2×300MW火力发电厂设计-本科毕业设计(论文)
广东工业大学华立学院
本科毕业设计（论文）
2×300MW火力发电厂设计
论文题目 2×300MW火力发电厂设计
学部机电与信息工程学部
专业电气工程及其自动化
班级
学号
学生姓名
指导教师
2013年5月
摘要
随着我国经济发展，对电的需求也越来越大。电作为我国经济发展最重要的一种能源，主要是可以方便、高效地转换成其它能源形式。电力工业作为一种先进的生产力，是国民经济发展中最重要的基础能源产业。而火力发电是电力工业发展中的主力军，截止2006年底，火电发电量达到48405万千瓦，越占总容量77.82%。由此可见，火力电能在我国这个发展中国家的国民经济中的重要性。
该设计主要从理论上在电气主接线设计、短路电流计算、电气设备的选择、配电装置的布局、防雷设计、发电机、变压器和母线的继电保护等方面做详尽的论述，并与火力发电厂现行运行情况比较，同时，在保证设计可靠性的前提下，还要兼顾经济性和灵活性，通过计算论证火电厂实际设计的合理性与经济性。采用软件绘制了大量电气图和查阅相关书籍，进一步完善了设计。
关键词：主接线设计，短路电流，配电装置，电气设备选择，继电保护
Abstract
With the developing of economy in our country, we need more and more Electricity energy. The Electricity is the most important energy of economic development which can be conveniently and efficiently converted into other forms of energy. The Electricity industry as a advanced produced energy. It is the most important basic energy industry. And the thermoelectricity is the main energy in the Electricity industry .Until the end of 2006,power Electricity produce is 48405 kilowatt, occupied 77.82 percent in the entire capacity. So thermoelectricity energy plays an important role in our country which is a developing country.
In this design, I will mainly discuss main electric connection design, short circuit account, electric equipment choice, electric equipment layout, lightning strike defending design, electrical machine, transformer and generatrix protective relaying detailedly in theory and comparing with the power plant, while ensuring the reliability of the design, under the premise we should also take into account economic and flexibility demonstrated by calculating the effective thermal power plant design and reasonable economy. During my counting and demonstrating, in order to consummate my design, I will protract a great lot of electric engineering-pictures following the new criterion of electric engineering-enchiridion.
