发电机火力发电厂毕业设计.docx
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发电机火力发电厂毕业设计
发电机火力发电厂毕业设计
第一篇设计说明书
本篇之中将主要详细地介绍电气主接线、厂用电主接线、变压器的选型以及其它各高压电气设备的选型与校验。
第一章电气主接线设计
本章主要针对电气一次接线（又称电气主接线）的设计为中心。
阐述课题设计的火力发电厂的220kV、500kV（扩建）以及6kV厂用电主接线的设计。
1.1发电机电压级接线
1.1.1发电机和变压器接线方式选择
此次毕业设计的课题关于发电厂和变压器的连接方式通过初步考虑后决定选择采用的是单元接线方式。
单元接线可以说是所有电气主接线的基本形式中最简单的一种。
其接线简单，对开关设备的需求少，操作很便捷，由于其不设电机电压级母线，且在发电机与变压器之间采用的是全封闭母线，因此发电机与变压器低压侧短路的可能性和短路电流比具有发电机电压级母线时就会相应减少。
因此使得在大型机组中不安装出口断路器的发电机—双绕组变压器单元接线方式得到了广泛地应用。
然而，由于没有设置出口断路器，在运行的时候也可能会出现以下几个技术性的问题：
1）当变压器或者厂用变压器发生故障时，不但要跳开主变压器高压侧出口断路器，还需要跳开发电机磁场的断路器。
故障时只要有一个故障处拒跳都将造成严重的后果，特别是磁场处断路器拒跳所造成的后果更为严重。
2）发电机发生故障跳闸时，将失去厂用电源，而在这种情况之下备用电源的快速切断有可能不成功，因而机组面临厂用电中断的威胁[1]。
然而，如果在大容量发电机组出口处装设断路器会有以下几个方面的优越性：
（1）厂用变压器故障或者主变压器时，要快速断开发电机出口处断路器和变压器高压侧的断路器，才能保证发电机和变压器的安全。
（2）发电机故障时只要断开发电机出口处的断路器，而不必断开变压器高压侧的断路器，有益于电网的安全运行。
发电机组在正常启、停或事故停机时，只要操作发电机出口处的断路器，由系统经主变压器倒送电能供给厂用电，这样就很大程度的提高了供电的可靠性。
（3）主变压器可兼作厂用的启动与备用电源，容量大，可靠性高，可以在一定程度上简化厂用电系统接线，具有明显经济效益[1]。
鉴于该接线方式主要用于600-1000MW的大型机组，且增设一台高压断路器的投资较大等其它一些因素，而本次课题设计主要是针对300MW发电机组，利弊权衡之下，本次设计更加适合前一种接线方式。
其接线方式如图1-1所示：
图1-1发电机和变压器单元接线
1.2220kV电气主接线
电气主接线（也称电气一次接线）。
就是将各种电气设备用规定的文字符号和图形，并且按照电能生产、传输、分配次序以及要求绘制而成的单相接线图。
是发电厂电气主系统部分设计的首要部分，也是构成电力系统的重要环节。
电气主接线形式的选择是一个综合性问题。
电气主接线设计地正确、合理与否，直接会影响电力生产运行、电气设备的选择、配电装置布局、继电保护、自动装置和控制方式等诸多方面都有决定性的关系[1]。
电气主接线设计概括的讲应满足供电可靠性、调度灵活性、运行检修方便性且具有经济性和可靠扩建可能性等基本要求。
电力生产的首要任务是保证供电可靠，这也是电气主接线设计的最基本要求。
停电事故不仅会给发电厂造成损失，对国民经济带来的损失将会更加不可估量。
甚至会造成人身伤亡、设备毁坏、城市生活动乱。
所以，在设计主接线的接线方式一定要进行多方案设计比较及验证，以保证主接线设计的合理性，确保供电的安全可靠性。
评估供电可靠性的主要指标有停电频率、每次停电的持续时间及用户在停电时的生产损失或电网公司在电力市场环境下通过辅助服务市场获得备用容量所付出的的代价。
电气主接线要能够适应各种电力运行状态，尽最大可能的满足电网调度、检修和扩建的灵活性。
