天然气分布式能源项目电气主接线设计研究

天然气分布式能源项目电气主接线设计研究

杨毅涛

身份证号码：3305211991****4612

摘要：天然气分布式能源项目具有建设周期短、初步投资低、占地面积少、机组启动快的特点，加之推进行动计划和蓝天保卫战的政策影响。IDC数据中心与天然气分布式能源站结合的新型发展模式，推动了清洁能源与IDC产业的结合，进一步促进了能源供求与节能减排的协调发展。某天然气分布式能源项目以天然气“西气东输”工程为支撑，根据所在数据中心冷负荷及用电需求，并考虑供能稳定性的要求，按照“以冷定电”的原则，建设一座以燃气内燃机组发电，烟气-热水型溴化锂机组及离心式电制冷机组作为供冷设备，蓄冷水罐作为供冷储能设备，柴油发电机组作为应急供电设备的冷电二联供的天然气分布式能源站，综合能源利用效率为85%。

关键词：天然气分布式能源；项目；电气主接线；设计；

前言：目前在经济发达地区，传统数据中心由于能耗问题已很难通过当地政府的节能评估审核。因此引入天然气分布式能源系统就地向数据中心提供电力和制冷量，不仅有利于提高数据中心的可靠性，更关键是实现了能源梯级利用和电力就地消纳，有效地降低能源消耗，提升数据中心的能源利用效率，降低PUE数值，对提高区域能源综合利用率均具有积极作用。

一、天然气分布式能源系统简介

    应用天然气分布式能源系统的数据中心通常分为能源站、IDC楼、变电站三大部分，其中能源站由燃气内燃机发电机组、 烟气-热水型溴化锂制冷机组（以下简称“溴机”）、 离心式电制冷机组（以下简称“电制冷”）、 柴油发电机组以及相关辅助设备组成。燃气内燃机发电机组以天然气为燃料，在发电的同时提供热能（高温烟气和缸套水）作为溴机的制冷热源，制取冷冻水向数据中心供冷，满足数据中心的电量及冷量需求。能源站的正常运行方式采用“以冷定电”，即燃气内燃发电机组与市电并网运行，其出力根据数据中心冷量需求的变比进行调节，所发电量扣除能源站自用电后通过变电站10kV母线送至IDC 楼，基本可以满足IDC楼约80%尖峰电力负荷的需求，IDC楼电力缺额部分由市电补充。当市电失去时，由能源站内的燃机气内燃发电机组和应急柴油发电机组共同为整个数据中心提供应急电源。具体电力、 冷能供应流程见图 1。

（天然气分布式能源系统框图）

二、天然气分布式能源项目电气主接线设计

1.鉴于出线电压等级为110kV，该电压等级 GIS设备为三相共气室，与传统敞开式升压站相比较，具有占地面积小、造价低的特点。设备工作环境的湿度不超80%，温度 -10~40℃，根据地区气候环境报告选用户外 GIS 布置方式。该项目出线对侧为某变电站，由于该项目有9台燃气内燃发电机组，厂用电系统无公用段具有独立性，参考《小型火力发电厂设计规范》经过技术经济对比，选择单母分段接线方式。在设计阶段，参考国家能源局出线电压互感器及避雷器间隔在原设计基础上增设了独立的隔离开关，形成单独气室以方便安装、检修、试验。

