趙 悅, 郭斌繼

(中國市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司, 甘肅 蘭州 730000)

0 引 言

某鍋爐改造工程將原發(fā)電用A級(jí)5.3 MPa次高壓鍋爐壓力降低至供熱用B級(jí)2.5 MPa壓力的蒸汽鍋爐[1],近期對(duì)3臺(tái)鍋爐進(jìn)行改造恢復(fù)生產(chǎn),遠(yuǎn)期新建1臺(tái)鍋爐。廠區(qū)內(nèi)現(xiàn)狀配電主接線為雙回路10 kV電源引入,單母線分段結(jié)構(gòu)。

GB 50041—2020《鍋爐房設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[2]第9.1.4條規(guī)定“采用非一級(jí)電力負(fù)荷的鍋爐房,在停電后可能會(huì)造成鍋爐事故時(shí),應(yīng)采用汽動(dòng)給水泵為事故備用泵”。該工程在改造過程中電源部分在短時(shí)間內(nèi)無法完全滿足一級(jí)負(fù)荷的要求。為避免鍋爐因停電、停水導(dǎo)致的高溫、干燒損毀鍋爐,增設(shè)了事故備用泵。因工藝運(yùn)行的要求,采用汽動(dòng)給水泵無法滿足短時(shí)間內(nèi)供水的要求,經(jīng)過方案比選,采用“柴油發(fā)電機(jī)+電動(dòng)應(yīng)急給水泵”的方式更容易滿足該工程的要求。

1 負(fù)荷分級(jí)

GB 50052—2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]第3.0.1條規(guī)定:“電力負(fù)荷應(yīng)根據(jù)對(duì)供電可靠性的要求及中斷供電在對(duì)人身安全、經(jīng)濟(jì)損失上所造成的影響程度進(jìn)行分級(jí),并應(yīng)符合下列規(guī)定:(1) 符合下列情況之一時(shí),應(yīng)視為一級(jí)負(fù)荷。① 中斷供電將造成人身傷害時(shí)。② 中斷供電將在經(jīng)濟(jì)上造成重大損失時(shí)。③ 中斷供電將影響重要用電單位的正常工作。(2) 在一級(jí)負(fù)荷中,當(dāng)中斷供電將造成人員傷亡或重大設(shè)備損壞或發(fā)生中毒、爆炸和火災(zāi)等情況的負(fù)荷,以及特別重要場(chǎng)所的不允許中斷供電的負(fù)荷,應(yīng)視為一級(jí)負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷。(3) 符合下列情況之一時(shí),應(yīng)視為二級(jí)負(fù)荷。① 中斷供電將在經(jīng)濟(jì)上造成較大損失時(shí)。② 中斷供電將影響較重要用電單位的正常工作?！?/p>

該規(guī)范條文說明中有“政治影響程度難以衡量。個(gè)別特殊的用戶有特別的要求,故不在條文中表述。對(duì)于中斷供電將會(huì)產(chǎn)生人身傷亡及危及生產(chǎn)安全的用電負(fù)荷視為特別重要負(fù)荷,在生產(chǎn)連續(xù)性較高行業(yè),當(dāng)生產(chǎn)裝置工作電源突然中斷時(shí),為確保安全停車,避免引起爆炸、火災(zāi)、中毒、人員傷亡,而必須保證的負(fù)荷,為特別重要負(fù)荷,例如中壓及以上的鍋爐給水泵,大型壓縮機(jī)的潤滑油泵等”。

廠區(qū)內(nèi)主要用電設(shè)備為1 000 kW引風(fēng)機(jī)、315 kW一次風(fēng)機(jī)、280 kW二次風(fēng)機(jī)、250 kW給水泵、280 kW空壓機(jī)、400 kW熱網(wǎng)循環(huán)泵及多臺(tái)10/0.4 kV配電變壓器。

該工程采用近遠(yuǎn)期二次改造建設(shè),根據(jù)工藝專業(yè)提供的資料,采用需用系數(shù)法對(duì)全廠的用電設(shè)備進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算,全廠10 kV側(cè)近期計(jì)算負(fù)荷約為12.3 MVA,遠(yuǎn)期計(jì)算負(fù)荷約為14 MVA。

改造完成后將為30余萬m2的工業(yè)廠房及部分居民住宅提供冬季供暖服務(wù),且為多家工業(yè)企業(yè)供應(yīng)蒸汽;服務(wù)面積廣,用戶數(shù)量多,用戶重要性高,一旦發(fā)生意外停電的事故,將導(dǎo)致極其嚴(yán)重的后果。如大量的居民冬季無法采暖;企業(yè)突然失去蒸汽源,將影響生產(chǎn),甚至造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

從建設(shè)規(guī)模、循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行復(fù)雜程度及停電造成的負(fù)面影響等方面考慮,該工程用電負(fù)荷均符合一級(jí)負(fù)荷條件,故用電負(fù)荷等級(jí)為一級(jí),要求采用雙重電源10 kV供電,每路電源可以滿足全部用電負(fù)荷,且兩路電源不應(yīng)同時(shí)受到損壞。