Key words：main electric connection design，short current，electric equipment choice electric equipment layout，protective relaying
目录
1 绪论 (1)
1.1 课题背景 (1)
1.2 课题研究的目的与意义 (2)
1.3 原始资料 (2)
1.3.1 原始数据 (2)
1.3.2 环境条件 (3)
2 电气主接线设计 (5)
2.1 电气主接线的基本要求 (5)
2.2 电气主接线分析 (5)
2.3 对原始资料的分析 (7)
2.4 电气主接线方案比较及确定 (7)
3 厂用电的设计 (10)
3.1 厂用负荷分类 (10)
3.2 厂用电的电压等级 (10)
3.3 厂用电源及其引接方式 (11)
4 变压器的选择 (14)
4.1 主变压器的选择原则 (14)
4.2 厂用变压器的选择原则 (14)
4.3 确定变压器台数及容量 (14)
5 短路电流计算 (17)
5.1 短路电流计算目的及规则 (17)
5.2 短路等值电抗电路及其参数计算 (17)
6 电气设备的选择 (22)
6.1 电气设备选择的一般条件 (22)
6.2 电气设备的整定计算 (24)
6.2.1 高压断路器的选择 (24)
6.2.2 隔离开关的选择 (26)
6.2.3 电压互感器的选择 (28)
6.2.4 电流互感器的选择 (30)
6.2.5 避雷器的选择 (33)
7 发电机-变压器组继电保护配置 (35)
7.1 发电机的继电保护配置 (35)
7.2 变压器的继电保护配置 (36)
8 配电装置 (38)
8.1 屋内配电装置 (39)
8.2 屋外配电装置 (39)
9 锅炉概况 (41)
参考文献 (44)
1 绪论
1.1 课题背景
电力工业是国民经济的重要部门之一，是一种将煤、石油、天然气、水能、核能、风能等一次能源转换成电能这个二次能源的工业，其发展水平是反映国家经济发达程度的重要标志，和广大人民群众的日常生活有着密切的关系。电力是工业的先行，电力工业的发展必须优先于其他的工业部门，整个国民经济才能不断前进。
近几年随着我国工业的高速发展，我国电力工业超常规发展，每年装机容量超过30万千瓦、60万千瓦亚临界火电机组成为我国电网的主力机组，百万千瓦的超超临界火电机组已经在建。目前，我国30万千瓦、60万千瓦的火力发电机组，70万千瓦的水力发电机组，在国际招标中中标成功率大于90%以上。这几年电力工业之所以能飞速发展，其重要原因是，为中国电力市场提供的火力发电设备主要立足于国内生产。这一观点得到国内各发电公司以及电厂老总们的认同。今天电气制造企业的国内用户率已达到75%以上。
火力发电是现在电力发展的主力军，在现在提出和谐社会，循环经济的环境中，我们在提高火电技术的方向上要着重考虑电力对环境的影响，对不可再生能源的影响，虽然现在在我国已有部分核电机组，但火电仍占领电力的大部分市场，近年电力发展滞后经济发展，全国上了许多火电厂，但火电技术必须不断提高发展，才能适应和谐社会的要求。
目前，我国的电力工业已经进入“大电网”、“大机组”、“超高压，交直流输电”、“电网调度自动化”、“状态检修”等新技术发展新阶段，一些世界水平的先进技术，已在我国电力系统得到了广泛的应用。
随着近年来我国国民经济的高速发展与人民生活用电的急剧增长，电力工业的发展仍不能瞒足整个社会发展的需要。另外，由于我国人口众多，因此在按人口平均用电方面，仍只处于中等水平，尚不能及全世界平均人口用电量的一半。2008年人均用电量2596kW·h，人均占用发电装机容量仅为0.6kW；我国第二产业用电比重为76.49%，第三产业为9.78%，生活用电比重为11%。由此可见，我国人均用电水平远低于发达国家，与完成其工业化进程国家的电力指标相比，我国经济发展正处于工业化进程的中后期，我国用电远低于国际水平。
因此我国电力工业必须持续，稳步地大力发展，一方面要加强电源建设，搞好“西电东送”，确保电力先行，另一方面要深化电力体制改革，实施厂网分家。
1.2 课题研究的目的与意义
本设计要求能运用电机、发电厂、变电所电气部分，高电压技术，电力系统自动化，电力系统继电保护等专业知识解决实际问题。
