对华能玉环电厂1000MW超超临界机组电气问题的考虑.doc

对华能玉环电厂1000MW超超临界机组电气问题的考虑2005年2月第6卷第2期电力设备BeetriealEquipmentFeb.2005VOI.6NO.2对华能玉环电厂1000MW超超临界机组电气问题的考虑赵剑雄(华能玉环电厂筹建处,浙江省玉环县317604)摘要:扼要论述了华能玉环电厂l0ooMw超超临界机组的电气主接线(包括对工程是否需要装设发电机出口断路器问题进行了讨论),发电机选型,以及对厂用备用电源,厂用电压等级,施工,灰场及排洪闸电源等方面问题的考虑.关键词:超超临界机组;发电机结构;备用电源;厂用电压中图分类号:TM623.1华能玉环电厂是国家863计划作为引进超超临界机组技术(又称高效超临界机组),逐步实现国产化的依托工程,由华能国际电力股份有限公司独资建设.该期建设2台1000Mw超超临界机组,规划4台1000Mw机组,并留有扩建的余地,该期工程2台机组将分别于2007年和2008年投产.场:lal:条件:该工程所选择的场:lal:三面环山,一面临海,且在沿海的2座山之间筑有一条海堤,场址区海堤线长约1800m.气象条件:电厂所在地属中亚热带海洋性季风气候,雨量丰沛,降水量相对集中.当地受台风影响频繁,据当地有关部门不完全统计,最大平均月盐雾含量为0.7425rng/m2,盐雾颗粒直径不大于5laxn.主厂房布置:基本上与海岸线平行,500kV升压站背靠山脉,且与主厂房A排柱平行,升压站的500kV出线需要翻过山顶与电网相连接.厂区Jl-围相关设施:灰场位于厂:lal:zlt面山与山之间的滩涂上,距电厂约1.8km.特殊情况:淡水水源基本上采用海水淡化处理方式来解决.2主接线及发电机选型2.1电气主接线2.1.1发电机,主变压器及备用电源接线大容量机组通常采用发电机一变压器组单元制接线,该工程也不例外.主变压器高压侧电压为500kV.与常规工程不同的是,在发电机与主变压器之间装设了发电机出口断路器.高压厂用变压器从主变压器与发电机出口断路器之间引接.当发电机出口断路器打开而机组启动时,电源可以由系统经过主变压器,高压厂用变压器向厂用电系统供电;当机组启动完成后,通过发电机出口断路器经同期操作与系统并列,厂用电系统转由发电机供电.正常运行时,机组启动/停机过程中厂用电源不需要切换,从而增加了厂用电系统的运行可靠性.主变压器高压侧套管通过500kV架空线接至500kV气体绝缘金属封闭开关设备GIS配电装置.500kVGIs配电装置采用3/2接线,具有24回500kV架空出线.启动/备用变压器电源从该500kVGIS配电装置引接,采用有载调压分裂变压器,其变比为500kV/6.3kV一6.3kV.当系统中区域变电站的母线电压低于511kV时,为保证厂用母线电压水平,可以用有载调压分裂变压器向厂用电系统供电,以便机组启动.该机组电气主接线见图1.图1电气主接线简图2.1.2发电机出t:/断路器对该工程是否需要装设发电机出口断路器的问题,引起很大争论.其争论的焦点是发电机出口断路器价格高昂,在采用单元制接线的情况下,其技术,经济上是否值得.最后对该工程应该装设发电机出口断路器达成共识,主要理由如下:电厂采用500kVGIS装置,升压站的可靠性很高,基本上不会影响电能的输入与输出.电厂的备用电源也采用500kV电压等级,显得有些单薄.如果装设发电机出口断路器,不仅可以增加1个厂用电源,而且还大大减少了厂电力设备第6卷第2期用母线电源切换,从而增加了厂用电源的可靠性.同时,除了初投产时(也包括全厂昕有机组停运后的第1台机组的再启动)由于电网电压的原因需要用备用电源启动外.其他机组都可以利用主变压器,厂用变压器来启动,这样就不必切换广用电系统的电源了.设计单位根据变压器,构架以及升压站的布置等总体因素考虑,经过技术,经济比较后认为,装设发电机出口断路器在总投资方面并不会增加多少投资.2.1.3500kV升压站由于该工程地处海岸边,盐雾腐蚀较为严重.