LNG气化站供配电方案选择及设计的浅析

上海燃气工程设计研究有限公司 王晓晔

0 概述

天然气是一种洁净、环保、使用方便的能源，随着人们生活质量的迅速提高、环保意识的提高，对天然气的需求日益增加。天然气作为目前世界上最佳能源，在我国城市气源的选择中已被高度重视，大力推广天然气已成为我国的能源政策，但由于天然气长距离管道输送的工程规模大、投资高、建设周期长，短时间内长输管线难以到达大部分中小城市。

利用超低温冷冻技术使天然气成为液态，称之为液化天然气。液化天然气指在常压或略高于常压下低温(-162 ℃)液化了的天然气，简称 LNG(Liquefied Natural Gas)。LNG体积约为其气态体积的 1/625，所以液化了的天然气更有利于远距离运输、储存，尤其在无法使用管道天然气的地区，应用前景很广。

LNG已成为目前无法使用管输天然气供气城市的主要气源或过渡气源，也是许多使用管输天然气供气城市的补充气源或调峰气源。LNG气化站凭借其建设周期短以及能迅速满足用气市场需求的优势，已逐渐在我国东南沿海众多经济发达、能源紧缺的中小城市建成，成为永久供气设施或管输天然气到达前的过渡供气设施。

LNG气化站主要分为生厂区和辅助生产区二个区域。生产区包括：LNG储罐、储罐、氮气瓶；空温式气化器；复热器；卸车增压器、放散管；调压计量加臭撬等工艺装置。

辅助生产区包括：办公楼、生产辅助用房、门卫、消防水池、停车场和大门等。

1 供电负荷等级的确定和供配电系统的方案

LNG的理化特性决定了LNG气化站具有发生危险事故的可能性，通常有：泄漏、火灾和爆炸，尽管危险事故发生概率较低，若一旦发生，后果将不堪设想。LNG气化站一般负责一个地域区域或一个(多个)大型工业企业的燃气的供应，往往因事故或其他原因造成暂停供气会引起较大的社会影响和严重的经济损失，因此，对于保障 LNG气化站供电电源的可靠性就变得尤为重要了，提高和确定LNG气化站的用电负荷等级，决定了其安全正常运行的可靠性及相关其他配套的专业的设计思路与措施。根据现行国家标准《城镇燃气设计规范》(GB 50028—2006)中，关于总储存容量不大于2 000 m3的 LNG气化站，其供电系统设计应符合现行国家标准《供配电系统设计规范》(GB 50052—2009)“二级负荷”的规定，因此，LNG气化站的用电负荷等级定性为二级负荷。

在《供配电系统设计规范》(GB 50052—2009)中 3.0.7条规定“二级负荷的供电系统，宜由两回线路供电”，因此，目前的LNG气化站设计中一般采用双回路电源进线或一路市政电源进线，另一路采用单独设置自备柴油发电机这两种方式供电，以上两种方式均可以满足现行国家规范的要求。

采用双回路电源进线的方式具有供电安全性及可靠性高，运行维护方便的优点；但是往往却因实际 LNG气化站选址的原因，供电部门无法提供双回路电源。LNG气化站一般用于无法使用管道天然气的地区及企业，其多设于城镇中较偏远地区，这些地区本身的市政配套不完善，给双回路电源的提供带来了困难。所以，此方式受外部电源实际情况影响较大，有时无法满足。而采用一路市政电源进线，另一路由站区设置自备柴油发电机的方式其优点是受外部电源情况影响较小，并且可以根据站区自身情况，来决定柴油发电机容量，在确保站区安全运行的前提下，保证站区的正常工况运行；此方案的缺点就是需单独设置柴油发电机间以及储油间，增加了站区建筑物面积；并且需进行定期维护保养等相关工作。综合比较上述两种方式，自备柴油发电机供配电方式的灵活性和自由度更高，更受业主的青睐，被广泛接受与采用。

双回路高压电源进线供配电设计方案见图1。

图1 双回路高压电源进线供配电方案

由市政10 kV电网引两路电源至站区变电所，两路电源同时运行，互为备用，经变压后分别引至不同的低压母排，0.4 kV低压侧采用单母线分段接线，两端母线间设母联开关，低压主断路器与母联开关之间采用三锁两钥匙的互锁关系，防止电源并列运行。将消防负荷及重要负荷设置于两台变压器的低压出现侧(消防负荷及重要负荷考虑低压侧双电源末端切换供电)；将剩余非重要负荷均匀分配于两台变压器低压出线侧，尽量做到使两台变压器容量一致，选择相同规格变压器；变压器的容量选择根据需要系数法负荷计算确定，并且按消防负荷与非消防负荷的容量大者确定。

一路市政10 kV高压电源及自备柴油发电机进线供配电设计方案见图2。

图2 一路市政高压电源及自备柴油发电机供配电方案

目前一般在 LNG气化站的供配电设计中最常采用此方案，柴油发电机电源直接接入变压器低压母线，通过低压母线进行配电，引至站内各用电设备。柴油发电机进线断路器与变压器低压出线断路器进行互锁，防止市电与柴油发电机并列运行，满足规范要求的同时兼顾业主的使用要求。

