某冷热电联供项目电气主接线设计分析

1 三联供项目概述

（1）前言

天然气冷热电联供系统CCHP（Combined Cooling, Heating and Power），是指利用先进的燃气轮机或者燃气内燃机燃烧天然气发电，另一方面回收余热，经过烟气吸收式冷温水机组提供冷(热),同时为一个片区实现供冷、供暖、供电，实现能源的梯级利用。能源利用效率提升至80%以上。从经济性考虑，燃气三联供系统CCHP更适合于冷热电负荷相对稳定，常年需要供冷或者供热的项目。燃气三联供系统CCHP一方面由于使用天然气取代了煤发电，大幅度降低了SO2，CO2，烟尘和NOX的排放，另一方面由于系统自身能耗在合适的场合及设计下低于常规能源系统，在环境保护上有优势。中央商务区CBD(Central Business District)是城市的功能核心，是城市经济、科技、文化的密集区，集中了大量的金融、商贸、文化、服务以及商务办公和酒店、公寓等设施。具有长期稳定的冷、热、电负荷，同时对环境保护有很高的要求，符合三联供系统的功能特点。

（2）冷热电三联供（CCHP）应用概况

由于天然气冷热电联供系统CCHP具有能源利用效率高，环境负面影响小，有力地平衡燃气电力能源负荷，提高区域电网可靠性，经济效益好等特点。在国外发展迅速，从20世纪70年代能源危机开始，到现在美国已经有6000多座分布式能源站，仅大学校园就有200多个。美国能源部提出“CCHP2020年纲领”：2020之前，50%的新建商业建筑、学校采用CCHP系统；15%的已建商业建筑、学校采用CCHP系统。英国累计CCHP的设备已经超过了1000个，英国王室的白金汉宫、首相的唐宁街10号官邸，都采用了燃气轮机分布式能源站。丹麦的热电联供项目在电力系统总装机的比重已经超过60%.丹麦和荷兰通过补贴税收或电力法的形式鼓励热电联供支持。日本三联供系统是仅次于燃气、电力的第三大公用事业，到2003年底已建冷热电三联供系统2915个，平均容量490kW，广泛应用于办公楼、医院及其它一些综合设施中，而且多采用基于内燃机的冷热电三联供系统1，2。目前，我国三联供还处于起步阶段，北京燃气集团指挥监控中心、北京火车南站三联供能源供应站、上海浦东机场、广东铝业集团、广州大学城等多项冷热电三联供工程已建成投产。2008年4月1日起施行《中华人民共和国节约能源法》第三十一条规定“国家鼓励…采用热电联产、余热余压利用、洁净煤以及先进的用能监测和控制等技术”鼓励三联供系统发展。发改委《关于发展天然气分布式能源的指导意见》提出“十二五”期间建设1000个左右天然气分布式能源项目，并拟建设10个左右各类典型特征的分布式能源示范区域。

（3）项目介绍

该项目为南方某城市中央商务区能源站项目，中央商务区规划用地面积约73万平方米，规划建设现代信息服务业总部基地、五星级酒店、商业广场、购物中心、数码产业总部、智能产业总部、汽车文化商贸中心等7大项目，商务区位置地质条件稳定、交通便利、水源充足、接入条件较好，适于建厂。能源站供冷对象为商务区内近期规划的建设项目，供热对象为酒店的生活热水和采暖用热。区域具有较稳定的冷、热负荷，且对节能环保经济性有较高要求，综合考虑本工程采用冷热电联供系统。本文主要分析冷热电联供项目电气主接线的接线形式。

2 冷热电联供项目主接线设计

电气主接线是指 电气设备通过连接线，按其功能要求组成接受或者分配电能的电路，按一定次序相连接传输强电流、高电压的网络。主接线代表了电站的主体结构，直接影响电力系统运行,并且对电气设备选择、配电装置的布置、继电保护和控制方式的拟定有决定性关系。所以，主接线设计是一个综合性问题。需要以可靠性、灵活性、经济性为原则，分析电站在系统中所处的地位、性质、规模及电气设备特点，做出符合实际需要的经济合理的电气主接线。

2.1 主机的选择

主机的选择直接影响了电气主接线的设计。冷热电三联供系统具有很大优势，但是准确的预测电、热、冷负荷及负荷的匹配协调是三联供系统主要的技术问题6.应对建筑冷热电负荷变化规律及相关建筑节能技术标准进行研究，根据不同时段变化的动态负荷曲线，并合理采用若干如冰蓄能等蓄能装置改善负荷不匹配性，制定出联产系统最佳的系统配置方案和运行方案。本项目根据经济比较，选择6台10MW内燃机发电机组，出口端电压10.5kV.

2.2 电压等级的确定

对于冷热电三联供项目，需要和项目建设方、供电部门确定项目定位。本项目所在区域处于暂时电力紧张的状态，当地供电部门对三联供电力上网持积极态度。电气主接线的确定首先要根据当地地区电网条件，供电部门意见，系统容量经济合理地确定上网电压。笔者建议可以参考民用建筑电气设计供电容量和电压等级的关系统筹确定上网容量和电压等级关系。《国网业扩供电方案编制导则》中对供电容量和电压等级有相应规定。

以10kV为例，市网变电站的10kV出线电缆多采用YJV22-3×400mm2、3×300mm2或采用2×（3×240 mm2）几种，其载流量分别近似为600A、550A、960A，对应的容量可达10380kVA、9500kVA、16600kVA3。供电部门的规定是考虑了中高压电缆的载流量和进线间隔的断路器设置的，可以为三联供上网电压参考。

工程预计最大日的上网电量为49MW，适用35kV电压，但是南方电网该区域没有35kV的电压等级，故采用110kV电压等级。本项目发电机端电压为10.5kV,该项目的电力外网建设由当地供电部门承担，10kV设计方案可以减少业主变压器高压柜投资，故设计为建设单位提供110kV，10kV两种电压方案，推荐110kV.