2 外線電源

依據(jù)負(fù)荷等級(jí)的要求,并經(jīng)過建設(shè)方與當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的多次溝通,結(jié)合考慮工程對(duì)供電可靠性的需求、負(fù)荷特性、用電容量、供電距離、當(dāng)?shù)毓搽娋W(wǎng)現(xiàn)狀、發(fā)展規(guī)劃及所在行業(yè)的特定要求等因素,通過技術(shù)、經(jīng)濟(jì)成本比較后確定了外線電源的引入方案[4]。

該工程外線電源引自兩個(gè)區(qū)域內(nèi)變電所,一路引自國家電網(wǎng)電力公司簡稱“國電”,另一路引自地方電力公司簡稱“地電”。國電可供應(yīng)廠區(qū)全部負(fù)荷用電,但地方電網(wǎng)因新用戶的增加,近期只能提供滿足一臺(tái)鍋爐運(yùn)行的負(fù)荷容量,地電作為第二路電源不能完全滿足一級(jí)負(fù)荷的條件。依據(jù)GB 50052—2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》中第4.0.1條的規(guī)定:“符合下列條件之一時(shí),用戶宜設(shè)置自備電源:需要設(shè)置自備電源作為一級(jí)負(fù)荷中的特別重要負(fù)荷的應(yīng)急電源時(shí)或第二電源不能滿足一級(jí)負(fù)荷的條件時(shí)”,該工程對(duì)特別重要負(fù)荷即應(yīng)急給水泵設(shè)置自備電源。按照應(yīng)急供水系統(tǒng)控制要求,鍋爐必須在所有設(shè)備因電源故障停止運(yùn)行后5 min內(nèi)實(shí)現(xiàn)應(yīng)急給水泵供水,故該工程選用快速起動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)作為事故備用泵及相關(guān)用電設(shè)備的應(yīng)急電源。

另外,國電計(jì)劃未來2～3年內(nèi)在該工程所在園區(qū)附近新建一座變配電站,可為該工程提供第二路電源(外線電源將完全滿足一級(jí)負(fù)荷的要求)[5]。

3 控制系統(tǒng)

應(yīng)急供水系統(tǒng)控制要求:市政電源停電信號(hào)確認(rèn)后,柴油發(fā)電機(jī)立即起動(dòng)并進(jìn)入穩(wěn)定空載運(yùn)行狀態(tài),依次啟動(dòng)應(yīng)急給水泵(P01)、開啟給水泵出口閥(MV01),開啟蒸汽外網(wǎng)管道閥門簡稱外網(wǎng)閥(MV02)、關(guān)閉降溫減壓器前的進(jìn)氣母管蒸汽主閥門簡稱進(jìn)汽閥(MV03)、關(guān)閉降溫減壓器前的進(jìn)氣母管補(bǔ)水電動(dòng)閥簡稱補(bǔ)水閥(MV04)。完成以上動(dòng)作不得超過5 min,柴油發(fā)電機(jī)的油箱油量至少保證連續(xù)運(yùn)行2 h運(yùn)行使用。

外網(wǎng)閥(MV02)、進(jìn)汽閥(MV03)及補(bǔ)水閥(MV04)安裝在主廠房3F降溫減壓器室,與集控室一墻之隔,而柴油發(fā)電機(jī)、應(yīng)急給水泵(P01)及給水泵出口閥(MV02)均設(shè)置在主廠房1F。因設(shè)備數(shù)量較多、位置分散,在有限的時(shí)間內(nèi)采用人工快速、有序地完成操作將十分困難,故采用兩種動(dòng)作模式來解決短時(shí)間內(nèi)有序動(dòng)作的矛盾:① 采用DCS控制。將柴油發(fā)電機(jī)、水泵、閥門、雙電源轉(zhuǎn)換開關(guān)等所有設(shè)備的控制信號(hào)、狀態(tài)信號(hào)均連接至DCS控制站,值班人員可通過上位機(jī)組態(tài)畫面直觀地控制設(shè)備動(dòng)作,觀察各設(shè)備的狀態(tài),且可實(shí)現(xiàn)一鍵啟動(dòng),所有相關(guān)設(shè)備按程序時(shí)序動(dòng)作的功能。② 在3F集控室設(shè)置集中控制柜,將所有設(shè)備的控制信號(hào)、狀態(tài)信號(hào)均采用控制電纜連接集中控制柜,集中控制柜設(shè)置控制按鈕及狀態(tài)指示燈,值班人員可通過控制柜面的按鈕、指示燈控制設(shè)備動(dòng)作、觀察各設(shè)備的狀態(tài),實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)設(shè)備的功能。

在集控室控制臺(tái)上設(shè)置應(yīng)急供水系統(tǒng)實(shí)體啟動(dòng)按鈕,通過DCS程序控制實(shí)現(xiàn)一鍵啟動(dòng)應(yīng)急供水系統(tǒng)的功能。