我国是发展中国家，我国的电力工业长期以来依靠多家办电的政策，吸引了投资，促进了我国电力工业的发展；并通过引进、消化、吸收和技术创新，极大地提高了电力的技术水平和装备水平；通过坚持不懈的达标、创一流工作，大大提高了电力企业的管理水平，很多电力企业，尤其是一些发电厂的管理水平可以与发达国家的电厂的管理一比高低。
因此，研究火电厂设计有着重大意义，像我国某些二期发电工程，发电能够满足广大寒冷地区冬季的采暖供热，采用水塔排烟(烟塔合一)新工艺是自主设计、自主施工、具有自主知识产权的先进工艺技术。二期工程建设引进国内外先进的环保技术和设施，实现一期已建成机组与二期工程同步进行100％烟气脱硫；在采用低氮燃烧技术的基础上，二期锅炉采用100％烟气脱硝系统和采用高效除尘器，排放指标较低。引进污水处理厂提供的中水，作为发电冷却用补充水，每年可节约优质水资源，促进循环经济和社会的可持续发展。锅炉采用干除灰、干排渣技术。灰、渣及脱硫石膏100％综合利用和深加工，变废为宝，实现零排放。
1.3 原始资料
1.3.1 原始数据
1、发电厂建设规模
类型：凝气式火电厂
最终容量、机组的型式和参数：
表1.1 300MW汽轮发电机的主要技术参数
2、电力系统与本厂的连接情况
（1）电厂在电力系统中的作用于地位：地区电厂
（2）发电机连入系统的电压等级：220kV
（3）电力系统总装机容量：8000MW，短路容量：12000MV A
3、电力负荷水平
（1）220kV电压等级：架空线6回,输送距离80㎞，Ⅰ级负荷，最大输送400MW，Tmax=5000h/a
（2）110kV电压等级：架空线4回，Ⅰ级负荷，最大输送161MW，Tmax=4300h/a （3）厂用电率：6.5%
1.3.2 环境条件
1、厂址特点及自然环境
某电厂位于某市区以西约20km的昭平湖水渠西岸的四山村，靠近铁路，能够运用铁路运输，地势有农田、丘陵和群山。自然地面标高75m~115m，由II级阶地及IV级阶地组成，呈阶地丘陵地貌景观。原始地形为阶地丘陵，最高115m，由于长期的侵蚀，河谷较发育，地面标高一般在75m以上，整个厂区相对高差40m左右。
2、厂区工程地质条件
该地区构造比较简单，属相对稳定地块，区域内无孕地震构造，根据1990年我国地震烈度区划图的划分，地震基本烈度为小于6度地震区，主厂房地段可利用强风化粉砂岩作为地基的主要持力层，烟窗地段利用中等风化泥质粉砂岩作为桩基的主要持力层，干煤棚地段利用卵石层作为地基的主要持力层，升压站、净化站、风水处理站区利用下部冲积粉质粘土作为地基主要持力层。
3、水文气象条件
厂址：P=1%,洪水位：84.11m，取水口：P=97%，设计枯水位：73.1m，气温：最高
40.0℃、最低-7.7℃、平均18.0℃，湿度：年平均相对湿度81％，降雨量：全年平均1646.5mm，气压:全年平均1005.5HPa,风速：最大18.0m/s、平均2.1m/s。
2 电气主接线设计
发电厂的电气主接线，是由高压电器设备通过连接线组成接受和分配电能的电路，也称为一次接线。它反映各设备的作用，连接方式和各回路间相互关系，从而构成发电厂或变电所电气部分的主体。电气主接线是连续供电和电能质量的关键环节，它直接影响着配电装置的布置、继电保护的配置、自动装置和控制方式的选择，它必须满足工作可靠、调度灵活、运行检修方便且具有经济性和发展的可能性等基本要求。
2.1 电气主接线的基本要求
1、保证必要的供电可靠性和电能质量
安全可靠是电力生产的首要任务，停电不仅使发电厂造成损失，而且对国民经济各部门带来的损失将更严重，往往比少发电能的损失大几十倍，至于导致人身伤亡、设备损坏、产品报废、城市生活混乱等经济损失和政治影响，更是难以估量。因此，主接线的接线形式必须保证供电可靠。
2、具有一定的灵活性和方便性
主接线不仅正常运行时能安全可靠地供电，而且在系统故障或设备检修及故障时，也能适应调度的要求，并能灵活、简便、迅速地倒换运行方式，使停电时间最短，影响范围最小，具有发展和扩建的可能性。
3、具有经济性
在主接线设计时，在满足供电可靠的基础上，尽量使设备投资费和运行费为最少，注意节约占地面积和搬迁费用，在可能和允许条件下应采取一次设计，分期投资、投产，尽快发挥经济效益。
2.2 电气主接线分析
