海上升压站柴油发电机系统优化设计研究

0    引言

“十三五 ”“十四五 ”期间我国海上风电的发展较为迅速 ,海上风电场装机规模和风机单机容量不断增大[1—2]。为促进沿海地区能源结构调整优化 ,助力落实“双碳 ”目标 , 同时推动社会、经济高质量发展 , 国家和政府对推动海上风电产业发展作出了政策决策 ,积极引导产业规划布局。随着近期国家政策的引导 ,我国海上风电正向着集群化、深水远岸、坚持生态用海等方向全面发展[3—4]。

随着海上风电上网电量全面进入电力市场化交易时代 ,海上风电工程的建设过程中需要充分考虑降本增效、安全可靠等方面的要求。海上升压站是海上风电场工程的“中枢核心 ”,其安全运行十分重要 。科学合理的站用电系统可为海上升压站稳定运行提供坚实的保障。

海上升压站一般设置两台互为备用的站用变压器作为工作电源 ,全站两回工作电源均发生故障并退出运行时 ,应急电源是保障海上升压站安全运行的最后一道防线 。应急电源一般采用快速启动型柴油发电机组。在全站失电时, 由柴油发电机组及0.4 kv应急段为应急负荷和重要负荷提供交流保安电源。

本文以一座500 MW/220 kv海上升压站典型工程为例 ,进行柴油发电机系统优化设计研究。对海上升压站的孤岛运行模式进行了研究分析 ,对海上升压站柴油发电机容量进行了计算和校验 ,对储油油箱的容量进行了计算分析 ,提出了柴油机补油系统优化设计方案 , 并提出了柴油机储油及供油系统优化连接及布置方案。

1   海上升压站孤岛运行模式选择

现阶段 ,新建海上风电项目应在离岸30 km以外或水深大于30 m的海域布局; 近岸区域水深超过30 m的 ,风电场离岸距离还需不少于10 km 。海上升压站离岸距离较远 ,采用220 kv送出海缆与电网连接。当220 kv送出海缆与陆上电网的连接断开时 ,海上风电场进入孤岛运行状态 ,有以下两种模式[5—7]。

1.1    小孤岛运行模式

当海上升压站送出线路断开时 ,柴油机组带海上升压站内部分负荷运行 ,风机及集电海缆进线回路断开。若采用小孤岛运行模式 ,海上升压站仅需配置一台柴油发电机组接于0.4 kv应急段母线 ,供站用电应急负荷和重要负荷供电使用。

1.2    大孤岛运行模式

当海上升压站送出线路断开时 ,柴油机组带海上升压站及风机内部分负荷运行 ,风机及集电海缆进线回路不断开。与小孤岛运行模式相比 ,柴油机组还需为风机内控制系统、通信系统、偏航系统 、通风除湿系统供电 ,满足风机的自启动要求。在大孤岛运行模式下 , 需增加大容量柴油发电机组 、升压变压器、66 kv高压配电装置 , 需配置高压电抗器进行无功补偿 ,海上升压站的尺寸及重量大幅增加。

1.3    不同运行模式对比

技术上 ,我国东部沿海地区电网结构较强 ,海上升压站一般设置两回高压送出海缆 , 多回送出海缆同时故障导致海上升压站全站失电的概率很小 ,在海上风电场具备一定应急能力的情况下 , 小孤岛运行模式经济技术上更为合理。

风机内部蓄电池及UPS电源在风机与电网断开时可提供约24 h的辅助电源 , 以供风电机组驱潮除湿、偏航系统等的应急供电。近海地区 ,海况相对好 ,风电场区的可达性较强 ,风机失电后运维船只可以及时到达场区利用船载柴油机电源进行维护 。上述应急措施可以保证风电机组内辅助设备的正常运行。

由于220 kV送出海缆可靠性较高 , 我国东部沿海地区电网较强 ,海上风电机组具备一定的应急能力 ,海上风电场区可达性较强 ,且小孤岛运行模式具有显著的经济性优势 , 因此海上升压站采用小孤岛运行模式是经济技术合理的。

2   海上升压站柴油机容量选型研究

以500 Mw/220 kV海上升压站典型工程为例 ,应急负荷一般包括应急照明、直流电源、UPS电源、检修电源、事故轴流风机、柴油机交流辅助电源、高压细水雾系统、火灾报警控制器、检修箱电源、临时休息室电源等 ,重要负荷一般包括电气设备操作电源 。海上升压站最大容量的单台电动机为电动消防泵 ,高压细水雾系统包含7台37 kw电动消防泵,6台工作1台备用。