为了尽量减少因设备故障而引起机组故障停运的概率,降低危及电网安全运行的因素,因此,在500kV升压站中采用了GIS装置.电气主接线除了要求可靠外,还需要满足电网远景发展需要,为电网提供控制短路电流水平的-T-段.为此,在500kV母线扩建端留有可以添加隔离开关的位置,只要系统需要,以后扩建时可以加入隔离开关,通过该隔离开关可将母线分开,以便为系统提供一个解列点.对电气主接线,曾考虑过3/2接线和双母线接线二种方案.3/2接线的可靠性要比双母线高,但是对于GIS装置而言,双母线的可靠性也是可以接受的,双母线方案最大的好处就是可以减少1台500kV断路器.基于该工程为第一个装设国产化超超临界机组的电站,未知因素很多,机组又是以带基本负荷为主,因此,对其电气主接线方案直尽量考虑减少日常运行中的电气操作,选择高可靠性电气设备,以及运行方式灵活等特点.如果采用双母线接线,启动/备用变压器无论接在哪一组母线上,一旦该组母线失去电源,就需要进行倒闸操作,将启动/备用变压器切换到另一组母线上.而采用3/2接线可以满足这些要求,同时其备用电源也无须切换(尤其是电站初期机组少的时候).这是该工程500kV升压站采用3/2接线的主要原因之一.2.2发电机选型超超临界机组的发电机选择原则为:发电机容量应与汽机,锅炉的各种运行工况相匹配,不应出现因发电机的原因而限制机组的输出容量.应体现大容量发电机技术上的先进性,可靠性等指标.2.2.1发电机容量除了发电机的功率因数是由电气考虑外,发电机容量基本上是由汽机,锅炉的运行条件决定的.根据汽机,锅炉的要求,发电机的匹配容量应从汽轮机额定(铭牌)出力,汽轮机最大连续出力,汽轮机调节阀全开工况(VWO)下的出力3个方面考虑.顺便指出,由于该工程要求发电机的国内承包商必须在外方给予技术转让与担保的条件下进行生产.所以,确定发电机的容量也需得到外方同意.2.2.2发电机电压招标书规定的发电机额定电压范围为2527kV.实际投标时,只有一家投标商提供的发电机电压为26kV,其余几家投标商的发电机额定电压均为27kV.主绝缘的厚度并不是与电压高,低成正比的,额定电压为27kV的主绝缘厚度在6.26.5mm之间,而额定电压为26kV的主绝缘厚度却为7.7mm.在相同的27kV额定电压下,各投标商的发电机定子绕组的电流密度差异很大,从5.38,8.6,8.18A/mm到9.33A/mm.对额定电压为26kV的发电机,其定子绕组电流密度为6.6A/mm和7.9A/mm.就发电机而言,电压的差异可以反映出一些问题(如绝缘),但仅凭这一点不能判别出整个发电机性能上的好坏.作为用户要考虑设备配套上的问题.由于发电机电压26kV与27kV是属于相同耐压水平,但在相同容量条件下其输出电流就有大,小之分,输出电流低对某些配套设备比较有利,如离相封闭母线,发电机出口断路器等.该工程发电机额定电压最终选择了27kV电压.2.2.3发电机结构下面简单说明发电机结构上的主要特点:(1)发电机冷却方式都是定子绕组水冷却,定子铁心氢气冷却,转子氢气冷却.定子绕组水冷却方式中,有的投标商发电机定子绕组采用实心铜线加不锈钢通水管,有的投标商则采用空芯铜线加实心矩形铜线.定子铁心大多采用轴向通风,但也有一家投标厂商采用气隙取气,轴向分段,定子铁心径向通风方式.转子通风大多采用轴向,径向通风的方式.而采用定子铁心气隙取气的投标厂商对于转子也采用气隙取气,斜流通风的冷却结构.该工程发电机定子绕组最终采用实心铜线加不锈钢通水管,定子铁心轴向通风,转子通风为轴向,径向通风.(2)对发电机机窿与铁心之间的定子隔振结构,各投标厂商的结构型式都不相同.该工程采用立式弹簧板隔振方式.(3)虽然各个投标商的定子端部结构大多采用端箍,压板结构,并设有调峰用的伸缩结构.但对于端部结构的各个分部,各个投标商都还有各自的特点.(4)转子支撑结构有座式轴承支撑(3支点)和端盖轴承支撑(2支点或3支点)2种,该工程采用端盖轴承支撑(3支点).