保证各个设备操作的方便性，电能调度的方便性，厂房未来扩建的方便性。
在发生事故时，要保证能够快速地切除故障，使停电时间最短，影响范围最小，不致过多地影响对用户的供电和破坏系统的稳定运行[1]。
经济性。
电气主接线设计时的主要矛盾经常发生在经济性和可靠性之间，但出于电力安全生产第一的原则，需优先考虑供电的可靠性。
因此，在满足供电可靠性和调度、扩建灵活性的前提下就要尽可能的达到经济合理化，尽最大限度的减少投资的成本。
这就要求主接线尽量简单，以便于选取数量少各类电气设备。
1.2.1220kV主接线方案的选取和比较
220kV主接线设计方案的选取。
针对于本次毕业课题设计，根据原始资料以及主接线对可靠性、灵活性和经济性的要求。
对于一期工程，考虑到为220KV高压配电装置接线且出线为4回，首先要满足可靠性准则的要求，初步考虑两种可能接线方式：
单母线分段带旁路母线接线方式和双母线接线方式。
单母线分段带有专用旁路断路器的旁路母线的接线原理图如下图1-2所示
图1-2单母线分段带有专用旁路断路器的旁路母线的接线原理图
方案一：
单母线分段带旁路接线。
通常，旁路母线有三种接线方式：
有专用旁路断路器的旁路母线接线；母联断路器兼作旁路断路器的旁路母线接线；用分段断路器兼作旁路断路器的母线接线。
而单母线分段带有专用旁路断路器的接线，可以极大地提高可靠性。
倒闸操作相对于其它两种接线方式要简单便捷许多[1]。
因此，本次毕业课题设计针对于单母线分段带旁路母线接线方式将采用带有专用旁路断路器的旁路母线接线方式进行下一步方案比较。
（1）方案二：
双母线接线。
双母线接线方式有两组母线可以相互备用。
每一电源和出线回路都装设一台断路器以及两组母线隔离开关，母线隔离开关分别与两组母线相连。
两组母线通过母联断路器（QFC）来连接，与单母线接线相比较，使得运行的可靠性以及灵活性大为提高。
对于两个300MW发电机和4回220kV高压配电装置接线可以任意的分配到某一组母线上，可以灵活地适应电力系统中各种运行方式调度和潮流变化的需要；通过倒闸操作可以组成各种运行方式。
此外，根据系统调度的需要，双母线还可以完成一些特需功能。
例如：
用母联断路器和系统进行同期或解列等操作[1]。
此外，由于双母线接线具有较大的可靠性，广泛应用于220kV出线数为4回及以上，对于此次完成第一期新建工程2×300MW，并考虑最终4×300MW机组火力发电厂的电气主接线和厂用电接线的课题设计而言，该接线方式具有极大优势。
双母线接线方式的原理图如图1-3所示
图1-3双母线接线方式的原理图
方案比较：
（1）技术性比较。
300MW机组为主的火力发电厂是我国电力系统的大型主力发电厂。
本次设计的发电厂机组年利用小时数一般都在5000小时以上，这说明该厂需要在电力系统中承担基本的负荷任务，这也就要求主接线要有较强的供电安全可靠性。
就方案一而言，单母线分段带有专用断路器的旁路母线接线方式的可靠性方面基本上能满足要求，但是扩建不是很方便，很难做到电源的均匀分布；当断路器检修时，虽然可以保证不停电进行倒闸操作将需要检修的断路器退出，但是当发电机出口处断路器需要检修时会造成部分线路的停电；当一段母线故障或需要检修时，可将该母线上的出线回路和电源回路切换到旁路母线上恢复供电，只会造成部分回路短时停电。
但是该接线方式倒闸较为繁杂，且倒闸次数较多。
而方案二是采用两组母线互为备用，通过两组母线隔离开关的倒闸转换，可以轮流检修任意一组母线而不知中断供电，一组母线故障后，能迅速恢复供电，可靠性能满足要求；两组母线通过一台母联断路器（QFC）连接，当一组母线故障后，倒闸切换操作很方便。
（2）经济性比较：
方案一除了需要母联断路器（QFD）外，还需增加一台旁路断路器（QFP），而方案二两组母线间只是通过一台母联断路器进行连接，比方案一少用了一台高压断路器，因此所需要的其它一些电气设备相应也会少些，因而占地面积减少，节省了投资。