1、单元接线
其是无汇流母线接线中最简单的形式，也是所有主接线基本形式中最简单的一种，接线简单、开关设备、操作简便。
本设计中机组容量为300MW，所以发电机出口采用封闭母线，为了减少断开点，可不装断路器。这种单元接线，避免了由于额定电流或短路电流过大，使得选择断路器时，受到制造条件或价格甚高等原因造成的困难。
2、单母线分段带专用旁路断路器的旁路母线接线
优点：在正常工作时，旁路断路器以及各出线回路上的旁路隔离开关，都是断开的，旁路母线不带电，通常两侧的开关处于合闸状态，检修时两两互为热备用；检修QF时，可不停电；可靠性高，运行操作方便。
缺点：增加了一台旁路断路器的投资。
3、单母分段线分段断路器兼作旁路断路器的接线
优点：可以减少设备，节省投资；同样可靠性高，运行操作方便。
4、双母线接线
优点：供电可靠，优点是供电可靠，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致使供电中断。一组母线故障后能迅速恢复供电，检修任一回路母线的隔离开关时，只需断开此隔离开关所属的一条电路和与此隔离开关相连的该组母线，其他线路均可通过另一组母线继续运行；调度灵活，各个电源和各个回路负荷可以任意分配到某一组母线上，能灵活地适应电力系统中各种运行方式调度和潮流变化地需要，通过倒换操作可以组成各种运行方式；扩建方便。
缺点：由于220KV电压等级容量大，停电影响范围广，双母线接线方式有一定局限性，而且操作较复杂，对运行人员要求高。增加一组母线和多个隔离开关，一定程度上增加一次投资。当母线故障或检修时，隔离开关作为倒换操作电器，容易误操作，需装设连锁装置。双母线接线适合于出线回路为5回及以上且在系统内居重要地位时。
5、双母线带旁路母线的接线
优点：增加供电可靠性，运行操作方便，避免检修断路器时造成停电，不影响双母线的正常运行。
缺点：多装了一台断路器，增加投资和占地面积，容易造成误操作。
6、内桥接线
在线路故障或切除、投入时，不影响其余回路工作，并且操作简单。而在变压器故障或切除、投入时，要使相应线路短时停电，并且操作复杂。因而该接线一般适用于线路较长（相对来说线路的故障机率较大）和变压器不需要经常切换（如火电厂）的情况。内桥接线的适用范围为两回进线，两台主变，正常运行方式下，桥开关处于闭合状态，优点：具有一定供电可靠性，使用高压断路器少，一次投资少。
缺点：没有扩建可能性，高压进线只有两回，没有出线可能，内桥接线不适合有穿
越功率通过。
2.3 对原始资料的分析
从原始资料可以知道，本电厂属于地区性火力发电厂，有两台300MW的发电机组成，建成后装机总容量为8000MW，该电厂的发电容量除了本厂厂用电后剩余的电力向系统供电。因此，本电厂在系统中有重要作用。电厂是否安全、可靠运行直接影响该地区的经济效益，可见该电厂的重要性。
2.4 电气主接线方案比较及确定
第一种方案是：300MW发电机G-1，G-2采用单元接线通过双绕组的变压器与220KV 母线相连，220KV电压级出线为6回，因此其供电要充分考虑其可靠性，所以我们采用双母线接线。这样一来就避免了断路器检修时，不影响对系统的供电。断路器或母线故障以及母线检修时，减少停运的回路数和停运时间，保证了可靠的供电。有原始资料可知发电机不与110KV的母线相连，故在220KV、110KV及厂用电6KV的三个等级上采用的联络变压器为三相三绕组变压器相连，110KV母线采用双母接线。如图2.1所示：
220KV
6KV厂用电侧
图2.1方案一
第二种方案是：由方案一，我们很容易想到220KV 母线采用双母带旁路连接，110KV 母线采用双母线连接，如图2.2所示:
6KV 厂用电侧
6KV
厂用电侧
图2.2 方案二
现对这两个方案进行综合比较，如表2.1
表2.1 方案比较
通过对两种主接线可靠性、灵活性和经济性的综合考虑，辨证统一，现确定第二方案为设计的最终方案。
3 厂用电的设计
发电厂在启动、运转、停机、检修的过程中，有大量以电动机拖动的机械设备，用以保证机组的主要设备和输煤、碎煤、除灰、除尘及水处理等辅助设备的正常运行。这些电动机及全厂的运行操作、试验、检修、照明等用电设备都属于厂用负荷。总的耗电量，统称为厂用电。
300MW汽轮发电机组厂用电接线的要求：
1、每台机组的厂用电系统应是独立的；