(5)转子阻尼系统都采用大齿上开阻尼槽,设有阻尼绕组或阻尼条.2.2.4性能考核项目性能考核项目包括容量(是在额定条件下进行的),效率,稳定运行和通过临界转速时的轴承座,轴颈处的振动值,额定氢压下的漏氢量,励磁系统的响应时间,强励倍数等项目.经验交流赵剑雄:对华能玉环电厂1000MW超超临界机组电气问题的考虑652.2.5励磁系统该工程发电机励磁系统要求按无刷励磁和静态励磁2种系统分别投标.从技术角度而言,2种励磁系统各有优,缺点,目前世界上也没有出现由某种励磁系统占统治地位的情况.由于水轮发电机结构上的特点,在水力发电站中采用静态励磁系统.近年来,国内火力发电站600Mw及以下容量的发电机也广泛采用静态励磁系统.国内实际使用结果也反映出这2种励磁系统各自的优,缺点.如无刷励磁系统无法做到高起始,整流元件损坏后无法在运行中更换等;而静态励磁系统则有灭磁开关的选型,整流变压器的可靠性等问题.无刷励磁系统属于它励系统,而静态励磁系统属于自,并励系统.如果一个电网中全部采用同一种励磁系统,一旦电网发生故障,将会波及该电网中的所有发电机.显然,对于电网来讲,不希望出现这样的现象.而从发电厂选择机组的角度来看,励磁系统既要安全可靠,又要符合电网的要求,如强励,励磁的快速反应,PSS等.这2种励磁系统都是相对的满足以上要求,选择机组的励磁系统只能根据每个发电厂自身条件来考虑,不能一概而论.因此,该工程选择励磁系统时考虑的主要因素有:该工程处于负荷中心,根据系统计算,技术上可以不采用高起始反应的励磁系统.尽量采用投标商已有的成熟技术和成熟产品.目前,世界上已经投入运行的1000Mw级,发电机额定电压为2527kV的单轴机组中,其发电机多采用无刷励磁系统.基于以上理由,该工程中发电机励磁系统选用了无刷励磁系统.2.2.6发电机的销售和运行业绩投标商境外技术支持方相似工程的销售和运行业绩如下:(1)日立公司.日立公司提不出同类型机组的参考电厂.日立公司有1台1120MVA,50Hz,端电压25kV,静态励磁的机组正在设计中.(2)三菱公司.三菱公司有2台990MVA(实际运行在800MVA左右),50Hz,端电压24kV,水,氢,氢冷却,静态励磁的机组,分别在2000年6月和10月于泰国投运.(3)阿尔斯通公司.阿尔斯通有2台1167MVA,50Hz,端电压为27kV,水,氢,氢冷却,静态励磁的机组,分别在1999年和2000年于德国投运.(4)西门子公司.西门子有6台1000MVA以上,50Hz,端电压27kV,水,氢,氢冷却,无刷励磁的机组,分别在1978年至20年于德国,瑞士和西班牙投运.3对厂用备用电源的考虑3.1厂用备用电源方案的演变过程该工程可行性研究阶段,高压厂用备用电源拟采用220kV方案,从附近220kV变电站引接电源.这样,电站内具有2个不同的电压等级,可使电源可靠性提高.从系统角度看,电站备用电源取自220kV系统,其可用性和电网的可靠性也能满足电站备用电源的要求,但其投资已高过从该厂500kVGIS引接的方案.厂用备用电源采用从该厂500kVGIS装置引接后,其投资也不低,而且只有一个电压等级.为了提高电源的可靠性,在初步设计阶段,引出增加发电机出口断路器的要求.3.2厂用备用电源的接线方式该期采用1台500kV/6.3kV一6.3kV的高压启动/备用变压器,其高压侧通过架空线从500kVGIS装置引接,低压侧通过二回厂用离相封闭母线接至厂用配电装置的备用段.目前,国内500kV/6.3kV一6.3kV的高压启动/备用变压器尚无运行业绩,因此考虑从国外进口.根据运行需要,高压启动/备用变压器接在500kVGIS的1个不完整串内,此不完整串位于GIS装置的扩建端一侧,并留有今后按需要扩建成完整串的接口.高压启动/备用变压器和各台机组的主变压器呈同一行布置在A排柱外.3.3高压启动/备用变压器高压启动/备用变压器容量与1台高压厂用变压器的容量相同,既可作为启动变压器使用,也可以作为备用变压器使用.按有关规程和运行的要求,高压启动/备用变压器采用有载调压分裂变压器.