通过上述的技术性和经济性对比可以很明显的得出电气主接线方式选取双母线接线方式作为本次电厂设计的电气主接线是最为经济、合理、可行。
1.36kV厂用电接线
发电厂在生产电能的过程中，除了向系统输送电能外，发电场本身要消耗一部分电能。
厂用电的电能大都有发电场本身提供，且为重要负荷。
发电厂的厂用负荷可分为：
Ⅰ类厂用负荷、0Ⅰ类厂用负荷（不停电负荷）、Ⅱ类厂用负荷、0Ⅱ类厂用负荷（直流保安负荷）、Ⅲ类厂用负荷、0Ⅲ类厂用负荷（交流保安负荷）。
厂用电的电气主接线的设计必须按照运行、检修和施工要求，充分考虑全厂的发展，采用新设备以及新技术时必须慎重，做到设计方案的技术先进、经济合理、确保机组安全、经济地运行[1]。
因此厂用电的主接线要满足供电可靠，运行灵活；各个机组间的厂用电系统要保持相互独立；全厂的公用负荷要分散接进不同机组的厂用母线或者公用负荷母线上；考虑发电厂在正常、事故、检修、启停等运行方式时的可靠供电要求[1]；电源要尽可能的和电力系统保持密切联系；充分考虑厂用电的分期建设和连续施工过程中厂用电系统的运行方式。
厂用电电压等级根据发电机的额定电压、厂用电动机电压以及厂用电供电网络等因素，互相配合，经技术经济等综合比较后得以确定。
本次课题的发电机容量是300MW，发电机电压为20kV，按照发电机容量、电压确定高压厂用电宜采用6kV，低压厂用采用380/220V的三相四线制系统。
通常，高压厂用电系统要采用单母线分段接线。
为保证厂用电系统的供电可靠性与经济性，高压厂用母线宜采取可靠的“按炉分段”的接线为原则。
低压厂用母线也可采用单母线分段接线，即“按炉分段”的原则，其电源由对应的高压厂用母线提供。
这样有利于电气设备的选择，运行管理、安排检修方便。
因为低压系统负荷较多，宜采用动力与照明分组供电。
厂用电接线原理图如图1-4所示。
图1-4厂用电接线原理图
而本次课题采用的是300MW发电机和主变压器单元接线，则厂用工作电源从主变压器的低压侧引接一台高压厂用工作变压器作为6kV厂用电系统的工作电源，供给本机组的厂用负荷。
此外，高压厂用启动（备用）电源由启/备变压器从220kV母线上引接。
低压厂用启动（备用）电源引自对应高压厂用6kV母线段。
1.4500kV接线的选取和确定（二期扩建）
500kV高压系统属于二期扩建。
在电气主接线形式中，330kV~500kV大容量的配电装置中，出线在6回及以上者，宜采用一台半断路器接线。
同时，也可以采用双母线分段接线作为主接线。
一台半断路器接线在运行时，两组母线与同一串的3个断路器都将投入工作，称之为完整串运行，形成多环状供电，具有很高的灵活性和可靠性。
通过分析可知，交叉接线比非交叉具有更高的运行可靠性，可以减少特殊运行方式下事故扩大，其原理接线图如图1-5所示。
在一台半断路器接线中，通常有两条原则：
（1）电源线要求和负荷线匹配成对。
（2）配电装置建设开始只有两串时，同名的回路应分别的接入不同侧母线，进出线必须装设隔离开关。
当接线达到三串及以上时，同名的回路可以连接在同一条母线上，此时的进出线就不必装设隔离开关了。
图1-5一台半断路器接线原理图
如果采用的是双母线分段接线作为500kV大容量配电装置的主接线可以在一定程度上缩小母线故障时的停电范围。
每一段工作母线通过自带的母联断路器与备用母线分别相连，电源与出线回路要在两段工作母线上均匀的分布。
如图1-6所示
图1-6双母线分段接线原理图
双母线分段接线的供电可靠性和灵活性较双母线接线方式要高一些，但相比于一台半断路器接线而言其灵活性以及可靠性又有所不如。
500kV高压系统一般在电力系统中都占有很重要的地位，所以对其正常稳定工作的可靠性以及调度、运行、检修等的灵活性的要求自然也会较高。
