某大型化工企業(yè)供電系統(tǒng)優(yōu)化方案淺析

黃文炯

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

化工企業(yè)在我國國民經(jīng)濟中占有舉足輕重的地位，是國家經(jīng)濟實力和科技水平的重要標志，化工企業(yè)的長周期運行還關(guān)系到能源保障的安全。隨著化工企業(yè)向大型化、服役環(huán)境極端化與長周期運行發(fā)展，對供電可靠性的要求也越來越高，這就需要結(jié)合現(xiàn)狀對供電系統(tǒng)主接線、電氣設施等進行優(yōu)化，以確保其合理、安全地運行。

1 供電系統(tǒng)現(xiàn)狀

化工企業(yè)的裝置內(nèi)一般都有易燃、易爆危險物質(zhì)，因此供電、供水和供氣等每個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的正常運轉(zhuǎn)都十分重要。就供電而言，如果發(fā)生突然停電事故，在處理不當?shù)那闆r下很可能導致化工裝置停車，且?guī)磔^大的經(jīng)濟損失，嚴重時甚至會導致人員傷亡、環(huán)境污染、危及社會公共安全?；て髽I(yè)生產(chǎn)工藝連續(xù)性強，自動化程度高，技術(shù)復雜，生產(chǎn)工藝控制精度高，對電網(wǎng)擾動敏感，其供電系統(tǒng)同電網(wǎng)一樣具有發(fā)電機、傳輸線路、變壓器等供配電設備，以及各種用電設施。

化工企業(yè)供電系統(tǒng)一般具有如下特征：

（1）負荷容量大，可達幾百兆瓦甚至幾千兆瓦；

（2）負荷密度大，不同的化工裝置相對集中布置；

（3）負荷性質(zhì)復雜，包含了機泵、閥、儀表、程控器、照明、通訊、消防系統(tǒng)等；

（4）負荷等級高，一般為一級負荷和二級負荷，還有部分一級負荷中特別重要的負荷；

（5）自備熱電廠成一定規(guī)模，一般設有一臺或多臺發(fā)電機組，單機容量可達數(shù)十或數(shù)百MW，總發(fā)電量可達系統(tǒng)負荷總量。

隨著化工企業(yè)的不斷發(fā)展，不可避免要對裝置進行擴能改造，這樣就必須對原有企業(yè)的電氣設施進行規(guī)劃發(fā)展，相應的供電系統(tǒng)也就必須同步進行擴容改造，但由于所帶負荷被不合理地增加和安排，電網(wǎng)的系統(tǒng)性和完整性遭到破壞，供電系統(tǒng)成積木式堆砌形式，穩(wěn)定性和可靠性也大受影響。

目前，化工企業(yè)的現(xiàn)狀為各時期供電系統(tǒng)發(fā)展不盡相同，早期使用的電氣設備技術(shù)陳舊，故障率較高，供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與企業(yè)發(fā)展不適應；隨著企業(yè)的發(fā)展，逐步開始進行隱患治理，電網(wǎng)可靠性得到了提升；對于有著較長歷史的化工企業(yè)，各種供電情況積累到現(xiàn)在，則更需要進行深層次的供電系統(tǒng)優(yōu)化，使其與企業(yè)增長和安全生產(chǎn)同步發(fā)展。

2 優(yōu)化標準和原則

化工企業(yè)電網(wǎng)為企業(yè)生產(chǎn)提供基礎能源，供電系統(tǒng)安全運行是化工裝置長周期運行的根本保障。目前化工企業(yè)的供電系統(tǒng)雖比較完善，但還需考慮對未來規(guī)劃容量和實現(xiàn)途徑的要求，做到供電系統(tǒng)主接線和電氣設施滿足可靠性和靈活性的要求。

供電系統(tǒng)優(yōu)化目前比較常見的就是滿足N-1原則，按照這一準則，供電系統(tǒng)的N個元件中的任一獨立元件（發(fā)電機、輸電線路、變壓器等）發(fā)生故障而被切除后，應不造成因其他線路過負荷跳閘而導致用戶停電；不破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性，不出現(xiàn)電壓崩潰等事故。

