造紙熱電廠(chǎng)直流系統(tǒng)屏更新改造設(shè)計(jì)方案淺析

1　老式直流系統(tǒng)屏存在的缺點(diǎn)

　　造紙熱電廠(chǎng)原用的直流系統(tǒng)屏為老式直流系統(tǒng)屏(同一屏為雙母線(xiàn)結(jié)線(xiàn)，采用直流發(fā)電機(jī)及硅充電裝置)。從超過(guò)30 a的運(yùn)行情況來(lái)看，主要存在的缺點(diǎn)或不足之處如下。

1.1　雙工作母線(xiàn)結(jié)線(xiàn)布置復(fù)雜

　　因直流屏采用雙工作母線(xiàn)結(jié)線(xiàn)，6根直流母線(xiàn)水平布置于屏頂上(根據(jù)控制、信號(hào)音響的需要，直流母線(xiàn)上還設(shè)有8根小母線(xiàn))。在同一塊屏上，有兩組母線(xiàn)的饋線(xiàn)回路或電源與饋線(xiàn)回路相混合布置。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)接觸不良等缺陷時(shí)，往往因結(jié)線(xiàn)復(fù)雜和設(shè)備間距小，而使缺陷難以處理。

1.2　儀表和燈光信號(hào)難以維護(hù)

　　老式的直流屏，其屏的正面都不采用活動(dòng)門(mén)的型式。這樣，裝于屏面上的儀表、信號(hào)燈等設(shè)備，往往損壞后不能更換。

1.3　直流發(fā)電機(jī)維護(hù)工作量和耗能大

　　茂名熱電廠(chǎng)原使用同軸電動(dòng)直流發(fā)電機(jī)組及GVA型硅整流裝置擔(dān)負(fù)直流系統(tǒng)經(jīng)常負(fù)荷及作為蓄電池的核對(duì)性充電設(shè)備。配有1臺(tái)Z2-17，15 kW的直流發(fā)電機(jī)，由J2-62-4，17 kW的電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，當(dāng)直流電機(jī)持續(xù)運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)月耗電量約12 MWh，影響節(jié)能降耗，且整流子碳刷易冒火花，需經(jīng)常維護(hù)。當(dāng)使用GVA型硅充電裝置擔(dān)負(fù)直流系統(tǒng)的經(jīng)常負(fù)荷時(shí)，由于硅整流裝置不能自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出，直流系統(tǒng)負(fù)荷突變時(shí)(如汽機(jī)啟動(dòng)直流油泵)，若不及時(shí)調(diào)整硅裝置的輸出，將會(huì)導(dǎo)致母線(xiàn)電壓偏低，致使蓄電池過(guò)放電，嚴(yán)重時(shí)影響繼電保護(hù)裝置的正常工作。當(dāng)蓄電池進(jìn)行核對(duì)性放電時(shí)，因硅裝置為不可逆式，無(wú)法作為蓄電池的放電負(fù)載，蓄電池須在空母線(xiàn)的前提下另接電阻作負(fù)載進(jìn)行放電，而母線(xiàn)的倒閘操作較復(fù)雜，容易出現(xiàn)錯(cuò)漏。

1.4　絕緣監(jiān)察裝置動(dòng)作靈敏度低

　　老式直流系統(tǒng)屏采用電磁式絕緣監(jiān)察裝置反映直流系統(tǒng)的接地狀況。從茂名熱電廠(chǎng)多年的運(yùn)行情況來(lái)看，該裝置能正確反映單極明顯的接地現(xiàn)象，但當(dāng)兩極的絕緣都下降時(shí)，卻不能準(zhǔn)確反映。