双母线分段接线方式更多的是用于220kV配电装置之中，在500kV大容量的配电装置的主接线方式的选择之中相对还是比较少采用的。
从经济上比较，同样两个电源分别接连于两段母线上，引出两回出线，双母线分段接线至少需要7台断路器，而一台半断路器接线方式只需要6台断路器。
当母线进出线回数较多时，通常要将母线分成多段，并在分段处加装母线电抗器。
如此一来，一台半断路器接线方式比较双母线分段接线方式所需的配电装置的投资要低一些，节省了投资。
通过以上简单的综合比较可以看出一台半断路器接线方式有着明显的优势。
因此，对于本次课题设计的500kV配电装置的电气主接线方式选择一台半断路器接线方式作为电气主接线方式。
第二章负荷计算及变压器选择
本章主要介绍发电厂的负荷计算以及变压器的选取。
负荷计算在发电厂设计中是一项十分重要的任务之一，负荷计算为变压器的选择以及其相关电气设备的选择和校验提供了十分重要的理论依据。
同时选择合理的主变压器以及厂用变压器又为第四章的短路电流计算提供了相关计算数据。
2.1厂用负荷计算
为了合理、正确地选择厂用变压器台数、容量，就需要对每段母线上的电动机以及低压变压器的台数和容量进行分别统计和计算。
2.1.1厂用电负荷的计算原则
（1）经常且连续运行的负荷要全部计入（计算公式：
P=PN）；
（2）连续却不经常运行的负荷也要计入（计算公式：
P=PN）；
（3）经常且断续运行的负荷也要计入（计算公式：
P=0.5PN）；
（4）短时断续却又不经常运行的负荷不予计算（计算公式：
P=0）。
（5）同一台变压器提供电能的相互备用的设备，只须计算同时运行的台数；
（6）对于分裂绕组变压器，其低压绕组、高压绕组的负荷要分别计算。
2.1.2厂用电负荷的计算方法
（1）换算系数法。
厂用电负荷的计算方法一般用换算系数法，计算公式为：
（2-1）
（2-2）
式中：
S是厂用母线上的计算负荷（kV·A）；P是电动机的计算功率（kW）；K是换算系数，取表2-1所列数据；Km是同时系数；KL是负荷率；η是效率；cosφ是功率因数。
电动机计算功率P，要根据负荷的运行方式以及特点得以确定。
修配厂用电负荷，计算为：
（2-3）
式中：
P∑是全部电动机的额定功率的总和（kW）；P∑5是其中最大五台电动机额定功率之和（kW）。
煤场机械负荷中的中、小型机械计算为：
（2-4）
翻斗机
（2-5）
轮斗机
（2-6）
式中：
P∑3是其中最大3台电动机额定功率之和（kW）。
照明负荷的计算式为：
（2-7）
式中：
Kd是需要系数，取0.8~1.0；PA是安装容量（kW）。
表2-1换算系数表
机组容量（MW）
小于125
大于200
电动给水及循环水泵
1
1
凝结水泵
0.8
0.8
其它高压电动机
0.8
0.85
其它低压电动机
0.8
0.7
电除尘电加热设备
1
1
2.1.3分段计算厂用负荷
1A段负荷：
1B段负荷：
2A段负荷：
2B段负荷：
2.2主变台数、容量和型式的确定
2.2.1220kV侧主变压器容量、台数的确定
所谓主变压器，就是用来向电力系统或者用户输送功率的变压器。
主变压器的容量、台数将直接影响到主接线的形式以及配电装置的形式结构。
其确定除了要根据具体传输容量的原始资料以外，还应该结合电力系统未来5~10年的发展规划、输送功率大小、馈线回路的数目、电压等级、接入系统的紧密程度等诸多因素，通过综合分析，做出合理的选择。
对于本次课题单元接线形式的主变压器容量要选择下述条件中较大者。
（1）发电机的额定容量中扣除本机组的厂用负荷后，再留有10%的裕度的情况之下进行选择。
其计算公式为：
（2-8）
式中：
SG为单台发电机的容量；SC为所有厂用负荷相加的总容量。
则有：
（2）按照发电机最大的连续容量，再扣除一台厂用变压器的计算负荷以及变压器绕组平均温升在标准温度或冷却水温度不超过60℃的条件进行选择。
其计算式为：