供電系統(tǒng)優(yōu)化內(nèi)容涉及下列幾個方面：

（1）供電系統(tǒng)安全穩(wěn)定的一般要求：

a. 能夠滿足各種運行方式下潮流變化的需要，具有一定的靈活性，并能適應系統(tǒng)發(fā)展的要求[1]；

b. 任一元件無故障斷開，應能保持電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，且不致使其它元件超過規(guī)定的事故過負荷和電壓允許偏差的要求；

c. 應有較大的抗擾動能力，并滿足有關(guān)各項安全穩(wěn)定標準[1]；

d. 滿足分層和分區(qū)原則；

e. 合理控制系統(tǒng)短路電流。

上述這幾點表述了一個對供電系統(tǒng)的評價原則，包括其結(jié)構(gòu)合理性、控制靈活性和系統(tǒng)發(fā)展性等；同時，除了過負荷跳閘外，還明確了電壓允許偏差的規(guī)定（一般不超過額定電壓的5%），即穩(wěn)定性和安全性的要求；另外在保證有一定的短路電流水平的同時，還必須限制短路電流，在技術(shù)允許的前提下滿足經(jīng)濟性。

（2）供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定對其布局也有明確的要求：

a. 供電能力是否滿足現(xiàn)有負荷的需要，及其可能適應負荷增長的程度；

b. 供電可靠性；

c. 正常運行時各樞紐點的電壓水平及主要線路的電壓損失[2]；

d. 各級電壓電網(wǎng)的電能損失[2]；

e. 供電設備更新的必要性和可能性。

上述這幾點表述了一個對供電系統(tǒng)的負荷分布原則，包括負荷預測、各階段的目標等；同時對變電所的地理位置、線路路徑也需考慮。

（3）供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定對其主網(wǎng)結(jié)構(gòu)的技術(shù)要求也有相關(guān)規(guī)定[3]：

a. 供電系統(tǒng)主接線一般采用雙母線分段、單母線分段等形式，不建議采用內(nèi)橋、外橋、主母線加旁路母線等方式，發(fā)電機組的接入系統(tǒng)建議采用雙母線或雙母線分段；

b. 自備熱電廠發(fā)電機組的發(fā)電負荷大于企業(yè)總用電負荷80%，且發(fā)電機組年平均利用小時數(shù)大于7 500 h，可作為電源考慮，其他方式的發(fā)電機組則不按電源考慮[3]；

c. 自備熱電廠發(fā)電機組的接入系統(tǒng)，應經(jīng)110 kV或35 kV供電系統(tǒng)并網(wǎng)，相關(guān)其他變電站的聯(lián)絡變壓器的容量按N-1原則選取[3]；

d. 220 kV單臺變壓器最大容量一般不超過240 MVA，110 kV單臺變壓器最大容量一般不超過63 MVA，35 kV單臺變壓器最大容量一般不超過25 MVA。

上述這幾點表述了一個對主接線方式、自備發(fā)電機組和其接入系統(tǒng)的選擇原則，同時對下屬變電站變壓器容量的確定也作了原則性的規(guī)定。

（4）供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定需對其優(yōu)化方案進行計算分析，包括N-1原則校驗、潮流計算、電壓偏差計算和短路計算等：

a. N-1原則校驗，即變電站負載率和停一臺變壓器（按停單臺最大容量變壓器考慮）時負載率均滿足要求；

b. 規(guī)劃系統(tǒng)合理的潮流分布，220 kV變電站功率因數(shù)均應達到0.9以上；

c. 母線電壓需符合國家標準對電壓偏差的要求，控制在5%以內(nèi)[4]；

d. 短路電流滿足設備選型需求。

3 應用分析及方案優(yōu)化

3.1 某化工企業(yè)的供電現(xiàn)狀

（1）該企業(yè)是一個擁有發(fā)、供、用電設備的完整供電系統(tǒng)的老企業(yè)，其中自備熱電廠一座，已建成投運共6臺發(fā)電機組，總裝機容量為360 MW（6×60 MW），最大允許發(fā)電量為300 MW（容量按N-1原則選取），自備熱電廠供電系統(tǒng)主接線參見附圖1；220 kV變電站一座，與外電網(wǎng)相聯(lián)，裝有兩臺150 MVA（220/115/10.5 kV）聯(lián)網(wǎng)變壓器, 兩臺150 MVA（115/35 kV）有載調(diào)壓變壓器，最大允許受電量為135 MW（功率因素為0.9，容量按N-1原則選?。?，220 kV變電站供電系統(tǒng)主接線參見圖1。企業(yè)總供電能力435 MW（最大允許發(fā)電量＋最大允許受電功率）。