2　新直流屏的設(shè)計(jì)原則

　　茂名熱電廠(chǎng)為早期發(fā)電廠(chǎng)，機(jī)組控制模式采用原蘇聯(lián)早期形式，即電氣系統(tǒng)采用集中控制，60年代投運(yùn)的1號(hào)、2號(hào)機(jī)組，機(jī)、爐采用分散控制，70年代的3號(hào)、4號(hào)機(jī)組，機(jī)、爐采用集中控制。因此，對(duì)于現(xiàn)代機(jī)組普通采用的單元機(jī)組獨(dú)立的直流系統(tǒng)方式將無(wú)法實(shí)現(xiàn)，只能根據(jù)該廠(chǎng)的實(shí)際情況，采用全廠(chǎng)統(tǒng)一布置的直流系統(tǒng)方式。

2.1　接線(xiàn)方式

　　新的直流屏采用單母線(xiàn)分段的接線(xiàn)方式，兩組蓄電池經(jīng)聯(lián)絡(luò)刀開(kāi)關(guān)進(jìn)行連接。為防止兩組蓄電池并列運(yùn)行，聯(lián)絡(luò)刀開(kāi)關(guān)與蓄電池電源刀開(kāi)關(guān)之間應(yīng)設(shè)有閉鎖措施。

2.2　屏上設(shè)備布置

　　做到簡(jiǎn)單清晰，電源(充電設(shè)備和蓄電池)、饋線(xiàn)、事故照明裝置布置于各自的屏上。帶有儀表及燈光信號(hào)的屏面，使用活動(dòng)門(mén)的型式。

2.3　充電裝置

　　選用可控可逆式硅充裝置，實(shí)行負(fù)荷自動(dòng)跟蹤，保證直流母線(xiàn)的電壓質(zhì)量。當(dāng)蓄電池進(jìn)行核對(duì)性放電時(shí)，硅裝置工作于整流的逆變狀態(tài)，蓄電池不用另接電阻作為放電負(fù)載。

2.4　蓄電池組

　　原則上選用免維護(hù)密封式蓄電池，當(dāng)原GGM-800型蓄電池組經(jīng)校驗(yàn)后，仍滿(mǎn)足直流系統(tǒng)的要求時(shí)，可暫不更換。

2.5　絕緣監(jiān)察裝置和饋線(xiàn)開(kāi)關(guān)

　　原則上選用90年代技術(shù)先進(jìn)、成熟可靠的設(shè)備。例如，選用由CMOS集成電路組成的ZJJ-1型絕緣監(jiān)察裝置，該裝置在直流兩極絕緣均等下降時(shí)都能正確動(dòng)作發(fā)信。

3　新直流系統(tǒng)屏的設(shè)備選型

3.1　直流系統(tǒng)負(fù)荷

　　經(jīng)統(tǒng)計(jì)，直流系統(tǒng)各類(lèi)負(fù)荷如表1。

　　因茂名熱電廠(chǎng)為中型火力發(fā)電廠(chǎng)，且與系統(tǒng)相連，所以蓄電池事故放電時(shí)間考慮為1 h。對(duì)于汽輪機(jī)潤(rùn)滑油泵，因?yàn)槭歉邷?、高壓機(jī)組，故其事故計(jì)算時(shí)間為1.0 h，直流潤(rùn)滑油泵的K值取0.8，密封油泵的K值取0.7計(jì)算。沖擊負(fù)荷考慮為1臺(tái)最大合閘電流的斷路器合閘。

3.2　蓄電池組的選擇

3.2.1按事故持續(xù)放電狀態(tài)選擇

tj=KkQsg/Isg=1.1×307 Ah/306 A=1.1 h

式中　tj——GGM型蓄電池假想時(shí)間，h；
Kk——可靠因數(shù)，取1.1；
Qsg——事故負(fù)荷計(jì)算容量，Ah；
Isg——事故放電電流，A。
　　 查《電力工程設(shè)計(jì)手冊(cè)》(西北電力設(shè)計(jì)院、東北電力設(shè)計(jì)院主編)中P769曲線(xiàn)表，得Idj=16.8 A，則

