1 引言
隨著水運(yùn)港口行業(yè)的快速發(fā)展，以及高自動(dòng)化用電設(shè)備的應(yīng)用，對(duì)供電可靠性的要求不斷提高，特別是針對(duì)國(guó)外項(xiàng)目，如非洲、東南亞等基礎(chǔ)設(shè)施相對(duì)落后的地域，社會(huì)電網(wǎng)相對(duì)匱乏，無(wú)法滿足港口碼頭設(shè)備用電需求。因此，為滿足作業(yè)設(shè)備的可靠性供電需求，越來(lái)越多的碼頭項(xiàng)目中需要設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)組。
碼頭10kV 進(jìn)線電源一般引自同一變電站，滿足不了系統(tǒng)雙回路電源供電的可靠性，而從不同變電站引入雙回路電源十分困難且造價(jià)高?？紤]到設(shè)備成本及施工便捷性等因素，小型油碼頭、重件配套碼頭等用電設(shè)備較少的工程主要采用低壓柴油發(fā)電機(jī)組，大型工業(yè)園、自貿(mào)區(qū)以及集裝箱碼頭等項(xiàng)目中，用電設(shè)備較大且作業(yè)頻繁，應(yīng)考慮采用高壓柴油發(fā)電機(jī)組作為備用電源系統(tǒng)。
本文結(jié)合巴基斯坦瓜達(dá)爾自由區(qū)起步區(qū)項(xiàng)目的工程實(shí)踐，討論在水運(yùn)港口項(xiàng)目中使用高壓柴油發(fā)電機(jī)組的可行性，進(jìn)而推廣高壓柴油發(fā)電機(jī)組在水運(yùn)港口項(xiàng)目中的應(yīng)用。
2 發(fā)電機(jī)系統(tǒng)容量選擇
發(fā)電機(jī)系統(tǒng)容量是柴油發(fā)電機(jī)組供電系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)，需要考慮的因素較多，如要滿足消防負(fù)荷容量需求、滿足電機(jī)啟動(dòng)時(shí)電流沖擊、滿足季節(jié)性負(fù)荷運(yùn)行需求等，這些都需要進(jìn)行準(zhǔn)確的負(fù)荷計(jì)算才能確定。另外，柴油發(fā)電機(jī)組功能不同，選擇容量時(shí)參考的數(shù)據(jù)亦不相同，如柴油發(fā)電機(jī)組作為消防電源備用電源時(shí)，僅需考慮消防時(shí)消防負(fù)荷以及重要負(fù)荷即可，消防時(shí)需要切除的負(fù)荷不需要考慮；柴油發(fā)電機(jī)組作為常用電源時(shí)，則需要考慮系統(tǒng)所有用電負(fù)荷。
2.1 柴油發(fā)電機(jī)組容量選擇的原則
根據(jù)本工程實(shí)際情況，暫無(wú)外部電源作為本工程用電電源，即本工程柴油電機(jī)組系統(tǒng)是常用電源。在選擇確定柴油發(fā)電機(jī)組容量時(shí)，應(yīng)遵循以下原則：
1）柴油發(fā)電機(jī)組的容量應(yīng)根據(jù)用電負(fù)荷大小、投入順序及單臺(tái)發(fā)電機(jī)組最大啟動(dòng)容量等因素綜合考慮【1】。
2）校驗(yàn)發(fā)電機(jī)的短時(shí)過(guò)載能力時(shí)，應(yīng)選用發(fā)電機(jī)組最大視在功率。
3）不考慮短時(shí)不連續(xù)運(yùn)行的負(fù)荷。
4）啟動(dòng)時(shí)母線電壓不低于額定電壓的75%。
2.2 發(fā)電機(jī)系統(tǒng)容量計(jì)算確定
不同計(jì)算方式得出的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)容量不同，具體如下：
1）按照供電系統(tǒng)穩(wěn)定負(fù)荷計(jì)算，見(jiàn)式（1）：
Sc1= pε/ ηεcosψ （1）
式中，pε 為總負(fù)荷，kW；ηε 為所帶負(fù)荷的綜合效率，一般取0.82～0.88；cosψ 為功率因數(shù)，一般取0.8。
2）按尖峰電流計(jì)算，見(jiàn)式（2）：
Sc2= Kj（ S0+Smax ）/ Kg （2）
式中，Kj為電動(dòng)機(jī)功率下降的系數(shù)，一般取0.9～0.95；S0為Smax投入運(yùn)行前已投入運(yùn)行的負(fù)荷容量，kV·A；Smax為最大單臺(tái)電動(dòng)機(jī)或成組電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)容量，kV·A；Kg 為發(fā)電機(jī)允許的短時(shí)過(guò)載系數(shù)，一般取1.4～1.6。
3）按母線允許壓降計(jì)算，見(jiàn)式（3）：
Sc3= Kj（ 1-ΔU）Xd′ Sst / ΔU （3）
