电驱压气站供配电系统经济可靠性措施探讨

夏平　罗荣馨

摘 要：电驱压气站主要是为提高天然气长输管道的输气量，为保证压气站的安全平稳运行，必须对压气站配电系统进行安全可靠性设计，避免三相电压不平衡度超标，同时要满足天然气管网增输的功能。对电驱压气站供配电系统经济可靠性措施进行了探讨，提出了安全可靠性设计的原则，研究了将静止无功发生器SVG补偿技术应用到治理电源三相电压不平衡的可行性方案，同时针对站场变压器常规设计已无法满足用电负荷的情况提出了经济可行的解决措施。

关键词：电驱；供配电；经济；可靠性；措施

中图分类号：TE974 文献标识码：A

通常天然气管道压气站的功能是提高输气的压力，维持管道所要求的输气流量，主要设备是结构紧凑、运行效率高的离心式压缩机组。离心式压缩机组为速度型压缩机，只有在高速运行的情况下才能有效工作，按其驱动方式分为变频电机驱动和燃气轮机驱动，使用相应驱动设备的压气站称为电驱压气站和燃驱压气站。

大型变频电动机驱动压缩机具有运行稳定可靠、维护和维修费用低、速度调节精度高、输出效率高和环境污染小等优势，并且随着我国电网架构的完善和供电能力的提高，已经逐步替代了故障率高和维修费用高的传统燃气轮机驱动方式，成为压缩机组主流的驱动方式，特别是在经济发达地区。以西气东输二线东段为例，已建成的11个压气站中有7座电驱压气站，每站1台压缩机组启用，1台备用。

随着我国天然气需求量逐年增加，在不增大管径的基础上，要提高管道的输送量，必须要控制压气站压缩机组的停机次数，保证机组的持续稳定运转。通过对西气东输二线电驱压缩机停机次数的统计，供配电系统故障在电驱压气站压缩机组停机中占46%以上，严重制约了电驱压气站的生产工作。为此，提高电驱压气站供配电系统安全可靠性，保证站场运行的经济性，对于天然气长输管道的平稳运行和节能降耗具有重要意义。本文以西气东输二线某电驱压气站为例，在分析负荷特点及运行方式的基础上，对电驱压气站的供配电系统存在的问题提出了安全可靠性措施，对变压器的运行提出了优化配置方案。

1.电驱压气站供配电系统

某电驱压气站属于西气东输二线，主要任务为接收上游的来气，经过过滤分离和压缩机组增压后实现远输。电驱压气站的负荷等级为一级，主要负荷来自于3台压缩机（2用1备），特别是压缩机电功率比较大，配套电压应该在10kV等级。按照可靠性的要求，常规设计采用双重110kV电源供电，在压气站内设置变电站。变电站的作用主要是作为电驱压气站的供电枢纽，为离心式压缩机组变频系统提供高压电能，为站场的SCADA控制系统和ESD紧急切断放空系统提供低压电能，同时为站场用的泵机、空压机和风机提供动力支持。

变电站设计电压为110kV，供电方式为双回路供电。110kV、10kV及0.4kV母线均采用单母分段接线方式。3台压缩机组分配在两段l0kV母线上（10kV两进线开关及母联开关处配置有一台深圳国立智能公司SID快切装置）。3台压缩机组均采用VSDS（变频调速系统），主要配套设备为10kV高压开关柜、三相油浸隔离变压器、水冷变频器、三相异步电动机。

2.电驱压气站供配电系统安全可靠性设计措施

2.1 供配电方式设计

电驱压气站负荷等级为l级，按照相关规定，一级负荷用户应具备2路电源供电，2路电源应来自不同的变电站，当一路电源发生故障时，另一路电源能保证独立正常供电。

该电驱压气站有两台离心压缩机，每台离心式压缩机组都独立配套驱动电机、变频器、空冷器和马达控制中心等，两台压缩机的公用辅助设备包括空压机、冷却水塔和UPS。以前的设计供配电设计方式是离心式压缩机挂在10kV母线上，辅助设备分配在两端400V母线上，造成任何一段母线失电或者故障都会造成两台压缩机无法正常运行，也无法完成输气任务。合理的供配电方案应该是各压缩机组配套的主设备和辅助设备都应该按照电压等级的不同垂直挂接在同一段母线上，压缩机主设备挂在10kV母线上，其独立配套的辅助设备挂在400V母线上。辅助设备在选型时尽可能选购偶数台设备，并且平均分配在两段400V母线上。

该电驱压气站设计除要遵循国家和电力行业的相关设计运行规范标准外，需要考虑电力设备预防性试验和维检修的需求，并保证压气站电力系统，特别是压缩机组电驱系统抗“晃电”的能力。在预防性试验要求上，电驱压气站变电站设计过程中要考虑变压器、母线、绝缘子等设备系统预防性试验的要求，确保试验过程中能提供足够的操作空间，能保证压缩机组能进行切换作业实现断路器、母线和继电保护装置的停用，同时能保证压气站输气工作的正常。在压缩机变频系统“晃电”影响上，可以采取在低压部分设置工业UPS设备或者防止晃电的继电器来保证避免晃电导致压缩机停机，同时在高压部分可以利用快切装置与高压变频器相结合配置的手段来避免晃电的危害。