Qe≥36Isg/Idj=(36×306/16.8)Ah=658 Ah

式中　Qe——蓄電池的10 h放電容量，Ah；
Idj——單位容量蓄電池在放電假想時(shí)間內(nèi)所允許的放電電流，A。
　　 選用720 Ah的蓄電池即可。原選用的蓄電池為GGM-800型可滿(mǎn)足要求。
3.2.2按最大沖擊電流選擇

Qe≥0.78(Isg+Ich)=［0.78×(306+235)］ Ah=422 Ah

　　根據(jù)計(jì)算結(jié)果，蓄電池的容量按事故持續(xù)放電狀態(tài)下計(jì)算選擇。原運(yùn)行的GGM-800型蓄電池組仍滿(mǎn)足負(fù)荷的要求。

3.2.3直流電壓水平校驗(yàn)(以GGM-800型為例)

a)按事故放電初期，蓄電池突然承受放電電流的電壓水平驗(yàn)算：

Kcho=Iso/C10=609 A/800 Ah=0.76 h-1

式中　Kcho——單位容量蓄電池放電初期放電系數(shù)，h-1。
　　 查GGM型蓄電池短時(shí)沖擊放電曲線(xiàn)表得：

表1　直流系統(tǒng)各類(lèi)負(fù)荷

負(fù)荷名稱(chēng)計(jì)算容量
/kW 經(jīng)常負(fù)荷
/A (事故負(fù)荷)/(初期Iso/A持續(xù)Is/A沖擊Ich/A) 事故時(shí)間
/h 事故放電
容量/Ah
經(jīng)常負(fù)荷 7.2 33 33 33 — 1 33
事故照明 25 — 114×0.6 114×0.6 — 1 68
通信備用電源 3 — 14×0.5 14×0.5 — 1 7
熱工備用電源 3 — 14×0.5 14×0.5 — 1 7
直流潤(rùn)滑油泵 80×0.8 — 728×0.5 291×0.5 — 1 146
直流密封油泵 20.1×0.7 — 260×0.5 91×0.5 — 1 146
斷路器合閘電流 — — — — 235 — —
合計(jì) — 33 609 306 235 — 307

Kcho=0.76 h-1 時(shí)，Ucho=1.86 V，則直流母線(xiàn)電壓為
=106×1.86 V=197.16 V＞0.85Ue

式中　Ucho——單位容量電池沖擊負(fù)荷初期端電壓，V；
N——浮充電池個(gè)數(shù)；
Ue——直流母線(xiàn)額定電壓，V。
b)按事故放電末期，蓄電池再承受沖擊負(fù)荷時(shí)的電壓驗(yàn)算：

Km=Is/C10=306 A/800 Ah=0.38 h-1

Kchm=Ich/C10=235 A/800 Ah=0.29 h-1

式中　Km——單位容量蓄電池持續(xù)放電系數(shù)，h-1；
Kchm——單位容量蓄電池沖擊放電末期放電系數(shù)，h-1。
查有關(guān)曲線(xiàn)得Uchm=1.72 V，則直流母線(xiàn)電壓為

