LNG氣化站供配電方案選擇及設(shè)計的淺析

上海燃?xì)夤こ淘O(shè)計研究有限公司 王曉曄

0 概述

天然氣是一種潔凈、環(huán)保、使用方便的能源，隨著人們生活質(zhì)量的迅速提高、環(huán)保意識的提高，對天然氣的需求日益增加。天然氣作為目前世界上最佳能源，在我國城市氣源的選擇中已被高度重視，大力推廣天然氣已成為我國的能源政策，但由于天然氣長距離管道輸送的工程規(guī)模大、投資高、建設(shè)周期長，短時間內(nèi)長輸管線難以到達(dá)大部分中小城市。

利用超低溫冷凍技術(shù)使天然氣成為液態(tài)，稱之為液化天然氣。液化天然氣指在常壓或略高于常壓下低溫(-162 ℃)液化了的天然氣，簡稱 LNG(Liquefied Natural Gas)。LNG體積約為其氣態(tài)體積的 1/625，所以液化了的天然氣更有利于遠(yuǎn)距離運輸、儲存，尤其在無法使用管道天然氣的地區(qū)，應(yīng)用前景很廣。

LNG已成為目前無法使用管輸天然氣供氣城市的主要氣源或過渡氣源，也是許多使用管輸天然氣供氣城市的補充氣源或調(diào)峰氣源。LNG氣化站憑借其建設(shè)周期短以及能迅速滿足用氣市場需求的優(yōu)勢，已逐漸在我國東南沿海眾多經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、能源緊缺的中小城市建成，成為永久供氣設(shè)施或管輸天然氣到達(dá)前的過渡供氣設(shè)施。

LNG氣化站主要分為生廠區(qū)和輔助生產(chǎn)區(qū)二個區(qū)域。生產(chǎn)區(qū)包括：LNG儲罐、儲罐、氮氣瓶；空溫式氣化器；復(fù)熱器；卸車增壓器、放散管；調(diào)壓計量加臭撬等工藝裝置。

輔助生產(chǎn)區(qū)包括：辦公樓、生產(chǎn)輔助用房、門衛(wèi)、消防水池、停車場和大門等。

1 供電負(fù)荷等級的確定和供配電系統(tǒng)的方案

LNG的理化特性決定了LNG氣化站具有發(fā)生危險事故的可能性，通常有：泄漏、火災(zāi)和爆炸，盡管危險事故發(fā)生概率較低，若一旦發(fā)生，后果將不堪設(shè)想。LNG氣化站一般負(fù)責(zé)一個地域區(qū)域或一個(多個)大型工業(yè)企業(yè)的燃?xì)獾墓?yīng)，往往因事故或其他原因造成暫停供氣會引起較大的社會影響和嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，因此，對于保障 LNG氣化站供電電源的可靠性就變得尤為重要了，提高和確定LNG氣化站的用電負(fù)荷等級，決定了其安全正常運行的可靠性及相關(guān)其他配套的專業(yè)的設(shè)計思路與措施。根據(jù)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計規(guī)范》(GB 50028—2006)中，關(guān)于總儲存容量不大于2 000 m3的 LNG氣化站，其供電系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》(GB 50052—2009)“二級負(fù)荷”的規(guī)定，因此，LNG氣化站的用電負(fù)荷等級定性為二級負(fù)荷。

在《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》(GB 50052—2009)中 3.0.7條規(guī)定“二級負(fù)荷的供電系統(tǒng)，宜由兩回線路供電”，因此，目前的LNG氣化站設(shè)計中一般采用雙回路電源進(jìn)線或一路市政電源進(jìn)線，另一路采用單獨設(shè)置自備柴油發(fā)電機這兩種方式供電，以上兩種方式均可以滿足現(xiàn)行國家規(guī)范的要求。

采用雙回路電源進(jìn)線的方式具有供電安全性及可靠性高，運行維護(hù)方便的優(yōu)點；但是往往卻因?qū)嶋H LNG氣化站選址的原因，供電部門無法提供雙回路電源。LNG氣化站一般用于無法使用管道天然氣的地區(qū)及企業(yè)，其多設(shè)于城鎮(zhèn)中較偏遠(yuǎn)地區(qū)，這些地區(qū)本身的市政配套不完善，給雙回路電源的提供帶來了困難。所以，此方式受外部電源實際情況影響較大，有時無法滿足。而采用一路市政電源進(jìn)線，另一路由站區(qū)設(shè)置自備柴油發(fā)電機的方式其優(yōu)點是受外部電源情況影響較小，并且可以根據(jù)站區(qū)自身情況，來決定柴油發(fā)電機容量，在確保站區(qū)安全運行的前提下，保證站區(qū)的正常工況運行；此方案的缺點就是需單獨設(shè)置柴油發(fā)電機間以及儲油間，增加了站區(qū)建筑物面積；并且需進(jìn)行定期維護(hù)保養(yǎng)等相關(guān)工作。綜合比較上述兩種方式，自備柴油發(fā)電機供配電方式的靈活性和自由度更高，更受業(yè)主的青睞，被廣泛接受與采用。

