容量时,应考虑发电机工作时有较高的负载率、发电机组应能适应用户的负荷变化、余热能充分利用、投资回报率高等因素。

该项目中产生经济效益的部分主要是发电量,应在有限的投资内将年发电总量最大作为总体设计目标,机组容量利用率应尽可能高。

3.1 燃气内燃机单机负荷率特性

燃气内燃机当负荷率在50%以上时,发电效率较高;当负荷率低于50%时,发电效率低,且对机组损害较大,一般需要停机,不能发电。因此,燃气内燃机只能运行在发电负荷率为50%～100%的负荷范围。

3.2 机场用电负荷分析

总投资一定情况下,发电单机功率太小,总功率较小,当用电负荷高峰时因发电总容量不够,使用市电较多,经济效益不好;发电单机功率太大,当用电负荷低谷时由于负荷低于单机容量的50%,发电机组需要停机,需使用市电,发电总量减少,机组容量利用率低,投资回报率低。

因此,要确定发电装机总容量、单机容量及台数,必须对项目用电负荷进行分析,对全天、全年各时段用电负荷的数值进行统计、分析[2-3]。

3.3 各时段电价及其对机组容量的影响

该机场的市电电价为分时电价,各时段电价情况如表1所示。

表1 各时段电价情况

由于谷时电价较低,与能源站自发电成本接近,因此该项目不考虑在谷时(23 ∶00～7 ∶00)发电,用电负荷分析、发电机组选型按(峰价+平价)时段考虑。

3.4 现状用电负荷分析

该项目设计时,机场总建筑面积为32万m2,其中航站楼面积为9.6万m2,非航站楼面积为22.4万m2。中心变电站已设置电力自动监控系统,系统可导出35 kV市电电源进线处每天整点时刻的有功功率数值。该项目方案设计阶段,笔者从系统中导出了机场最近1～2年的每日平均有功负荷、日有功负荷的运行数据,并对该数据进行了统计、整理。

(1)日平均有功功率。中心变电所2014年1月1日至2016年4月30日(共851天),35 kV进线每日平均有功功率曲线如图2所示。

图2 35 kV进线每日平均有功功率曲线

对图2进行分析,可得到以下结论:

① 10 kVⅠ段(空川线)及10 kVⅡ段(龙中线)的用电负荷较为接近,约各占总负荷的50%。

② 每年非供暖季(4月15日～10月14日)期间,用电负荷较小;每年供暖季(10月15日～4月14日)期间,用电负荷较大。

③ 非供暖季平均负荷/供暖季平均负荷的比值为55%;1年中,最小日用电有功功率/最大日用电有功功率的比值为34%。

④ 日用电负荷是逐年增加的。主要原因是机场每年扩建,总建筑面积逐年增加。

(2)典型日有功功率(机场区域总的用电有功功率)。中心变电站2015年4月15日至2016年4月5日(每月取5、15、25日作为典型日,共36天),35 kV进线典型日有功功率曲线如图3所示。

图3 35 kV进线典型日有功功率曲线图

因谷时电价与自发电成本相当,故谷时使用市电,统计时不考虑谷电价时段。对图3进行分析,典型日最大、最小及平均有功功率如表2所示。

表2 典型日最大、最小及平均有功功率

由图3、表2,可得到如下结论:

① 年最大有功功率出现在供暖季,为12月15日10 ∶00,有功功率为6 390.0 kW。

② 年最小有功功率出现在非供暖季,为5月25日23 ∶00,有功功率为2 280.4 kW。

③ 年有功功率的平均值为3 977.5 kW。

3.5 扩建后有功功率预测

因机场计划1～2年扩建,预计扩建后总建筑面积达到42万m2,其中航站楼建筑面积为9.6万m2,非航站楼建筑面积为32.4万m2。能源站建成后,机场总建筑面积将为42万m2,故有必要对扩建后的用电负荷进行预测。

以现有运行数据为依据,根据不同类别的建筑物面积增加的情况,将增长的负荷分为航站楼、非航站楼两部分分别进行预测。

(1)有功功率预测模型。机场现状及扩建建筑规模如表3所示。

表3 机场现状及扩建建筑规模

预测10 kVⅠ段有功功率P2a=P2a1+P2a2,其中P2a1、P2a2分别为10 kVⅠ段扩建后航站楼部分、非航站楼部分的有功功率。

预测10 kVⅡ段有功功率P2b=P2b1+P2b2,其中P2b1、P2b2分别为10 kVⅡ段扩建后航站楼部分、非航站楼部分的有功功率。

因此,扩建后总的有功功率P=P2a+P2b。

(2)典型日有功功率预测结果。中心变电站4月15日至第二年4月5日(每月取5、15、25号作为典型日,共36天),35 kV进线典型日有功功率预测曲线如图4所示。

图4 35 kV进线典型日有功功率预测曲线

不考虑谷电价时段,对图4进行分析,扩建后典型日最大、最小及平均有功功率预测如表4所示。

表4 扩建后典型日最大、最小及平均有功功率预测

由图4、表4,可得如下结论:

(1)预测年最大有功功率出现在供暖季,为12月15日10 ∶00,有功功率为8 078.9 kW。

(2)预测年最小有功功率出现在非供暖季,为8月15日7 ∶00,有功功率为2 836.9 kW。

(3)预测年有功功率的平均值为4 948.9 kW。

3.6 发电机组分组、台数、单机容量的确定

发电机组分组应与电力系统的接线方式相匹配。由于中心变电站设有2段10 kV母线,平时分列运行。联供系统发电机组应分为2组,各组分别与其中1段10 kV母线并网运行。

考虑各组发电机容量应适应用电负荷的变化,保证投入运行的发电机负荷率在50%～100%范围内,每组设置2台发电机组。发电并网运行时,每组发电机的有功功率可在总装机容量的25%～100%范围内调节。

根据表4,能源站共选用4台2 000 kW的内燃发电机组,发电机组装机总容量为8 MW。发电机组分为2组,每组设2台发电机组,2组发电机组分别接入35/10.5 kV中心变电站的10 kVⅠ段母线、10 kVⅡ段母线。

在市电谷电价时段(23 ∶00～7 ∶00),该项目发电机组不运行,机场全部使用市电。在市电峰电价及平电价时段,该项目发电机组运行,尽可能保证机场的全部负荷用电。在用电负荷高峰时段,4台发电机组全部满负荷运行;在用电负荷最低时段,每组1台发电机组运行(共2台机组运行),2台发电机组负荷率分别为81%、60%。

上述发电机机组分组、台数、容量的确定与设计目标相适应,在负荷高峰或低谷时段,基本可以实现机场全部用电由发电机组供电,因此机组分组、台数及单机容量合理,机组容量利用率高。

4 结 语

三联供能源站电气设计应根据项目投资经济性分析及地方电网对分布式电站上网的要求,确定发电系统的运行方式;根据变电所分布、用电负荷分布、配电系统结线方式,确定发电系统接入方式及发电机机端输出电压;根据用电负荷有功功率数值、有功功率年/日波动情况、余热热能利用方式、项目所在地海拔高度、投资和运行的经济性等因素,确定燃气发电机的机组类型、机组台数、单台机组功率及分组运行方式等。