海上升压站柴油发电机负荷统计如表1所示。

海上升压站柴油机容量检验之一:最大计算负荷校验。

式中:se 为发电机的额定容量(kVA);sc 为柴油发电机的计算负荷(kVA);n为海上升压站设置柴油发电机数量的倒数 ,取1;pe为发电机的额定功率(kw);pc为计算负荷的有功功率(kw);cos β为计算负荷的功率因数 ,取0.86。

根据表1,sc=483.2 kVA ,pc=415.5 kw。

海上升压站柴油机容量检验之二:最大容量电动机启动时的短时过载能力校验。

式中:kq 为电机的启动电流倍数 , 取6 .5;k为负荷换算系数 ,取0.85;kol为短时过载系数 ,取1.5;pdm为最大单台电机的功率(kw),为37 kw。

故se ≥501.6 kVA。

经计算 , 柴油发电机容量se ≥501 .6 kVA ,pe ≥ 415.5 kw ,推荐选择额定容量se=625 kVA ,额定功率pe=500 kw的柴油发电机。

对于海上升压站典型工程 ,应急电源可采用 一台额定功率500 kw的柴油发电机。

3   柴油机储油油箱容量优化研究

柴油发电机系统储油油箱的容量应根据油耗情况计算确定 ,一方面要满足应急负荷供电时间的需求,另一方面要避免储油油箱容量过大造成投资浪费。

3.1    应急工况下柴油机油耗分析

在应急工况下 ,海上升压站柴油发电机组应满足以下设备及供电时长的需求: 电动消防泵、应急照明、火灾报警系统、逃生救生设备等供电时长不少于18 h,雾笛及助航灯系统、平台状态灯系统等供电时长不少于96 h。

雾笛及助航灯系统 、平台状态灯系统虽然供电时长要求较高 ,但功率很小 ,总容量一般不超过5kw ,对柴油机油耗影响较小。

根据设备厂家500 kw柴油发电机的资料参数 ,其每小时的耗油量约为140 L 。综合考虑柴油机在低负荷下效率降低、油耗上升等因素 ,应急工况下柴油机耗油量可按照额定功率供电时长为40 h考虑 , 即柴油机耗油量=140×40=5 600 L。

3.2    日常运维时柴油机油耗分析

应按照运行规程对海上升压站进行日常运维 。对于海上升压站的站用电系统 , 宜每月开展一次站用电电源切换试验、直流系统供电电源切换试验、柴油发电机组试启动试验。

柴油发电机组每月试启动试验的运行时间通常为空载运行10~15 min ,然后再怠速运行3~5 min ,运行时间合计约20 min。

按每月检查试启动一次 ,每次运行20 min ,油耗按照额定出力考虑 , 则有柴油发电机每年的日常运维耗油量=(140×20/60)× 12=560 L。

3.3    储油油箱容量优化分析

储油油箱的容量推荐按照满足两次应急工况下的最大耗油量和五年日常运维的耗油量考虑 , 即储油油箱的容量≥5 600×2+560×5=14 000 L。

对于海上升压站典型工程 ,柴油机储油油箱的容量可按照14 m³选择。另外 ,储油油箱的容量也应综合考虑建设单位的运行需求 。当储油油箱的剩余油量较低时应及时进行补油。

4   柴油机补油系统设计优化研究

柴油机储油油箱布置在柴油罐间 ,安装有DN65补油管 ,通过截止阀、柴油粗滤器、止回阀等与DN65国际通岸接头连接。一般情况下 ,运维船的输送油管连接至柴油罐间的国际通岸接头 , 实现为储油油箱补油。

由于运维船的补油设施配置情况具有不确定性 ,为提高海上升压站补油系统对运维船的适应性 ,提出以下补油系统方案:在海上升压站柴油罐间设置一套输油软管卷盘和一套便携式输油泵 。输油软管卷盘长度可采用50 m ,满足从运维船连接到柴油罐间的要求。便携式输油泵采用电动泵 ,扬程宜不小于40 m。

根据运维船补油设备配置条件的不同 ,提出下列三种工况时的补油流程。

工况一:运维船自带输油泵和输送油管。将运维船自带输送油管一端与自带输油泵连接 , 另一端运输至海上升压站平台 ,从门口拉入柴油罐间 ,与柴油罐间的国际通岸接头连接 。开启输油泵进行补油。

工况二:运维船自带输油泵 ,不带输送油管 。盘动输油软管卷盘 ,将输油软管从卷盘上放出合适的长度 。输油软管一端与柴油罐间的国际通岸接头连接 , 另一端运输至运维船并与运维船自带输油泵连接 。开启输油泵进行补油。