2.主变压器。该项目全厂2台三相双绕组自然冷却有载调压变压器分别为57MW、44MW，未配置启备变，采用主变有载调压倒送电方式进行机组启动。原设计方案为三绕组变压器，燃气内燃发电机分别接入2台变压器的两个低压侧，用于降低短路电流水平。参考《小型火力发电厂设计规范》主变压器宜采用双绕组变压器，同时经过市场调研，国内小型火电三绕组变压器存在问题较多，该项目如果变压器故障检修，将影响机组发电，尤其会受到用户考核，故选用双绕组变压器以保证供热可靠性。每套机组的燃气内燃发电机以扩大单元接线方式接入主变低压侧，且有厂用分支引出。根据该项目接入系统方案评审意见报告中要求：110kV 电气设备短路电流水平按40kA 设计，经设计院计算，提供两种方案：主变压器短路阻抗分别为20% 和16% ；主变短路阻抗均为10.5%，厂用分支引出增设电抗器。经了解主变压器20% 短路阻抗较10.5% 价格高出约10%，综合考虑电抗器维护成本，以及简化系统的想法，选用第一种设计方案。主变高压侧电缆终端原设计为户外干式电缆终端，110kV 及以上电压等级电缆线路不应选择户外干式柔性终端。经了解，110kV 及以上电缆户外干式电缆终端柔性材料为硅橡胶，故障率偏高，存在以下不足：目前该终端大部分是先安装附件、后吊装固定，易产生应力锥移位；该终端存在固定不牢、角度不一的问题，终端弯曲角度过大或大风天气易导致电场畸变或应力锥位移，两种情况严重时导致终端击穿。故选用户外刚性充油式电缆终端。

3.主接线其他参考。电气主接线是构成电力系统主要环节，对后续设计如厂用系统、保护配置等有较大影响。参照其他项目，提供另外两种主接线形式并分析优缺点，注意电气主接线设计需考虑与工艺系统的配合，提高相关性。两台主变 + 内桥接线（方案一）：高压断路器数量少，四个回路只需三台断路器，节省投资。没有汇流母线，当一回线路故障，不影响机组正常运行。占地面积小 ；变压器的切除和投入较复杂，需动作两台断路器，影响一回线路的暂时停运。桥连断路器检修时，两个回路需解列运行，此时线路故障相应机组须停机。三台主变 + 单母接线（方案二）：接线简单清晰、设备少、操作方便、便于扩建；当母线或母线隔离开关故障或检修时，均需使整个配电装置停电。

4.发电机出口断路器（GCB）。根据《小型火力发电厂设计规范》发电机与一台变压器做扩大单元连接时，应装设发电机出口断路器。装设 GCB后，机组正常启动或停机的厂用电源可以通过有载调压主变压器从系统倒送，节省一台启备变。根据公司提供的资料显示，额定电流超过4000A 时 GCB 需选用六氟化硫为绝缘介质的断路器，低于4000A 时，真空断路器则满足动、热稳定电流的要求，而该项目发电机出口电流最大为2089A，故选用额定电流为3150A 真空发电机出口专用断路器。

5.厂用电系统。该项目辅机数量多、容量较小，主机提供的电机容量最大的为冷却水泵100kW，属于400V 电源，10kV 站用段负荷为功率为760kW电制冷压缩机。燃气内燃发电机组共设设两条10kV母线，同时设置联络开关，互为备用电源。10kV站用A、B两段通过馈线及进线开关与10kV发电机母线A段连接，10kV站用A、B两段各配置两套容量为2500kVA 低压厂用，为低压厂用负荷供电。四套低压厂变两两互为备用，分段断路器采用手动切换方式。低压厂用工作变低压侧也为扩大单元接线方式，分别设置工作 PC1 A、1B、2A、2B段。MCC各段由PC1A、1B、2A、2B段提供电源。原设计方案中，低压厂用工作变为单元接线方式，仅二段 PC 段，分析有如下问题：将辅机及工作变接于同一母线上，母线额定电流大，相对两条母线上增加的进线间隔、PT间隔价格差距不大； MCC段分别由两段 PC 段提供电源提高了设备可靠性，一段母线失电的情况下可由另一段母线继续带电运行，可理解MCC段辅机均由双电源供电。

结束语：随着大数据和云计算应用的快速发展，大规模、高等级数据中心的建设需求日益增长，天然气分布式能源项目作为一种新兴的、智慧的能源供应方式，具有良好的社会效益。然而由于传统数据中心高耗能的缺点，项目在经济发达地区的落地已十分困难，天然气分布式能源项目与数据中心相结合的方式为解决这一难题提供了一种新的途径。在此类项目中，将数据中心高可靠性要求与天然气分布式能源项目设计理念两者有机结合。

参考文献：

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