2.3 主变压器的选择

（1）主变压器类型的确定

变压器按冷却方式可分为油浸式变压器、气体绝缘变压器、干式变压器等几种。他们的一些使用特点如表3所示。

对于110kV中央商务区能源站，油浸式变压器和气体绝缘变压器都是较好的选择，气体绝缘变压器绝缘性能和冷却效果好，环境友好，但是造价过高，本项目最后选择油浸式变压器。

（2）主变压器的容量和台数的确定

定对本冷热电联供系统CCHP项目的变压器容量按照以下条件计算。

1）当发电机电压母线上的负荷最小时，应能将发电机电压母线上的剩余有功和无功容量送入系统，但不考虑概率较低的母线最小负荷情况。

2）当事故或运行要求发电机停用、减力时，能由系统供给发电机电压母线的最大负荷。在能源站初期逐步建设，或者事故或者运行要求时，适当考虑变压器的允许过负荷和限制非重要负荷情况下，通过变压器向系统取得电能。发电机设置为两台，便于两回路成环，同时其中一台主变压器退出运行时，另一台应能承当70%的容量。本项目上网电量计算见表2《典型日电力平衡图》本项目最大上网电量为49MW，选择两台40MVA变压器。

2.4 高压配电装置的基本接线

有汇流母线的接线形式可以分为单母线和双母线接线两类，无汇流母线的接线形式主要有桥形接线、角形接线和单元接线5.

（1）发电机母线的基本接线

单母线分段接线的优点：

1）接线简单清晰，重要回路可以形成双回路两电源供电；2）当一段母线故障，分段断路器自动将故障段切除，保证正常段母线不中断供电，保证重要用户供电。缺点是当一段母线检修时，该段母线的回路都要在检修期间内停电。

双母线优点和缺点：

1）供电可靠。通过两组母线 隔离开关的倒换操作，可以轮流检修一组母线，而不会导致系统供电中断。

2）调度灵活。电源或回路可以在两组母线之间分配，能灵活应对系统改建，系统调度或潮流调整的需要。

3）扩建方便。

缺点是增加一组母线，每增加一个回路需要增加隔离开关或母线（不同的双母线接线形式还会增加断路器），增加项目投资。当母线故障或停运检修时，易误操作，需设置连锁装置。对电力系统运行人员专业技能水平要求较高。

规范在接线形式上规定并不完全一致，《燃气冷热电三联供工程技术规程》CJJ 145 2010第6.4.2条的规定：联供系统的电气主接线宜采用单母线或者单母线分段接线方式。《小型火力发电厂设计规范》GB50049-2011第17.2.3规定：发电机电压母线的接线方式应根据发电厂的的容量或负荷性质确定，第二款规定每段上的发电机容量为12MW以上时，可采用双母线或者双母线分段接线。本项目每台母线发电机容量为30MW，同时为了保证电气系统的可靠性和灵活性，采用双母线分段接线。

（2）变压器线路单元连接

本项目为两台变压器和两台出线，宜采用桥形接线，桥形接线根据桥断路器QF3的安装位置，可分为内桥和外桥两种，本质上是长期开环运行的四角形接线。

内、外桥接线分别如图1、2所示，内、外桥共同的优点是高压断路器少，只需要三台断路器。内桥接线在线路故障或投切时不影响其余回路工作，而在变压器故障时或投切时，需要停运一回线路，动作两台断路器，操作复杂。所以内桥接线适用于变压器不经常切换或线路较长，线路故障概率较高的小型能源站。外桥接线则相反，适用于变压器频繁切换或者线路较短，线路故障概率较低的情况。本项目由于线路较长，主变压器切换较少，而且本能源站工程投资含变压器而不含外送线路建设，线路建设，后期或有调整建设单位掌控相对较弱，故采用内桥接线4。电气主接线图如图3所示。

3 结束语

（1）冷热电三联供系统在节能，环保，经济性上有很大优势，但并不是所有场合都适用三联供项目，适用区域需要有稳定的冷热负荷，且热负荷需要占相当的比例。准确的预测冷热电负荷，适当应用负荷调整装置，匹配协调冷热电负荷是三联供系统成功实施的关键。

（2）冷热电三联供系统电气设计需要综合考虑地区条件。积极与当地供电部门沟通争取支持，如本项目所在地区没有35kV,在选择设计方案中予以排除。

（3）在方案前期即与热能动力专业配合，确定项目定位，明确是“以热定电”还是“以电定热”参与前期主机选定工作。

（4）目前，关于冷热电三联供系统还没有专门的国家标准，部分项目可以执行《小型火力发电厂设计规范》(GB50049-2011)，可执行的标准还有《燃气-蒸汽联合循环电厂设计规定》(DG/T5174-2003)《燃气冷热电三联供工程技术规程》(CJJ145 2010),《分布式供能系统工程技术规程》(DG/TJ 08-115-2008)。7部分规定不尽相同，需要结合项目实际执行规范规定。

（5）冷热电三联供电气主接线需要以可靠性、灵活性、经济性为原则，需结合项目定位，是否并网或上网选择合适的主接线。