=106×1.72 V=182.32 V

0.80Ue＜＜0.85 Ue

式中　Uchm——單位容量蓄電池沖擊負(fù)荷末期端電壓，V。

　　從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，選取蓄電池為800 Ah時(shí)，按事故放電的末期，蓄電池再承受沖擊負(fù)荷時(shí)，母線(xiàn)電壓為182.32 V，能滿(mǎn)足斷路器的合閘電壓要求，但難以滿(mǎn)足直流油泵的運(yùn)行要求(直流油泵運(yùn)行允許電壓范圍為(-10%～+10%)Ue間)。蓄電池的容量應(yīng)選大一級(jí)為宜，即C10=1 000 Ah。但上述校驗(yàn)為運(yùn)行中的極端情況，運(yùn)行中出現(xiàn)的概率極少，當(dāng)出現(xiàn)時(shí)可通過(guò)調(diào)整蓄電池組的放電個(gè)數(shù)來(lái)滿(mǎn)足直流油泵的運(yùn)行。故原選用的GGM-800 型蓄電池可滿(mǎn)足要求。但原用的GGM-800 型Ⅰ、Ⅱ組蓄電池運(yùn)行時(shí)間已達(dá)10 a以上，受蓄電池自放電、過(guò)放電及電極純化等影響，蓄電池陰、陽(yáng)極板脫落滲液嚴(yán)重，電池難以滿(mǎn)足充電，可靠性大大降低。因此，利用改造機(jī)會(huì)將Ⅰ、Ⅱ組蓄電池更換為英國(guó)進(jìn)口的VH34-1000 型免維護(hù)蓄電池。

3.2.4蓄電池的個(gè)數(shù)

　　蓄電池個(gè)數(shù)為：　N=230/1.85=124，其中基本電池?cái)?shù)為88個(gè)，端電池?cái)?shù)為36個(gè)。

3.3　充電設(shè)備的選擇

3.3.1核對(duì)性充電設(shè)備

　充電設(shè)備的額定電流

a)按事故放電后進(jìn)行充電的要求選擇充電設(shè)備，計(jì)算公式為：

Ic=1.1Qsg/t+Ijc=1.1×307 Ah/12 h+33A=61 A

式中　Ijc——浮充電設(shè)備的工作電流，A；
Ic——充電設(shè)備應(yīng)具備的輸出電流，A。
b)考慮核對(duì)性充放電，按最大充電電流選擇，

Ic=0.1Qe+Ijc=(0.1×800+33)A=113 A

故充電設(shè)備的額定輸出電流應(yīng)大于113 A。

　充電設(shè)備的輸出電壓范圍

　　對(duì)有端電池的直流系統(tǒng)，充電設(shè)備的電壓應(yīng)滿(mǎn)足蓄電池充電末期的電壓選擇。即：

Uc=N×Ucm=124×2.4 V=297.6 V

式中　Uc ——充電設(shè)備輸出電壓，V；
Ucm——蓄電池滿(mǎn)充電端電壓，V。
　　 取最大一級(jí)，即360 V。
　　 充電設(shè)備容量：Pc=IcUcm=113 A×360 V=41 kW。

　　不考慮選用直流發(fā)電機(jī)，應(yīng)選用的硅整流裝置為KGCfA-150/360，則額定輸出電流為150 A，最高輸出電壓為360 V。

3.3.2浮充電設(shè)備

　　浮充電設(shè)備持續(xù)負(fù)荷電流Ifc為Ifc=0.004 2Qe+Ijc=(0.004 2×1 000+33)A=37.2 A

　　浮充電設(shè)備正常工作容量Pfc為Pfc=IfcUcm=37.2 A×360 V=14 kW

　　按核對(duì)性充電設(shè)備選得的KGCfA-150/360可滿(mǎn)足蓄電池浮充電要求。

4　結(jié)束語(yǔ)

　　通過(guò)分析茂名熱電廠(chǎng)老式直流系統(tǒng)屏存在的缺點(diǎn)或不足之處，提出了其更新、改造的設(shè)計(jì)方案。新設(shè)計(jì)的直流系統(tǒng)屏既滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)性、可靠性、技術(shù)性的要求，又美觀大方，維護(hù)方便。該直流系統(tǒng)自1997年初全部改造(包括將原用的GGM-800型蓄電池更換為VH34-1000 型免維護(hù)電池)投運(yùn)以來(lái)，運(yùn)行情況良好，解決了過(guò)去可靠性低、維護(hù)困難、直流系統(tǒng)絕緣差、充電機(jī)因大電流開(kāi)關(guān)合閘經(jīng)常跳閘等一系列問(wèn)題，在該廠(chǎng)的安全發(fā)、供電方面發(fā)揮了重要的作用。