（2）目前該企業(yè)發(fā)電機組裝機容量為360 MW，而最大用電負荷為346 MW，理論上當所有發(fā)電機全部運行時，企業(yè)的電力生產(chǎn)和需求基本能夠達到自足，而實際上由于熱負荷的波動、機組檢修（容量按N-1原則選?。┬枰?，電力生產(chǎn)量僅能保證企業(yè)主要的用電負荷需求，正常需要外電網(wǎng)補充一定的電量才能滿足企業(yè)正常生產(chǎn)需要，近兩年電力平衡分析參見表1。

（3）對照2013年情況，自備熱電廠為滿負荷運行，最大負荷為346 MW，其中35 kV負荷為293 MW左右、6 kV負荷為53 MW左右，整個企業(yè)電氣運行風險高度集中；自備熱電廠雖有發(fā)供合一的母線、但同時也存在母線短路容量大、動熱穩(wěn)定性差等不利因素；另外發(fā)、供系統(tǒng)相互影響大，饋線短路故障以及區(qū)內(nèi)故障對發(fā)電機沖擊也大，容易導致其發(fā)生震蕩、解列等事故，一旦發(fā)生事故，可能對企業(yè)生產(chǎn)造成大面積的影響。

圖1 自備熱電廠供電系統(tǒng)主接線

表1 供電系統(tǒng)電力平衡表（一） （單位：MW）

3.2 針對上述情況進行優(yōu)化

3.2.1 用電負荷預測

在國家整個十二五發(fā)展規(guī)劃期間，該企業(yè)將進行產(chǎn)品質(zhì)量升級項目和劣質(zhì)化改造及配套工程項目，但項目的實施進展時間不同，分為兩個階段，相關(guān)新增用電負荷預測參見表2。

3.2.2 建議增建配套機爐工程

由于原有自備熱電廠的發(fā)電容量和220 kV變電站的受電容量均已受到限制，根據(jù)該企業(yè)的發(fā)展和對汽、電的需求，同時考慮單臺機組容量的限制和兼顧其各類項目的改造實施，擬增建2臺容量為50 MW的抽背式汽輪發(fā)電機組，總裝機容量為100 MW（2×50 MW）。增建后，該企業(yè)將擁有8臺發(fā)電機組的熱電規(guī)模，滿發(fā)發(fā)電量達460 MW，滿足了第一階段的負荷增長需要，具體參見表3。

表2 新增用電負荷預測 （單位：MW）

表3 供電系統(tǒng)電力平衡表（二） （單位：MW）

根據(jù)表3統(tǒng)計數(shù)據(jù)，當一臺機組檢修時，截至第一階段，該企業(yè)預計外購電約為105 MW，可由220 kV變電站供給；至第二階段，該企業(yè)預計外購電約為252 MW，220 kV變電站已不能完全供給，需另考慮其他方案。

3.2.3 優(yōu)化方案

方案將遵循規(guī)范和標準的相關(guān)要求，按照統(tǒng)一規(guī)劃、分布實施、統(tǒng)籌考慮的原則，提高供電的可靠性和運行安全穩(wěn)定性，同時滿足負荷的增長需求。

結(jié)合某化工企業(yè)的供電現(xiàn)狀，提出一些優(yōu)化方案的規(guī)劃、分析和計算過程供參考。

（1）方案規(guī)劃

由于現(xiàn)有220 kV變電站僅能滿足第一階段劣質(zhì)化改造及配套項目的負荷需要，但不能滿足第二階段所涉及項目的負荷增長，因此本方案考慮再增建220 kV變電站一座，主要供第二階段負荷用，同時增建220 kV變電站與原有220 kV變電站建設聯(lián)絡線，以保證供電可靠性、靈活性。現(xiàn)有的220 kV變電站和自備熱電廠（包括增建2臺發(fā)電機組）主要供現(xiàn)有企業(yè)負荷和劣質(zhì)化改造及配套項目新增的負荷，具體參見表4；增建的220 kV變電站將主要供給第二階段所涉及項目的負荷，具體參見表5。

從表4、表5計算結(jié)果可以看出，增建220 kV變電站一座，解決了負荷增長問題，可靠性好，不會對生產(chǎn)帶來壓力，同時有利于系統(tǒng)的發(fā)展。