容量
式中：
SF为单台厂用变压器的计算负荷的总容量。
综上所述可得主变压器容量为：
ST=360MV·A。
此外，根据电气主接线的形式，考虑到本次课题设计一期为2台300MW发电机采用单元接线方式，可以确定主变压器台数为2台。
2.2.2主变压器型式、结构的确定
变压器按照每相的绕组数目分类可以分为双绕组、三绕组或者更多绕组等型式；按照电磁结构分类可分为自耦式、普通双绕组、三绕组以及低压绕组分裂式等型式。
在发电厂中，一般考虑限制3次谐波对电源的影响、系统或机组的同步并列的要求等诸多因素，主变压器连接组号可选择YNd11常规接线。
主变压器选择结果如表2-2所示
表2-2220kV侧主变压器参数表
型号
SPF10-360000/220
联结组号
YNd11
额定容量（MV·A）
额定电压（kV）
空载损耗（kW）
空载电流（%）
短路损耗（kW）
阻抗电压（%）
高压
低压
360
242±2×2.5%
20
177
0.3
809
11
2.2.3500kV侧主变压器的确定
因为二期扩建的500kV高压配电装置中，发电机与主变压器的接线方式也是采用单元接线的，发电机的容量以及厂用计算负荷与220kV侧相同，所以其主变压器的容量、台数也应与220kV侧的主变压器基本相同。
其型号依旧是双绕组变压器，具体的主变压器的技术可以参照表2-3进行选取。
表2-3500kV侧主变压器参数表
型式/型号
双绕组/SPF10-370000/500
联结组号
YNd11
额定容量（MV·A）
额定电压（kV）
高压侧额定电流（A）
低压侧额定电流（A）
短路损耗（kW）
阻抗电压（%）
高压
低压
370
550±2×2.5%
20
388.4
10681
/
14.2
2.2.4联络变压器的确定
联络变压器的台数一般只设1台，这主要是为了考虑布置和引线的方便性。
联络变压器的容量选择主要考虑以下两点：
（1）联络变压器容量要能够满足两种电压网络之间在各种不同运行方式之下的有功功率和无功功率的交换；
（2）联络变压器容量要求不小于接在两种母线上的最大的一台发电机机组容量，要保证最大的一台机组故障或者检修时，可通过联络变压器来满足本侧负荷的需求。
本次课题设计的电源都是300MW发电机，所选主变压器的容量基本上是一样的，所以本次课题设计的联络变压器容量也可以选择与一台主变容量相同大小的变压器，具体选择视情况而定。
考虑到新建电厂的长远发展需要，在容量选择是要将日后可能的扩建情况加以考虑[1]。
因此，在变压器的容量选择上要尽量选择大一些的设备。
而本次课题设计拟选用自耦变压器作为220kV~500kV两级升高电压之间的联络变压器，其低压绕组兼作厂用电的备用电源和启动电源。
具体参数如下：
型式：
户外有浸三相三绕组自耦变压器，中压侧绕组端带有有载调压装置。
容量：
750/750/240MV·A；额定电压：
525/230±9×1.33%/20kV。
额定电流：
824/1882/3849A；阻抗电压：
Uk（1-2）%=12，Uk（1-3）%=48，Uk（2-3）%=35。
空载损耗：
146.17kW；联结组号：
YNd11。
2.3厂用变台数、容量和型式的确定
2.3.1厂用工作变压器台数、型式的确定
厂用工作变压器的台数和型式主要与高压厂用母线的段数有关。
本次课题的高压厂用母线电压等级只考虑6kV一种电压等级，所以高压厂用工作变压器可只选用1台全容量低压分裂绕组变压器，两个分裂支路分别为2段母线供电；也可以选用2台50%容量的双绕组变压器，分别给2段母线供电。
对于200MW以上的机组，高压厂用工作变压器可选用2台低压分裂绕组变压器，分别给4段母线供电。
针对于此次课题拟选择2台低压分裂绕组变压器作为厂用工作变压器。
2.3.2厂用工作变压器容量的确定
厂用变压器的容量必须要能够满足厂用电机械从电源获得足够的功率。
