2×500 MW 燃气-蒸汽联合循环机组电气设计分析

梁晓晔

（中国能源建设集团浙江省电力设计院有限公司 浙江杭州 310012）

2020 年9 月，国家主席习近平在第75 届联合国大会一般性辩论中做出了 “2030 年前碳排放达到峰值，2060 年前实现碳中和”的庄严承诺［1］。这一承诺，无疑给电力行业的发展带来了不小的挑战。据统计，能源领域碳排放量约占全国总额的88%，而电力工业改革后碳排放量又占能源行业的41%［2］。达到“3060”碳达峰、碳中和目标，能源电力行业是根本关键，能源电力生产低碳清洁化已成为必然趋势。在燃煤发电受到限制、新能源装机不足以提供可靠电量供应的情况下，燃气机组具有清洁低碳且运行灵活的特点，成为了一定时期内过渡电源的有效选择［3］。

刘高军［4］对比了典型的燃煤、燃油、燃气机组的碳排放量，研究显示燃气机组单位发电量碳排放最低，仅为燃煤机组的45%，为燃油机组的52%。除环境保护特性好的优点外，以天然气为能源的燃气-蒸汽联合循环机组，还具有供电效率高、建设周期短、投资低、占地面积小和调峰性能好等一系列优势［5］。因此，燃气-蒸汽联合循环机组的设计分析对能源电力行业的发展具有非常重要的意义。

合理科学的电气设计技术不但保障电厂的安全平稳运转，还可以减少设备消耗，减少运营成本，从而大大提高电厂运营效益。本文以浙江某电厂拟建二期2×500 MW 燃气－蒸汽联合循环机组为例，对其进行电气系统设计分析，为今后同类电厂的设计和建设提供参考。

1 工程概况

1.1 工程建设概况

浙江某电厂一期工程2 台400 MW 级燃机发电机组已投产发电。随着浙江省电力电量供需的不断快速增长，“十三五”中后期，浙江省开始出现用电短缺并逐渐加剧。工程所在区域用电需求也增长迅速，从电力平衡结果来看：峰荷时至2020 年500 kV 网供负荷达到865 万kW，2025 年达到1 243 万kW，2030 年达到1 555 万kW；腰荷天然气停发时，2020 年网供负荷达到997 万kW，2025 年达到1 333 万kW，2030 年达到1 605 万kW。为此，随着电力需求量的增加，拟在该厂新建二期工程，建设规模为2×500 MW 级的燃气—蒸汽联合循环机组，设计上采取“一拖一”的结构形式，机组由2 台500 MW 级燃气轮机、2 台余热锅炉、2 台纯凝式汽轮机、2 台燃气轮发电机以及辅助系统等构成。

1.2 工程扩建的意义

（1）持续保障供电，满足用电需求。随着地区供电需求量的增加，本工程的建设将在一定程度上保障该区域的供电需求，同时对于就地均衡负载、增强地区供电调节工作的灵活性等，也都将发挥积极影响。

（2）优化电源结构，确保安全可靠供电。由于国家城乡建设的规模和技术水平日益提升和我国较为严厉的耕地保护政策，外来电力通道路径走廊实施越加困难。本项目在原厂区位置扩建，厂址处于省负荷中心，可避免大功率长距离传输，增加供电运营的经济性，保证各地区安全、可靠用电。

（3）进一步提高国家能源效率，积极推行节能减排和可持续发展政策战略。由于城市燃气联合循环环境污染较小，且电厂能够建立在城市人口相对稠密或用能资源相对集中的区域，通过就近生产与运输能量，可以使发电、热力等燃料量的损失减至最小化，因此能够最大限度提升系统效率，从而达到节约减排，并合理减少地区内单位GDP 的消耗量。

（4）解决清洁燃料替代引起能源生产成本大幅增长问题的有效手段。燃气电厂由于环保代价较少、能量效率高、操作灵活、技术经济安全，与从单纯的燃煤锅炉改为内燃气炉比较，有着非常突出的技术经济优越性，是一种切实可行的系统节电举措。本工程二期建设项目对解决该地区供电需要、确保不间断供电、改善电力结构、增加电能效率、增强供电工作的经济性、安全可靠均将发挥重大意义。

（5）提升浙江省电力系统的调峰能力。“十四五”期间，为了满足全省的电力需求，将受入白鹤滩直流800 万kW 电力，其在丰水期期间将一直满送浙江电力。同时，由于未来全省尚有三澳核电、象山核电、牛山岛核电等大量新能源投入工作，因此国家电网的调峰力量更加紧张，将受到巨大的考验。所以，为确保浙江供电工作的安全、可靠性和经济效益，需要采取措施提高电网的调峰能力，其中建设燃气调峰电厂是提高浙江电网的调峰能力的有效措施之一。

2 电气接入系统方案

该电厂已建设2 套F 级燃气—蒸汽联合循环机组，装机容量2×40 万kW，通过4 回220 kV 线路分别接入滨海变和沥汇变。二期扩建工程在预留扩建场地上建设2 套F 机组50 万kW级天然气机组。扩建后电厂总容量180 万kW，根据《浙江电网规划设计技术原则》，本工程考虑采用220 kV 电压等级接入电网。

根据周边电网现状，本工程外送线路已达到4 回，但除电厂出口段采用4×300 mm2架空线，其余线路均为2×300 mm2线路。考虑到电厂目前已投运2 台机组是分列运行，每台机组通过2 回线分接入滨海变和沥汇变；对电厂外送线路中2×300 mm2线路进行改造，将其改造为4×300 mm2线路，届时，每2 台机组均通过2 回线分别送入滨海变和沥汇变。