2、全厂性公用负荷应分散接入不同机组的采用母线或公用负荷母线；
3、厂用电的工作电源及备用电源接线应能保证各单元机组和全厂的安全运行；
4、充分考虑电厂分期建设和连续施工过程中厂用电系统的运行方式，特别要注意对公用负荷供电的影响，要便于过渡，尽量减少改变接线和更换设备；
5、设置足够的交流事故保安电源，当全厂停电时，可以快速启动和自动投入向保安负荷供电。
3.1 厂用负荷分类
发电厂厂用负荷根据其重要性、合理提供电源和供电方式，负荷可分以下几类：Ⅰ类负荷：在瞬时短时停电，可能对人身和设备造成安全，使生产停顿或发电量大幅度下降，如送、引风机、给水泵等负荷，要求这类负荷的供电系统可靠，工作电源故障后，应有备用电源自动投入。对设备配置上要有备用设备，双电源供电，自动切换。
Ⅱ类负荷：这类负荷允许短时停电，但如停电时间过长，有可能损坏设备或影响正常生产，如磨煤机、碎煤机等负荷。这类负荷供电与Ⅰ类负荷相似，电源也应可靠，但是备用电源可不自投，而用手动投入即可。Ⅱ类负荷一般也有备用设备，如不配备用设备，也要双电源供电。
Ⅲ类负荷：一般与生产工艺过程无直接联系，即使较长时间停电，也不会直接影响到电厂正常运行，如油处理设施及中央修配厂等负荷。这类负荷的供电的可靠性可以略低些，允许只有一个电源。
3.2 厂用电的电压等级
对300MW机组的厂用电，根据国内若干电厂的设置情况，厂用电采用6KV和380V
两个电压等级。配电原则是：200KW 及以上的电动机采用6KV 电压供电，200KW 以下的电动机采用380V 电压供电。
可使厂用电系统简化、设备减少，但许多2000KW 以上的大容量电动机接在6.3KV 母线上，也会带来设备选择和运行方面的问题。设计时都是经过诸多因素的综合比较后确定。
1、发电厂厂用高压电压
综合考虑厂用系统的短路电流水平及断路器的开断电流，以及高压厂用系统中最大一台电动机正常工作启动时，厂用母线电压不低于80%额定电压的要求。厂用高压选用6KV 电压等级，通过合理选择变压器容量及阻抗值，电动机启动电压均可满足要求。 2、发电厂厂用低压电压
主厂房的低压厂用电系统采用动力与照明分开供电方式，动力与照明网络电压为380V ，低压厂用电压为380V ，辅助厂房的低压电压均为380V 。 3、电动机的引接
200KW 及以上的电动机接6KV ，200KW 电动机接380V 。
3.3 厂用电源及其引接方式
发电厂的厂用工作电源，必须供电可靠，且能满足电厂各种工作状态的要求，除应具有正常的工作电源外，还应设置备用、启动电源和事故保安电源。一般电厂中都以启动电源兼作备用电源。
1、厂用工作电源及其引接 对于大容量的机组，各台机组的厂用工作电源必须是独立的，是保证机组正常运行最基本的电源，要求供电可靠，而且要满足整套机炉的全部厂用负荷要求，并可能还要承担部分公用负荷。
300MW 机组都采用发电机—变压器组单元接线，并采用分相封闭母线。机组厂用
G
图3.1 厂用电源引接方式
电源都从发电机G 至主变压器T 之间的，即从发电机出口经高压厂用变压器T1、T2将发电机出口电压降至所要求的厂用高压，如图3.1所示。在这种接线方式下，发电机、主变压器、厂用高压变压器以及相互连接的导体，任何一个元件故障都要断开主变压器高压侧的断路器并停机。因此，仅当发电机处于正常运行时，才对厂用负荷供电；在发电机处于停机状态、启动时发电机电压建立之前或停机过程电压下降时，都不能对厂用负荷供电。这就需要另外设置独立可靠的启动和停机用的电源。停机电源是指保证发电机安全停机的某些厂用负荷继续运行一段时间所需的电源。
2、厂用备用电源与启动电源
备用电源用于因工作电源事故或检修而失电时替代工件电源，起后备作用。备用电源应具有独立性和足够的供电容量，最好能与电力系统紧密联系，在全厂停电下仍能从系统获得厂用电源。
启动电源一般是指机组在启动或停机过程中，工作电源不可能供电的工况下为该机组的厂用负荷提供电源。
300MW 机组的启动、备用厂用电源和其它机组一样，采用启动电源兼备用电源的方式设置，而且一般都经启动/备用变压器从220KV 系统引接，具有很高的可靠性。这种除起备用电源和启动电源的作用外，也承担了发电机停机电源的作用。对于300MW 机组，一般每两台设一套公用的启动/备用变压器。