工况三:运维船不带输油泵 ,不带输送油管 。将便携式输油泵运输至运维船 ,与运维船油罐连接 ,并接通电源。盘动输油软管卷盘 ,将输油软管从卷盘上放出合适的长度 。输油软管一端与柴油罐间的国际通岸接头连接 , 另一端运输至运维船并与便携式输油泵连接 。开启便携式输油泵进行补油。

各工况下柴油机补油系统的连接示意图如图1所示。

采用上述配置方案 ,可提高柴油机补油系统对运维船配置条件的适应性 ,适用于运维船多种设备配置条件下补油工作的需求。

5   柴油机储油及供油系统连接及布置优化研究

海上升压站一般采用设备三层布置的方案 。 由于柴油发电机组故障维修时需要从顶层甲板起吊进出 ,柴油机房一般布置在海上升压站三层。柴油机房需设置进风百叶窗和排风百叶窗 , 宜布置在海上升压站朝向主导风向的一个边角 ,进风百叶窗宜朝向主导风向 ,排风百叶窗和排烟口宜远离进风百叶窗。

海上升压站柴油发电机系统的储油及供油系统主要包括储油油箱、送/回油管路、阀门及控制系统等 ,其设备连接及布置可采用以下两种方案。

5.1    方案一:储油油箱布置在海上升压站一层

储油油箱与日用油箱独立设置 ,储油油箱布置在一层的柴油罐间 , 日用油箱布置在三层的日用油箱间 。设置一套电动输油泵、供油管及回油管路 ,将柴油从一层的储油油箱输送至三层的日用油箱 。供油管及回油管可采用DN40油管 , 日用油箱与柴油发动机之间采用供油及回油管路连接。

储油油箱布置在海上升压站一层时 ,柴油机储油及供油系统示意图如图2所示 ,柴油罐间及柴油机房布置如图3所示。

5.2    方案二:储油油箱布置在海上升压站三层

储油油箱布置在海上升压站三层的柴油罐间 ,毗邻柴油机房。储油油箱与日用油箱合并设置 ,不单独设置日用油箱 。储油油箱与柴油发动机之间设置柴油机供油及回油管路。

储油油箱布置在海上升压站三层时 ,柴油机储油及供油系统示意图如图4所示 ,柴油罐间及柴油机房布置如图5所示。

5.3    柴油机储油及供油系统布置优化分析

储油油箱布置在海上升压站一层及三层房间内 ,两种布置方案均是可行的 ,均有较多的实际工程应用 。方案一中 ,储油油箱与日用油箱独立设置 , 需设置一套将柴油从一层储油油箱输送至三层日用油箱的设施 ,优点是储油油箱补油较方便 ,缺点是柴油机储油及供油系统较复杂 ,可靠性略低 。方案二中 ,储油油箱兼作日用油箱 ,不单独设置日用油箱 ,储油油箱直接给发动机供油 ,优点是柴油机储油及供油系统简单灵活 ,可靠性较高 ,缺点是储油油箱补油时操作相对复杂。

与方案一相比 ,方案二储油油箱兼做日用油箱 ,不单独设置日用油箱 ,取消了一层甲板至三层甲板的储油及供油系统 ,柴油机储油及供油系统简单灵活 ,可靠性更高 ,可减少电气房间面积约45 m2 , 降低工程造价 ,更有利于轻量化海上升压站的设计。推荐工程设计中采用方案二 , 即储油油箱布置在海上升压站三层的方案。

6    结论

本文对海上升压站大孤岛和小孤岛运行模式进行了研究分析 ,对海上升压站柴油发电机容量进行了计算和校验 ,对储油油箱的容量进行了计算分析 ,提出了柴油机补油系统优化设计方案 , 并提出了柴油机储油及供油系统优化连接及布置方案 。对于500 MW/220 kV海上升压站典型工程 ,本文主要研究结论和推荐优化方案如下:

1)由于小孤岛运行模式可靠性较高且经济性较好 ,海上升压站采用小孤岛运行模式是经济技术合理的。

2)海上升压站应急电源可采用一台额定功率500 kW的柴油发电机。

3)柴油机储油油箱的容量按照14 m³选择 ,可满足两次应急工况下的最大耗油量和五年日常运维的耗油量。

4)在海上升压站柴油罐间单独设置一套输油软管卷盘和一套便携式输油泵 ,可提高柴油机补油系统对运维船配置条件的适应性。

5)推荐采用储油油箱布置在海上升压站三层的方案 , 储油油箱与 日用油箱合并设置 , 储油油箱直接给发动机供油 ,柴油机储油及供油系统更加简单可靠。

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《机电信息》2025年第18期第1篇