因此，该电站二期示范工程在预留扩建场地上建设2 套9F 机组50 万kW 级天然气机组，装机规模为：额定出力2×52.5 万kW，功率因数0.85，并考虑采用2 台62 万kVA 主变升压系统，主接线将维持双母线双分段接线。本期电厂220 kV不新增出线，主变进线2 回。

3 电气设计

3.1 主接线方案

（1）电气主接线设计。电厂一期工程目前已建成2 台400 MW 级燃气－蒸汽联合循环供热机组，2 台机组均通过发电机—变压器的双单元接线方式接入厂内220 kV 配电装置，发电机装有出口断路器。220 kV 配电装置采用双母线接线方式，设计总出线4 回，接至220 kV 的滨海变和沥汇变，一期工程GIS（气体绝缘金属封闭开关）配电装置包括3 个变压器进线间隔，4 个出线间隔，2 个母设间隔，1 个母联间隔，共10 个间隔。220 kV GIS 配电装置远景可改造为双母线双直流限流熔断器接线，一期的GIS 配电装置已经预留了母线分段开关的接口及安装位置。一期工程已设置1 台高压备变作为与2台机组6 kV 厂用母线串联的自备供电，其电源直接引接自厂内的220 kV 供电装置。中压厂用配电系统为6 kV 一级电压、短路电流水平为40 kA。

按照接入系统方案规定，本期工程不再新建单独的配电装置，2 台发电机全部接入一期220 kV 的供电装置，同时不考虑扩建出线间隔。扩建方案为：将220 kV 配电装置变为双母线双分段接线，并在滨海线路和沥汇线路之间的预留位置新设母线分段断路器，2 台燃机发电机接入扩建的2 条母线，同时增加2 条扩建母线的母线设备及母联断路器。220 kV 配电装置还将扩建2 个主变压器进线间隔、2 个母分间隔、2 个母设间隔、1 个母联间隔，共7 个间隔。

鉴于本工程的新建机组都是调峰发电机组，且必须经常起停，若设置发电机断路器则可增加厂用电的安全性和操作的灵活性；F 级燃机采用变频启动，在燃机厂商的典型工程设计中即推荐设有发电机出口断路器。因此本工程设计采用了在发电机和主变压器之间增设发电机出口断路器（简称GCB）的接线形式。

2 台燃机均采用发电机—交流变压器组单元的接线方法，高压厂用变压器直接支接于燃机发电机出口一侧，不设高压备用变压器。发电机中性点一般采用高电阻接地方式。电气主接线图详见图1。

图1 电气主接线图

（2）主变压器选择。本工程机组功率因数为0.85，为了控制电厂接入后220 kV 短路电流，考虑电厂的升压变阻抗电压为20%。考虑三相变压器在初始投资及后期运行维护经济性方面的优势，本工程主变压器推荐采用三相变压器，具体参数见表1。

表1 三相双圈升压变压器主要参数

本期机组将接入老厂220 kV 配电装置，220 kV 配电装置选型与老厂相同，但选用屋外GIS 方法。主变压器低压侧通过离相封闭母线连接，与发电机、高压厂用变压器高压侧相连；而高压厂用变压器低压侧通过共箱母线，引入主厂房高压厂用配电装置。

3.2 厂用电系统

（1）高压厂用电系统。每套发电机组设置1 台20 MVA 高压厂用变压器，用作每套发电机组6 kV 厂用配电母线的工作电源。高压厂用变压器则使用有载调压的双圈变压器，由主变压器低压侧支接。6 kV 厂用配电母线的备用电源从一期的高压供电备变引接。而高压厂用电系统则采取不接地方式，其原则性接线图详见图2。

图2 高压厂用电原则性接线图

（2）低压厂用电系统。低压厂用电系统采用动力管理中心（PC）和电动机控制中心（MCC）的配电方式，即由本发电机组6 kV 工作段的低压厂用变压器，进行发电机组低压厂用负荷的供电。配置2 台低压厂用变压器，2 台低压厂用变压器互为备用。在发电机组正常运行时若联络断路器断开，当其中1 台厂用变压器脱离工作状态时，可手动进行切换，不考虑自动投入的方式。

3.3 其他设计

（1）电气设备布置。主变压器、高压厂用变压器均布置在主厂房A 列柱前。需在一期220 kV 配电装置东面扩建间隔，2台机组的主变压器与220 kV GIS 之间均通过架空线连接。原网络继电器室内备用屏位不足，220 kV GIS 扩建部分保护、测控等二次屏柜需布置在新建的网络继电器室内。

（2）二次接线及自动化。单元控制室采用机、炉、电的集中监控方法。本工程将自动化电气控制纳入机组DCS，以实现发电机及交流配电变压器组的起动、升压、并网以及正常运行停机的顺序监控，厂用电气控制系统的管理也随之纳入DCS，以进行全面CRT 监控。控制的主要设备和元件有发—变组、高压厂用变压器、高压厂用电源线、互为备用的低压厂用变压器等。发电机变压器组采用零点五自动准同期方式。

220 kV 升压站电气设备，接入原网络计算机监控系统NCS 控制。需相应的扩展智能测控单元，以实现其监控功能。

4 结论

本文以浙江某电厂拟建二期2×500 MW 燃气－蒸汽联合循环机组为例，对其进行电气系统设计分析。本期工程考虑采用220 kV 电压等级接入电网，不新增出线。220 kV 配电装置改为双母线双分段接线方法，在发电机和主变压器的中间增设了发电机出口断路器（GCB）。主变压器建议使用三相变压器，采用屋外GIS 方案。每套机组设1 台20 MVA 高压厂用变压器，采用有载调压的双圈变压器。低压厂用的配电控制系统一般采取动力管理中心（PC）和电动机控制中心（MCC）的供电方法。电气设备布置紧凑，接入原网络计算机监控系统NCS控制。