雙回路高壓電源進(jìn)線供配電設(shè)計方案見圖1。

圖1 雙回路高壓電源進(jìn)線供配電方案

由市政10 kV電網(wǎng)引兩路電源至站區(qū)變電所，兩路電源同時運行，互為備用，經(jīng)變壓后分別引至不同的低壓母排，0.4 kV低壓側(cè)采用單母線分段接線，兩端母線間設(shè)母聯(lián)開關(guān)，低壓主斷路器與母聯(lián)開關(guān)之間采用三鎖兩鑰匙的互鎖關(guān)系，防止電源并列運行。將消防負(fù)荷及重要負(fù)荷設(shè)置于兩臺變壓器的低壓出現(xiàn)側(cè)(消防負(fù)荷及重要負(fù)荷考慮低壓側(cè)雙電源末端切換供電)；將剩余非重要負(fù)荷均勻分配于兩臺變壓器低壓出線側(cè)，盡量做到使兩臺變壓器容量一致，選擇相同規(guī)格變壓器；變壓器的容量選擇根據(jù)需要系數(shù)法負(fù)荷計算確定，并且按消防負(fù)荷與非消防負(fù)荷的容量大者確定。

一路市政10 kV高壓電源及自備柴油發(fā)電機進(jìn)線供配電設(shè)計方案見圖2。

圖2 一路市政高壓電源及自備柴油發(fā)電機供配電方案

目前一般在 LNG氣化站的供配電設(shè)計中最常采用此方案，柴油發(fā)電機電源直接接入變壓器低壓母線，通過低壓母線進(jìn)行配電，引至站內(nèi)各用電設(shè)備。柴油發(fā)電機進(jìn)線斷路器與變壓器低壓出線斷路器進(jìn)行互鎖，防止市電與柴油發(fā)電機并列運行，滿足規(guī)范要求的同時兼顧業(yè)主的使用要求。

2 自備柴油發(fā)電機的容量選擇及考慮因素

首先，變壓器的容量選擇計算：

LNG氣化站內(nèi)的二級負(fù)荷用電設(shè)備主要是消防設(shè)備、站控系統(tǒng)以及站區(qū)道路照明等重要負(fù)荷，三級負(fù)荷一般為站區(qū)內(nèi)辦公樓及倉庫等配套輔助用房的用電。消防設(shè)備主要以消防水泵為主。根據(jù)工程情況，以單罐容量150 m3的儲罐為例，給排水專業(yè)給出的消防水泵的容量為三臺 55 kW 的消防水泵(兩用一備)，采用星—△降壓啟動方式；站控系統(tǒng)和站區(qū)道路照明容量約為8.5 kW，辦公樓及倉庫等輔助用房用電量約為97 kW。用電負(fù)荷電壓等級為~220/380 V。

以下為工程示例：

根據(jù)項目的工藝裝置區(qū)生產(chǎn)性質(zhì)，按規(guī)范的規(guī)定，站控、應(yīng)急照明、消防水泵房按二級負(fù)荷供電，其它按三級負(fù)荷供電。

根據(jù)各生產(chǎn)裝置及輔助設(shè)施等提出的用電數(shù)據(jù)，采用需要系數(shù)法進(jìn)行負(fù)荷計算。在正常情況下，用電設(shè)備的裝機容量為 199.7 kW，計算負(fù)荷為182.9 kW，用電負(fù)荷計算詳見表1。

表1 正常用電負(fù)荷計算

火災(zāi)消防時用電設(shè)備的裝機容量120.7 kW，計 算負(fù)荷119.9 kW，用電負(fù)荷計算詳見表2。

表2 火災(zāi)消防時用電負(fù)荷計算

變壓器容量根據(jù)負(fù)荷計算，安裝一臺 SC10－250/10/0.4 kVA變壓器，負(fù)責(zé)整個站區(qū)供電。

其次，自備柴油發(fā)電機的容量選擇計算。

LNG氣化站柴油發(fā)電機滿足最大二級負(fù)荷的用電工況為：夜晚(站區(qū)道路照明全開)市電失電時發(fā)生消防事故，一臺消防水泵已經(jīng)起動并正常運行，此時再啟動第二臺消防水泵。因此，二級負(fù)荷最大用電量P=P已運行二級負(fù)荷用電量+PG2。

容量按消防水泵啟動時尖峰負(fù)荷考慮，根據(jù)《工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊》第三版 式(2-7)。