当电站第一台机组启动时,其厂用电系统的电源只能由500kV电网的变电站供电.该工程主变压器额定电压为525kV.计算结果表明:当500kV变电站母线电压511kV时,由变电站的母线架空线路500kV升压站主变压器高压厂用变压器向厂用电系统供电.当变电站的母线电压为490511kV时,由变电站的母线架空线路一500kV升压站高压启动/备用变压器向厂用电系统供电.高压启动/备用变压器的选择难点在于:变比范围太大,500.4-8X1.25kV/6.3kV一6.3kV,目前国内只有少量类似变压器刚投入运行.短路百分阻抗也比较高,半穿越阻抗为11%.短路百分阻抗的制造允许误差范围也很小,仅为+6%一一5%(包括有载分接开关在内).因此,国内厂商制造还有困难,经向国外变压器制造厂咨询,同类型产品不多,但可以生产.66电力设备第6卷第2期4厂用电电压等级5施工,灰场及排洪闸电源4.1可供选择的电压等级目前,600Mw机组通常使用的中压厂用电电压等级有以下几种:6kV1级.国产机组多,也有部分进口机组.l0kV1级.目前以空冷机组考虑较多,运行业绩少.10kV和3kV2级.限于进口机组和以后的扩建机组.10kV和6kV2级.建议将其列入以后新建1000Mw机组的研究之中.4.2决定厂用电电压等级的主要因素众所周知,电站辅机都要求采用直接启动的异步电动机拖动.因此,除了额定参数,绝缘水平等因素外,影响厂用电压等级选择的因素还有:大容量电动机单机启动时电动机端子处的电压水平.按规定该工程中应>/80%U.所有电动机成组自启动时的厂用母线电压水平.按规定本工程中应/>65%U.开关设备的短路开断能力50kA,关合能力130kA.该工程大容量电动机的数量较多,其中以电动给水泵的容量为最大.据了解,外高桥电厂900Mw机组(德国西门子)电动给水泵的额定功率为14500kW,中压厂用电电压采用10kV和3kV2级电压.4.3运行上的考虑该工程选择25%容量的电动给水泵,且电动给水泵与前置泵由同一台电动机拖动,给水泵和前置泵的总容量为8530kW.目前,电站使用的国产化水泵,风机等负荷,几乎都是配套6kV电压等级的电动机,配套10kV电压等级的电动机很少,而配套3kV电压等级的电动机基本上没有.因此,如果采用10kV和3kV2级电压,那么在2001800kW范围内电动机将要选择3kV电压级,与相应负荷的配套上可能会出现以下情况:(1)因以往国内负荷制造厂与电机制造厂没有配套过,可能会延误工程进度.(2)在目前的条件下,电机制造厂是按满足启动力矩,运行力矩来与负荷匹配的,可能很难全面顾及电动机的效率.这样,对超超临界机组的厂用电率就很难保证.因此,从设备配套,运行管理,保证工程建设进度等方面考虑,希望采用6kV1级电压.计算结果表明,该工程中压厂用电电压采用6kV1级电压是可行的,但裕度偏小.5.1施工电源5.1.1施工电源容量施工电源容量至少应包括:高峰阶段施工机械设备的用电,施工生活设施用电,以及现场办公设施的用电等.另外,还需要考虑到由于现场工程进度的需要,2台机组可能同时施工的用电量.参考同类型机组(单台机组)工程的施工经验,该工程初步考虑施工电源的最大容量为11000kVA.5.1.2施工电源的选择施工电源需要根据当地电源的可靠性和当地电网现状来确定.该工程施工电源分2步实施:首先从电网的110kV变电站引出2回10kV线路(离现场约4km),向41000kVA变压器供电;在当地220kV变电站建成后(约离现场10km),从该变电站引出1回35kV线路向新增加的26300kVA变压器供电,将原来从110kV变电站引出的2回10kV线路作为备用电源.5.1.3施工电源的布置施工电源的布置位置,应遵循接近或深入负荷中心的布置原则.同时,施工电源的架空进线的线路走廊,应尽量避免与电站500kV出线走廊交叉.5.2灰场及排洪闸电源在海岸围堤末端邻近灰场处,设置防洪闸门,闸门的开启与关闭需要用电,但用电量不大.灰场也需要用电,因采用汽车运输,用电量