式中，ΔU 為發(fā)電機(jī)母線允許電壓降，一般取0.2；Xd′為發(fā)電機(jī)瞬態(tài)電抗，一般取0.2；SstΔ為導(dǎo)致發(fā)電機(jī)最大電壓降的電動(dòng)機(jī)的最大啟動(dòng)容量，kV·A。
巴基斯坦瓜達(dá)爾自由區(qū)起步區(qū)項(xiàng)目中，輸入各項(xiàng)用電負(fù)荷，通過(guò)計(jì)算得：Sc1=7932kV·A，Sc2=3637kV·A，Sc3=4 849kV·A。故選擇的發(fā)電機(jī)組總?cè)萘浚? 932kV·A 即可。
考慮到發(fā)電機(jī)組并機(jī)問(wèn)題，選擇的發(fā)電機(jī)臺(tái)數(shù)越少，系統(tǒng)運(yùn)行故障率越低，可靠性越高，故應(yīng)選擇單臺(tái)大容量發(fā)電機(jī)組。通過(guò)對(duì)比單臺(tái)發(fā)電機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)，如發(fā)電機(jī)耗油量、機(jī)組尺寸等，同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性，柴油發(fā)電機(jī)組的主用功率選擇為1 250kW/1600kV·A，數(shù)量為5 用1 備。
3 發(fā)電機(jī)系統(tǒng)并機(jī)設(shè)計(jì)
本工程共有6 臺(tái)高壓柴油發(fā)電機(jī)，并機(jī)系統(tǒng)是此發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，發(fā)電機(jī)系統(tǒng)有自同期和準(zhǔn)同期2 種并列方法。準(zhǔn)同期并列法在發(fā)電機(jī)并機(jī)系統(tǒng)中被廣泛采用，其有手動(dòng)、半自動(dòng)及自動(dòng)3 種實(shí)現(xiàn)方式。在本工程中，采用的是自動(dòng)準(zhǔn)同期并列法。
本工程選用全自動(dòng)并機(jī)控制屏，可與選定的柴油發(fā)電機(jī)組配套使用，控制多臺(tái)發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)并機(jī)運(yùn)行。自動(dòng)并機(jī)控制屏具有機(jī)組自動(dòng)同步并車、自動(dòng)負(fù)載分配、并機(jī)自動(dòng)裝卸載、逆功保護(hù)、油機(jī)各故障保護(hù)、負(fù)載過(guò)載保護(hù)等一系列功能[2]。自動(dòng)并機(jī)控制屏選用智能控制器，采用西門(mén)子工業(yè)PLC編程控制。全自動(dòng)并機(jī)控制屏可實(shí)現(xiàn)以下功能。
3.1 自動(dòng)并機(jī)
機(jī)組啟動(dòng)成功后，并機(jī)柜受電；需要并機(jī)時(shí)，由同步器檢測(cè)信號(hào)，將需要并機(jī)機(jī)組的頻率和相位自動(dòng)調(diào)節(jié)與母線一致，發(fā)出信號(hào)，完成并機(jī)。
3.2 自動(dòng)分配負(fù)荷
當(dāng)多臺(tái)機(jī)組并列運(yùn)行，負(fù)荷分配器將作用控制器，根據(jù)機(jī)組以及用電負(fù)荷的功率平均分配每臺(tái)機(jī)組所帶負(fù)荷。
3.3 調(diào)峰
當(dāng)多臺(tái)機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，可根據(jù)供電系統(tǒng)負(fù)荷率的大小，增減發(fā)電機(jī)機(jī)組的臺(tái)數(shù)，并根據(jù)用戶需求自行設(shè)定單臺(tái)機(jī)組負(fù)荷率。本工程設(shè)定為：若負(fù)荷率＜35%時(shí)，機(jī)組解列；若負(fù)荷率＞80%，增加機(jī)組，以使機(jī)組運(yùn)行在最經(jīng)濟(jì)的狀態(tài)。
4 發(fā)電機(jī)系統(tǒng)差動(dòng)保護(hù)整定計(jì)算
本工程采用獨(dú)立的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)作為整個(gè)工業(yè)園區(qū)的電源系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，決定整個(gè)工業(yè)園區(qū)用戶用電質(zhì)量。為保證發(fā)電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，同時(shí)降低發(fā)電機(jī)故障率，設(shè)置發(fā)動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)。差動(dòng)保護(hù)能否可靠動(dòng)作取決于差動(dòng)保護(hù)整定計(jì)算。如表1 所示為發(fā)電機(jī)出廠參數(shù)。