式中：SG2——按尖峰負(fù)荷計算的發(fā)電機視在功率，kVA；

Kj——因尖峰負(fù)荷造成電壓、頻率降低而導(dǎo)致電動機功率下降的系數(shù)，一般取Kj=0.9~0.95；

KG——發(fā)電機允許短時過載系數(shù)，一般取KG=1.4~1.6；

Sm——最大的單臺電動機或成組電動機的起動容量，kVA；

Pm——Sm的有功功率，kW；

Qm——Sm的無功功率，kvar；

PG2——SG2的有功功率，kW。

式中：Pe——用電設(shè)備(即消防泵)功率，kW；

Ur——用電設(shè)備額定電壓，kV；

cos?——為功率因數(shù)，取0.8；

Ir——電動機的額定電流，A；

Ist——電動機的全壓起動電流(一般Ist=7×Ir)，A；

It——電動機的星-△降壓起動起動電流(一般It=0.33×Ist)，A；

已知：消防泵設(shè)備功率Pe=55 kW；設(shè)備額定電壓Ur=0.38 kV；

得出：

采用最不利工況數(shù)據(jù)，Kj取0.95；KG取1.4；因此SG2=107.6 kVA。

而PG2=SG2cos?=86.08 kW；P=P已運行二級負(fù)荷用電量+PG2=55+10+86.08 kW=151.08 kW。

151.08 kW<180 kW，可采用180 kW柴油發(fā)電機。

以此類推，單罐容量100 m3的儲罐，采用三臺45 kW的消防水泵(兩用一備)，可采用150 kW柴油發(fā)電機；單罐容量60 m3的儲罐，采用三臺30 kW的消防水泵(兩用一備)，可采用100 kW柴油發(fā)電機。

在實際 LNG氣化站的工程設(shè)計中，往往柴油發(fā)電機的容量選擇不僅僅考慮二級負(fù)荷等重要負(fù)載的容量，還需兼顧非重要負(fù)荷在市電失電、非消防的情況下的運行。

LNG氣化站本來就是滿足那些無法使用管輸天然氣供氣城市的主要氣源或過渡氣源的衛(wèi)星站或中間調(diào)節(jié)場所，往往它們選址位置的相關(guān)市政配套設(shè)施不完善，對于市電的供電可靠性相對來說就比較低。因此，柴油發(fā)電機此時在這種液化天然氣的場站里不僅僅起到一個應(yīng)急電源的作用，而是一個備用電源的作用。在市政電源缺失而非消防的工況的情況下，由柴油發(fā)電機負(fù)責(zé)給整個站區(qū)的正常運行提供電力的保障，如辦公樓、輔助用房、倉庫和門衛(wèi)等一些對用電可靠性要求較低的負(fù)荷，這樣提高了整個站區(qū)的供電可靠性。在經(jīng)濟(jì)性方面，以180 kW和200 kW東風(fēng)康明斯柴油發(fā)電機為例，見表3。

表3 180 kW和200 kW東風(fēng)康明斯柴油發(fā)電機比較

從表3中比較可得，柴油發(fā)電機設(shè)備本身外型尺寸、油耗等均無太大差異。而180 kW和200 kW的柴油發(fā)電機在機房面積的要求和儲油間的設(shè)置上根據(jù)《工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊》第三版表3-11中，基本相差不大。

因此，柴油發(fā)電機的容量選擇首先應(yīng)滿足LNG氣化站對安全用電電源供電可靠性，這是設(shè)計中最基本的要求。假設(shè)滿足二級負(fù)荷的用電量大于整個站區(qū)的正常運行時的用電量，則柴油發(fā)電機的容量即按前者的用電量進(jìn)行選擇，反之，則可以在功能性方面考慮，滿足業(yè)主在使用上的一些基本要求，而適當(dāng)放大柴油發(fā)電機的容量。實例中，因負(fù)荷計算中的計算容量為 182.9kW，大于柴油發(fā)電機180kW的容量，考慮到站區(qū)運行的可靠性，適當(dāng)放大余量，因此，采用了一臺200kW柴油發(fā)電機做應(yīng)急備用電源，在滿足消防時二級負(fù)荷的供電要求的同時滿足了非消防工況下站區(qū)的正常運行。

3 結(jié)語

綜上所述，LNG氣化站的供配電方案的選擇及設(shè)計，受外界因素、內(nèi)部負(fù)荷情況等多種條件的影響，應(yīng)根據(jù)實際情況采用不同的方案。而根據(jù)多個工程的經(jīng)驗，LNG氣化站的市電供電往往采用一路10kV市政電源，站區(qū)內(nèi)設(shè)置10/0.4 kV變電所，一般采用一臺200 kVA或250 kVA干式變壓器，另設(shè)柴油發(fā)電機作備用電源，其容量與變壓器容量接近，因此，柴油發(fā)電機的容量往往也會考慮非消防工況下，站區(qū)正常運行時所需要的全部用電負(fù)荷。