2 自备柴油发电机的容量选择及考虑因素

首先，变压器的容量选择计算：

LNG气化站内的二级负荷用电设备主要是消防设备、站控系统以及站区道路照明等重要负荷，三级负荷一般为站区内办公楼及仓库等配套辅助用房的用电。消防设备主要以消防水泵为主。根据工程情况，以单罐容量150 m3的储罐为例，给排水专业给出的消防水泵的容量为三台 55 kW 的消防水泵(两用一备)，采用星—△降压启动方式；站控系统和站区道路照明容量约为8.5 kW，办公楼及仓库等辅助用房用电量约为97 kW。用电负荷电压等级为~220/380 V。

以下为工程示例：

根据项目的工艺装置区生产性质，按规范的规定，站控、应急照明、消防水泵房按二级负荷供电，其它按三级负荷供电。

根据各生产装置及辅助设施等提出的用电数据，采用需要系数法进行负荷计算。在正常情况下，用电设备的装机容量为 199.7 kW，计算负荷为182.9 kW，用电负荷计算详见表1。

表1 正常用电负荷计算

火灾消防时用电设备的装机容量120.7 kW，计 算负荷119.9 kW，用电负荷计算详见表2。

表2 火灾消防时用电负荷计算

变压器容量根据负荷计算，安装一台 SC10－250/10/0.4 kVA变压器，负责整个站区供电。

其次，自备柴油发电机的容量选择计算。

LNG气化站柴油发电机满足最大二级负荷的用电工况为：夜晚(站区道路照明全开)市电失电时发生消防事故，一台消防水泵已经起动并正常运行，此时再启动第二台消防水泵。因此，二级负荷最大用电量P=P已运行二级负荷用电量+PG2。

容量按消防水泵启动时尖峰负荷考虑，根据《工业与民用配电设计手册》第三版 式(2-7)。

式中：SG2——按尖峰负荷计算的发电机视在功率，kVA；

Kj——因尖峰负荷造成电压、频率降低而导致电动机功率下降的系数，一般取Kj=0.9~0.95；

KG——发电机允许短时过载系数，一般取KG=1.4~1.6；

Sm——最大的单台电动机或成组电动机的起动容量，kVA；

Pm——Sm的有功功率，kW；

Qm——Sm的无功功率，kvar；

PG2——SG2的有功功率，kW。

式中：Pe——用电设备(即消防泵)功率，kW；

Ur——用电设备额定电压，kV；

cos∅——为功率因数，取0.8；

Ir——电动机的额定电流，A；

Ist——电动机的全压起动电流(一般Ist=7×Ir)，A；

It——电动机的星-△降压起动起动电流(一般It=0.33×Ist)，A；

已知：消防泵设备功率Pe=55 kW；设备额定电压Ur=0.38 kV；

得出：

采用最不利工况数据，Kj取0.95；KG取1.4；因此SG2=107.6 kVA。

而PG2=SG2cos∅=86.08 kW；P=P已运行二级负荷用电量+PG2=55+10+86.08 kW=151.08 kW。

151.08 kW<180 kW，可采用180 kW柴油发电机。

以此类推，单罐容量100 m3的储罐，采用三台45 kW的消防水泵(两用一备)，可采用150 kW柴油发电机；单罐容量60 m3的储罐，采用三台30 kW的消防水泵(两用一备)，可采用100 kW柴油发电机。

在实际 LNG气化站的工程设计中，往往柴油发电机的容量选择不仅仅考虑二级负荷等重要负载的容量，还需兼顾非重要负荷在市电失电、非消防的情况下的运行。

LNG气化站本来就是满足那些无法使用管输天然气供气城市的主要气源或过渡气源的卫星站或中间调节场所，往往它们选址位置的相关市政配套设施不完善，对于市电的供电可靠性相对来说就比较低。因此，柴油发电机此时在这种液化天然气的场站里不仅仅起到一个应急电源的作用，而是一个备用电源的作用。在市政电源缺失而非消防的工况的情况下，由柴油发电机负责给整个站区的正常运行提供电力的保障，如办公楼、辅助用房、仓库和门卫等一些对用电可靠性要求较低的负荷，这样提高了整个站区的供电可靠性。在经济性方面，以180 kW和200 kW东风康明斯柴油发电机为例，见表3。

表3 180 kW和200 kW东风康明斯柴油发电机比较

从表3中比较可得，柴油发电机设备本身外型尺寸、油耗等均无太大差异。而180 kW和200 kW的柴油发电机在机房面积的要求和储油间的设置上根据《工业与民用配电设计手册》第三版表3-11中，基本相差不大。

因此，柴油发电机的容量选择首先应满足LNG气化站对安全用电电源供电可靠性，这是设计中最基本的要求。假设满足二级负荷的用电量大于整个站区的正常运行时的用电量，则柴油发电机的容量即按前者的用电量进行选择，反之，则可以在功能性方面考虑，满足业主在使用上的一些基本要求，而适当放大柴油发电机的容量。实例中，因负荷计算中的计算容量为 182.9kW，大于柴油发电机180kW的容量，考虑到站区运行的可靠性，适当放大余量，因此，采用了一台200kW柴油发电机做应急备用电源，在满足消防时二级负荷的供电要求的同时满足了非消防工况下站区的正常运行。

3 结语

综上所述，LNG气化站的供配电方案的选择及设计，受外界因素、内部负荷情况等多种条件的影响，应根据实际情况采用不同的方案。而根据多个工程的经验，LNG气化站的市电供电往往采用一路10kV市政电源，站区内设置10/0.4 kV变电所，一般采用一台200 kVA或250 kVA干式变压器，另设柴油发电机作备用电源，其容量与变压器容量接近，因此，柴油发电机的容量往往也会考虑非消防工况下，站区正常运行时所需要的全部用电负荷。