对于低压380V 的备用电源，与低压工作电源的引接相似，也从中压厂用母线经低压变压器引接，但低压工作电源与备用电源取自中压厂用母线的不同分段上。
3、事故保安电源
对300MW 机组，启动/备用变压器通常接于110KV 系统，供电的可靠性已相当高，但仍需设置后备的备用电源，即事故保安电源。当厂用工作电源和
备用电源都消失时，为确保能安全停机，应设置事故保安电源，以满足事故保安负荷和连续供电。
300MW 机组每台机一般设一台柴油发电机，采用每机组一台柴油机分时间段的接
柴油发电机
工图3.2 事故保安电源引接方式
线，图3.2所示。
保安负荷时间，分为以下几种：
（1）瞬时启动负荷，即全厂停电时须在数秒内投入的负荷，如润滑油泵等。
（2）延时投入负荷，可按主机停运程序分期延时投入的负荷。如顶轴油泵、盘车电动机等。因而一般把保安负荷分为0s、50s后和10min后投入三类，分别设三个MCC。
（3）厂用电基本接线形式
厂用电接线方式合理与否，对机、炉、电的辅机以及整个发电厂的工作可靠性有很大影响。厂用电的接线应保证采用供电的连续性，使发电厂能安全满发，并满足运行安全可靠、灵活方便等要求。
300MW机组通常都为一机一炉单元式设置，采用机、炉、电为一单元的控制方式，因此，采用系统也必须按单元设置，各台机组单元（包括机、炉、电）的厂用系统必须是独立的，而且采用多段（两段或四段）单母线供电。
4 变压器的选择
4.1 主变压器的选择原则
1、为保证发电机电压出线供电可靠，接在发电机电压母线上的主变压器一般不少于两台；
2、在计算通过主变压器的总容量时，至少应考虑5—10年内负荷的发展需要，并要求，在发电机电压母线上的负荷为最小时，能将剩余功率送入电力系统；
3、发电机的额定容量扣除本机组的厂用负荷后，留有10%的裕度；
4、发电机电压母线上最大一台发电机停运时，能满足发电机电压的最大负荷用电需要；。
5、容量为300MW及以下机组单元单元接线的主要变压器和330KV及以下电力系统中，一般都应选用三相变压器；
6、变压器按其每相的绕组分为双绕组、三绕组或更多绕组等型式；发电厂以两种升高电压级向用户供电或与系统连接时，可以采用2台双绕组变压器或三绕组变压器。
4.2 厂用变压器的选择原则
厂用变压器的选择主要考虑高压厂用工作变压器和启动设备变压器的选择，其选择包括变压器的台数、型式、额定电压、容量和阻抗。
1、厂用变压器的额定电压应根据厂用电系统的电压等级和电源引接处的电压确定，变压器一、二次额定电压必须与引接电源电压和厂用网络电压一致。
2、变压器的容量必须满足厂用机械从电源获得足够的功率。
3、厂用高压备用变压器或起动变压器应与最大一台高压厂用工作变压器容量相同；低压厂用备用变压器的容量应与最大一台低压厂用工作变压器容量相同。
4.3 确定变压器台数及容量
1、台数：根据原始资料，该厂除了本厂的厂用电外，其余向系统输送功率，所以不设发电机母线，发电机与变压器采用单元接线，保证了发电机电压出线的供电可靠，300MW发电机组的主变压器选用双绕组变压器2台。向本厂供电变压器选用三相式双绕组变压器2台，厂用备用电源选用双绕组变压器1台，三个电压等级的母线之间的母
连变压器选用三相三绕组变压器。
2、容量：单元接线中的主变压器容量N S 应按发电机额定容量扣除本机组的厂用负荷后，预留10％的裕度选择。
G P NG N ΦCOS )
Κ-1(Ρ1.1=S
（4.1） 式中NG Ρ为发电机容量；N S 为通过主变压器的容量；G ΦCOS 为发电机的额定功率，
85.0=ΦCOS G ；P K 为厂用电率，P K =6.5%
发电机G-1、G-2的额定容量为300MW ，扣除厂用电后经过变压器的容量为：
G
P NG N COS S ΦK P =
)-1(1.1 =
MVA 36385
.0)
065.01(3001.1=-? （4.2）
经计算后选取变压器如下：
（1）300MW 发电机组所选变压器型号为：SFP-360000/220两台； （2）三个等级母线间的变压器型号为：SFPS-240000/220一台；
（3）与300MW 发电机组相连的厂用变压器型号为：SFF7-40000/18两台； （4）厂用备用电源变压器型号为：SF27-40000/110一台；
（5）连接6KV 与三绕组变压器的变压器型号为：SFF-31500/15一台。 其具体参数如表4.1所示：