2.2 采用SVG系统治理三相电压不平衡

由于该电驱压气站变电站上级电源110kV侧母线上有铁路部门牵引变电所负载，负载为非线性和冲击性，会向电网注入大量的负序电流，导致其进线电源质量比较差，主要表现在间歇性的三相电压不平衡度超标，现场测试的结果表明电源的三相电压不平衡度最大值为3.45%，已经超过了国标限值2%的要求。电网三相电压不平衡导致压气站变频电动机进线电流存在较大的负序分量，最终使变电站保护动作、压缩机电机轴承振动和站内停电。由此可见，外电的电能质量在一定程度上影响着压气站平稳运行的安全可靠性。

电能质量的治理可以在污染的源头，就是对铁路牵引变电站进行治理，但目前受供电部门的限制，只能在电驱压气站进行治理。根据我国电能质量设备的发展状况，选择静态无功发生器SVG进行治理。SVG主要由储能装置、电抗器、逆变器和无源滤波器组成，可以等效为可控电压源，通过检测和输出负序电流来改变电网电压，抵消由于背景电网引起的三相电压不平衡。计划投用的思源公司SVG主要是控制输出负序电流来改变电网电压，从而抵消上游电网引起的三相电压不平衡，接线框图如图1所示，同时考虑到压缩机组全部投用和当地电气化铁路和企业的发展，容量定为6MVar。电驱压气站至SVG设备投用以来，较好的补偿了供电系统中的负序电流、谐波电流和无功电流，三相电压的不平衡度控制在1.4%以内，系统的功率因素稳定在0.98，不平衡度控制在1.4%以内（如图2所示），彻底解决了由于电能质量问题导致的电机振动甚至停机的问题，保证了供配电系统的稳定性。

该电驱压气站110kV变电站两回路供电线路全长约为24kM，在压气站3台压缩机停用期间线路基本上就是在空载运行，因而产生了大量的无功功率，按照与供电部门签订的用电合同，功率因素低于0.9时会对该压气站进行罚款。采用SVG补偿技术后，提高了压缩机停机期间功率因素。

3.优化电驱压气站供配电系统配置

由于西气东输电驱压气站的主要负荷是压缩机组，负荷等级为一级，按照可靠性的要求，通常是采用110kV的电源供电，同时考虑到发展的预留，通常会配置2台63000kVA的110/10kV变压器，变压器采用分列式运行方式，均互为热备用，就是一台故障时候，另外一台变压器全负荷运行。但随着市场对天然气的需求增加，X80钢管的应用，需要进一步提交压缩机组的压缩比，这就增加了用电负荷，需要采用新的配电方案来应对负荷的增加。

通过对某电驱压气站用电负荷的预测，在2025年该站机组的配置将采用3用1备，用电负荷最大将超过常规电驱压气站的变压器容量63000kVA，将达到75117kVA，这要求设计新的配电方案，即在原来变压器配置上增加变压器台数或者增加变压器的容量，同时需要对这两种方案进行技术经济分析。

通过对变压器设备参数的了解，对变压器初始费用、电度费用等经济参数的统计，同时对压缩机组要求变压器初始负载、功率因数、年带电小时数等运行参数的选择，依据《配电变压器能效技术经济评价导则》中综合能效费用法对变压器使用期间的费用进行计算，认为增加1台变压器的综合能效费用要低于增加2台变压器容量的方案。在选择配电方案的基础上，同时考虑了3台变压器的运行方式，在2016年至2019年该站运行期间，可以采用2台变压器互为热备的需要，1台停用，就是在1台变压器出现故障时候，另外1台变压器能迅速投入使用。从不改变变压器传统设计2台的基础上，可以从优化变压器配置出发，考虑将站用的10kV变压器和10kV隔离变压器与两台110kV变压器进行整合配置，调整隔离变压器匹配压缩机组工况，这样有利于电驱压气站经济运行。在实际的运行过程中，需要进一步对压缩机运行、变压器配置和变压器产品开展系统分析，确认3台变压器运行模式的经济性，控制综合功率损耗，为后续的电驱压气站节能降耗提供宝贵的意见。

结论

随着电驱压气站在天然气管道上的应用，其供配电系统对天然气管道的平稳运行越来越重要，特别是电网污染越来越严重，天然气发电越来越普及，对电驱压气站配电系统的经济可靠性运行提出了挑战。本项目的实施，特别是SVG补偿技术在治理三相电压不平衡的应用和采用多台变压器来应对用电负荷增加的方案，为今后电驱压气站外电质量的治理工作提供了经验借鉴，为电驱压气站变压器扩容提供了可行性的经济方案，在国家节能减排政策实施的条件下，具有广泛的应用价值。

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