表1 發(fā)電機(jī)性能參數(shù)表
圖片
根據(jù)發(fā)電機(jī)性能參數(shù)，結(jié)合本工程所在地環(huán)境以及當(dāng)?shù)仉娏ο到y(tǒng)一般運(yùn)行規(guī)定，本工程發(fā)電機(jī)系統(tǒng)差動(dòng)保護(hù)計(jì)算如下。
4.1 比率制動(dòng)系數(shù)
比率制動(dòng)系數(shù)Kz 整定原則：應(yīng)按躲過(guò)三相短路時(shí)產(chǎn)生的最大不平衡電流來(lái)整定。通常，對(duì)發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)0.3≤Kz≤0.5，根據(jù)實(shí)際情況，本工程取0.42。
4.2 差動(dòng)保護(hù)啟動(dòng)電流
啟動(dòng)電流Iq整定原則：按照躲過(guò)正常工況下最大不平衡電路來(lái)整定；差動(dòng)保護(hù)裝置中通道回路的調(diào)整誤差以及兩側(cè)電流互感器的變比誤差都會(huì)產(chǎn)生保護(hù)不平衡電流。本工程取Iq=1.1A。
靈敏度校驗(yàn)：靈敏系數(shù)Ksen為按照發(fā)電機(jī)端兩相短路時(shí)，短路電流與差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作電流的比值，要求Ksen≥2【3】。經(jīng)校驗(yàn)，本工程Ksen=15≥2，靈敏度滿足要求。
4.3 拐點(diǎn)電流
差動(dòng)保護(hù)開(kāi)始產(chǎn)生制動(dòng)作用的電流取決于拐點(diǎn)電流Ig 的大小。本工程取Ig=1.94A，經(jīng)校驗(yàn)，Ksen=9.5≥2，靈敏度滿足要求。
4.4 差動(dòng)速斷保護(hù)
差動(dòng)速斷保護(hù)，應(yīng)按躲過(guò)三相短路時(shí)最大不平衡差流來(lái)整定。為保證可靠，一般取差動(dòng)速斷倍數(shù)為3～12，本工程取3。故速斷差動(dòng)電流Is=8.3A，取8A；經(jīng)校驗(yàn)，Ksen=2.1≥2，靈敏度滿足要求。
表2 所示為發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)整定值計(jì)算表，現(xiàn)場(chǎng)柴油發(fā)電機(jī)組及高低壓開(kāi)關(guān)柜安裝完成后，可根據(jù)此整定值計(jì)算表進(jìn)行校驗(yàn)定值。
表2 發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)整定值計(jì)算表
圖片
5 結(jié)語(yǔ)
通過(guò)對(duì)11kV 高壓發(fā)電機(jī)機(jī)組容量確定、設(shè)備選型、并機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、差動(dòng)保護(hù)整定計(jì)算等，完成了巴基斯坦瓜達(dá)爾自由區(qū)起步區(qū)項(xiàng)目中11kV 高壓發(fā)電機(jī)獨(dú)立供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。目前該項(xiàng)目已完成施工，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)調(diào)試，結(jié)果表明發(fā)電機(jī)供電系統(tǒng)保證自貿(mào)區(qū)滿負(fù)荷供電，6 臺(tái)發(fā)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)并機(jī)并且可以自動(dòng)分配負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)了本工程供電系統(tǒng)的預(yù)期功能。隨著高壓柴油發(fā)電機(jī)技術(shù)的不斷改進(jìn)完善，相信高壓柴油發(fā)電機(jī)組在水運(yùn)港口領(lǐng)域的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛。
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【作者簡(jiǎn)介】柴治國(guó)（1990~），男，河南睢縣人，工程師，從事供配電設(shè)計(jì)與研究。
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