在集中控制柜柜面設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)、應(yīng)急給水泵(P01)等設(shè)備的啟動(dòng)、停止按鈕及運(yùn)行、停止、故障指示燈;設(shè)置給水泵出口閥(MV01)、外網(wǎng)閥(MV02)、進(jìn)汽閥(MV03)、補(bǔ)水閥(MV04)等閥門的開閥、關(guān)閥、停止按鈕及開到位、關(guān)到位、過扭矩、故障指示燈;設(shè)置雙電源轉(zhuǎn)換開關(guān)的分合閘、故障狀態(tài)信號(hào)指示燈。

當(dāng)DCS自控方式故障時(shí),集中控制柜控制可有效彌補(bǔ)其缺失,采用DCS自動(dòng)控制及集中控制柜控制兩種互不排斥的方式實(shí)現(xiàn)設(shè)備的有效動(dòng)作,具有安全、可靠、簡潔、直接等特點(diǎn),為保障在停電的情況下及時(shí)補(bǔ)水起到了決定性的作用,避免了鍋爐無法及時(shí)補(bǔ)水導(dǎo)致的受熱面超溫、干燒等事故的發(fā)生。

4 配電系統(tǒng)

根據(jù)設(shè)備的分布情況,在主廠房外新建柴油發(fā)電機(jī)房,將應(yīng)急給水泵控制柜設(shè)置于柴油發(fā)電機(jī)房內(nèi),方便集中調(diào)試;在主廠房3F集控室設(shè)置集中控制柜,方便值班人員在事故發(fā)生的第一時(shí)間進(jìn)行操作。低壓配電系統(tǒng)主接線圖如圖1所示。

圖1 低壓配電系統(tǒng)主接線圖

為保證低壓母線Ⅰ段在故障或者檢修時(shí),保障外網(wǎng)閥、進(jìn)汽閥、補(bǔ)水閥能正常動(dòng)作,在集控控制柜處設(shè)置雙電源切換開關(guān),同時(shí)也有效避免柴油發(fā)電機(jī)不必要的運(yùn)行。

通過按穩(wěn)定負(fù)荷計(jì)算發(fā)電機(jī)組的容量、按最大的單臺(tái)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的需要、按起動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)母線容許的電壓降等選擇方法[5],并根據(jù)外界氣壓、溫度、濕度等條件查閱校正系數(shù)[6],確定選用額定輸出容量為250 kVA的柴油發(fā)電機(jī)。柴油發(fā)電機(jī)配置智能型控制器,具有電壓調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)電壓控制功能,配置RS-485通信接口[7],采用Modbus或其他與現(xiàn)場(chǎng)DCS系統(tǒng)兼容的通信協(xié)議與廠區(qū)DCS控制站通信,將柴油發(fā)電機(jī)狀態(tài)及電氣信號(hào)上傳至DCS控制站,并可在上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)控;采用渦輪增壓的吸氣及冷卻方式提高柴油發(fā)電機(jī)性能。為保證鍋爐安全,必須在有限的時(shí)間內(nèi)完成應(yīng)急系統(tǒng)的起動(dòng),配置快速自起動(dòng)的發(fā)電機(jī)組,起動(dòng)時(shí)間不超過15 s[8]。

為避免星三角起動(dòng)出現(xiàn)過高的轉(zhuǎn)換電流峰值,應(yīng)急給水泵采用自耦變壓器起動(dòng)方式。與廠區(qū)內(nèi)消防泵采用同樣的起動(dòng)方式,提高可靠性,降低管理維護(hù)的難度。

為簡化操作流程,減少操作人員的判斷時(shí)間,提高應(yīng)急供電的可靠性,兩面控制柜(AC01、AC02)內(nèi)均設(shè)置具有自投自復(fù)功能的PC級(jí)雙電源轉(zhuǎn)換開關(guān),在自動(dòng)模式下,正常電源切換至備用電源時(shí)間延時(shí)可選擇0～30 s不同檔位,完全滿足時(shí)間要求。

5 結(jié) 語

供電區(qū)域和設(shè)備的負(fù)荷分級(jí)除了嚴(yán)格遵守規(guī)范的規(guī)定外,還應(yīng)關(guān)注外線電源分布及之間關(guān)系、工程自身需求、區(qū)域內(nèi)設(shè)備運(yùn)行特點(diǎn)、運(yùn)營方反映情況、建設(shè)經(jīng)濟(jì)性等多方面去評(píng)估負(fù)荷等級(jí)。

工程中除了規(guī)范規(guī)定的特別重要負(fù)荷外,某些設(shè)備在關(guān)鍵時(shí)刻可以起到重要的作用,例如可以提高系統(tǒng)的安全性、可靠性,避免產(chǎn)生損失,這個(gè)損失可能是保障這些設(shè)備正常運(yùn)行價(jià)值的數(shù)倍,則可以將其定義為特別重要的負(fù)荷,這種做法也是價(jià)值工程在工程建設(shè)中的實(shí)際應(yīng)用。結(jié)合該工程的實(shí)際情況,應(yīng)急供水系統(tǒng)是避免鍋爐因高溫、干燒而造成巨大經(jīng)濟(jì)損失的重要保障,即使外線電源滿足一級(jí)負(fù)荷要求,考慮其價(jià)值,也建議配置。