因此，对于高压厂用工作变压器的容量要按照高压厂用计算负荷的110%加上低压厂用的计算负荷进行选择；而低压厂用工作变压器的容量也应留有10%左右的裕度。
此外还需要考虑电动机自启动时的电压降，变压器低压侧短路容量。
（1）高压厂用工作变压器容量。
选择的是低压分裂绕组变压器，各绕组的容量要求满足：
高压绕组
（2-9）
分裂绕组
（2-10）
式中：
S1N为厂用工作变压器高压绕组的额定容量（kV·A）；S2N为厂用工作变压器分裂绕组的额定容量（kV·A）；SC为厂用工作变压器分裂绕组的计算负荷（kV·A）；Sr为分裂绕组两分支的重复计算负荷（kV·A）[1]。
由第一节的厂用负荷的计算可知，对于1段厂用负荷有：
SGA=14196.5kV·ASDA=4122.5kV·A
SGB=9487.5kV·ASDB=7888kV·A。
重复计算负荷：
Sr=315+630×0.85+0.85×（1600+1250）=3358kV·A
厂用变压器分裂绕组计算负荷：
SCA=1.1SH+SL=1.1×14196.5+4122.5=19738.65kV·A
SCB=1.1SH+SL=1.1×9487.5+7888=18324.25kV·A
高压绕组负荷：
∑SC-Sr=SCA+SCB=19738.65+18324.25-3358=34704.9kV·A
而S1N≥∑SC-Sr=34704.9kV·A，
所以对于1段高压厂用分裂绕组变压器T1选择高压厂用变压器为双绕组分裂变压器。
具体参数见表2-4。
表2-4高压厂用分裂绕组变压器技术参数表
型号
额定容量（MV·A）
额定电压（kV）
短路电压（Uk%）
联结组号
SFF7-40/20-20
40/20-20
20±2×2.5%/6.3-6.3
15
Dd12-d12
同理，对于2段厂用负荷有：
SHA=13465.5kV·ASLA=3272kV·A
SHB=10218.8kV·ASLB=6358kV·A
重复计算负荷：
Sr=315+630×0.85+0.85×（1600+1250）=3358kV·A
厂用变压器分裂绕组计算负荷：
SCA=1.1SH+SL=1.1×13465.5+3272=18084.05kV·A
SCB=1.1SH+SL=1.1×10218.8+6358=17598.68kV·A
高压绕组负荷：
∑SC-Sr=SCA+SCB=18084.05+17598.68-3358=32324.73kV·A
而S1N≥∑SC-Sr=32324.73kV·A
所以对于1段高压厂用分裂绕组变压器T2也同样选择双绕组分裂变压器，详细参数参照T1。
（3）高压厂用备用变压器容量。
高压厂用备用变压器或启动变压器应与最大一台高压厂用工作变压器的容量相同，因此高压厂用备用变压器或启动变压器选择的型号、容量与高压厂用变压器相似。
详细参数参照表2-5。
表2-5高压厂用备用变压器技术参数表
型号
额定容量（MV·A）
额定电压（kV）
短路电压（Uk%）
半穿越阻抗
联结组号
SFFZ40/25-25
40/25-25
220±8×1.25%/6.3-6.3
18.5
16.5%
YNd11-d11
（4）而低压厂用备用变压器应与最大一台低压厂用工作变压器容量相同。
低压厂用工作变压器容量。
可按照下式选择变压器容量：
（2-11）
式中：
S为低压厂用工作变压器容量（kW·A）；Kθ为变压器温度修正系数，一般可以取Kθ=1，当温度变化较大时，随地区而异，应当考虑温度进行修正。
本次按照所列厂用负荷表设置，结果如表2-6所示。
表2-6低压变压器选择结果表
设备名称
容量
变压器台数
循环水泵变
315kVA
2
油泵房变
400kVA
2
机炉变
630k
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