表4 變壓器負載率表（一）

表5 變壓器負載率表（二）

（2）方案分析

a. 結(jié)合第一階段劣質(zhì)化改造及配套項目，自備熱電廠同步配套增建2臺50 MW發(fā)電機組，采用發(fā)電機-變壓器組單元接線（發(fā)電機與變壓器之間裝設斷路器），經(jīng)2 回35 kV電纜線路接至220 kV變電站35 kV系統(tǒng)，考慮其年平均利用小時數(shù)大于7 500 h，且發(fā)電機組的發(fā)電負荷大于總用電負荷的80%，因此可以作為企業(yè)供電電源考慮；220 kV變電站110 kV GIS新增兩個變壓器饋線間隔用于其改造新增負荷；35 kV GIS新增四個饋線間隔，兩個用于自備熱電廠發(fā)電機組的接入，另兩個用于與增建220 kV變電站聯(lián)絡，滿足了35 kV供電系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)變壓器的容量按N-1原則選取的要求，優(yōu)化后的220 kV變電站供電系統(tǒng)主接線參見圖2。

b. 結(jié)合第二階段所涉及項目，增建220 kV變電站的電源由外電網(wǎng)引來，與220 kV變電站電源接入點為不同電源點，并且按照不同桿架設敷設考慮；其變壓器容量設置為3×180 MVA（其中一臺備用），總?cè)萘繛?60 MVA（系統(tǒng)再發(fā)展時可擴大到540 MVA），220 kV主接線采用單母線分段形式，滿足了供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定對其主網(wǎng)結(jié)構(gòu)的技術(shù)要求，另外35 kV GIS中有兩個饋線間隔用于與220 kV變電站聯(lián)絡，優(yōu)化后的增建220 kV變電站供電系統(tǒng)主接線參見圖3。

c. 鑒于自備熱電廠已基本處于發(fā)供平衡狀態(tài)，220 kV變電站也已無法擴展，考慮到提前于生產(chǎn)裝置的發(fā)展，增建220 kV變電站已是勢在必行，且更具前瞻性；另外，自備熱電廠、220 kV變電站和增建220 kV變電站三者之間均通過35 kV作聯(lián)絡，一旦一處電源發(fā)生故障，其他兩處仍可通過調(diào)度聯(lián)絡，保證重要負荷的供電，靈活性和可靠性均較高。

（3）輔助計算分析

一般方案還需進行幾種運行方式（如：大方式、正常小方式、特殊小方式等）下的N-1原則校驗、潮流計算、電壓偏差計算和短路計算，以確認整個供電系統(tǒng)是否滿足安全穩(wěn)定的相關(guān)要求，由于計算需通過相關(guān)軟件進行詳細分析（另文相授），本處僅列出幾種運行方式的要求：

a. 大方式按照自備熱電廠1臺發(fā)電機組檢修和停單臺最大容量的變壓器計算；

b. 正常小方式按照自備熱電廠1臺發(fā)電機組檢修、1臺發(fā)電機組故障計算和停單臺最大容量的變壓器計算；

c. 特殊小方式按照自備熱電廠1臺發(fā)電機組檢修、2臺發(fā)電機組故障計算和停單臺最大容量的變壓器計算。

圖2 220 kV變電站供電系統(tǒng)主接線（點劃線框內(nèi)為優(yōu)化增建部分）

圖3 優(yōu)化后的增建220 kV變電站供電系統(tǒng)主接線（全為優(yōu)化增建部分）

4 探討總結(jié)

供電系統(tǒng)優(yōu)化除了能夠滿足近期負荷的增長需求外，還應保證近期規(guī)劃向遠景規(guī)劃的過渡性。優(yōu)化標準和原則應遵循國家標準、電力行業(yè)標準和化工企業(yè)標準的相關(guān)要求，有較強的適應性，既要保證已有系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，又要保證過渡方案的可實施性；同時還能起到加強主網(wǎng)結(jié)構(gòu)，提高供電可靠性、運行安全穩(wěn)定性的效果。

另外，孤網(wǎng)運行也是防患于未然的積極預防措施，即自備熱電廠與主系統(tǒng)分離的一部分配電網(wǎng)絡由一臺或多臺發(fā)電機組獨立供電，以一定的電壓頻率繼續(xù)運行，這樣發(fā)電機組具有抵抗電網(wǎng)事故的能力，在電網(wǎng)出現(xiàn)事故的情況下，可利用這些機組立即帶負荷，減少停電損失；更為重要的是可以保住發(fā)電機組，避免企業(yè)停電，不僅能夠保證重要負荷的供電，避免次生安全事故，而且可以大大縮短重新恢復生產(chǎn)的時間。

[1] DL755-2001, 電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導則[S].

[2] Q/GDW156-2006, 城市電力網(wǎng)規(guī)劃設計導則[S].

[3] 中國石化電力系統(tǒng)主網(wǎng)結(jié)構(gòu)技術(shù)管理規(guī)定[Z]. 2011.

[4] GB/T 12325-2008, 電能質(zhì)量供電電壓偏差[S].