冶金發(fā)電廠孤網(wǎng)控制系統(tǒng)設計研究

鄧少平

(湖北省電力勘測設計院，湖北 武漢 430040)

1 概述

孤網(wǎng)是孤立電網(wǎng)的簡稱，一般泛指脫離大電網(wǎng)的小容量電網(wǎng)。最大單機容量小于電網(wǎng)總容量的8%的電網(wǎng)，可以稱為大電網(wǎng)；機網(wǎng)容量比大于8%的電網(wǎng)，統(tǒng)稱為小網(wǎng)；孤立運行的小網(wǎng)，稱為孤網(wǎng)。

印尼某鎳鐵冶煉廠自備電廠新建2×66 MW燃煤機組，以35 kV和10 kV線路向冶煉廠礦熱爐供電。正常運行期間，電廠與當?shù)仉娋W(wǎng)分離，為孤網(wǎng)運行系統(tǒng)，廠內(nèi)設置10 kV柴油發(fā)電機組作為黑啟動電源。冶煉廠主要設備為四條Φ4.85 m×90 m 回轉窯+四臺25.5 MVA 圓型平頂全封閉式礦熱電爐。此冶煉廠負荷平衡表見表1。

表1 印尼某鎳鐵冶煉廠自備電廠(2×66 MW)電負荷平衡表

2 負荷特性

一般冶金電廠的礦熱爐屬于電阻性電爐，由于礦熱爐正常運行時焙砂原料受熱后處于半熔融態(tài)、熔融態(tài)階段，礦渣、鐵合金熔融物都具有截然不同的電導率，因此礦熱爐正常運行時電負荷頻繁波動，三相電流不平衡為工作常態(tài)，其典型負荷特性曲線見圖1。冶金自備電廠系統(tǒng)主要存在下列特點：

(1)由于孤網(wǎng)容量較小，發(fā)電機組旋轉慣量儲存的動能和鍋爐本身所具備的熱力勢能均較小，礦熱爐電負荷波動大，對于孤網(wǎng)的頻率、電壓沖擊較大。

(2)發(fā)電機組發(fā)生停機故障時孤網(wǎng)系統(tǒng)會出現(xiàn)有功功率缺額，影響冶金正常生產(chǎn)。

(3)礦熱爐負荷波動頻繁、幅度大，負荷波動疊加的可能性也較大，對汽輪發(fā)電機組產(chǎn)生頻繁的大范圍負荷沖擊，影響孤網(wǎng)安全運行和主設備的壽命。

(4)孤網(wǎng)缺少大電網(wǎng)的支持，必須獨立進行調(diào)度，以維持頻率、電壓、功角的穩(wěn)定。

圖1 冶金廠典型電負荷曲線(33 MVA)

根據(jù)上述礦熱爐的電負荷特性可見：礦熱爐三相電負荷頻繁波動，嚴重時有大功率甩負荷情況；三相電流不平衡，嚴重時發(fā)生電極軟斷甚至硬斷事故，多臺礦熱爐不平衡電流疊加。并且這些不利因素都是不可控的，發(fā)生情況具有隨機性。

3 孤網(wǎng)系統(tǒng)運行風險分析

由以上礦熱爐的負荷特性，不難發(fā)現(xiàn)，在正常運行時，冶金電廠孤網(wǎng)運行系統(tǒng)在系統(tǒng)電壓、頻率、機組壽命等方面都存有風險。

3.1 頻率與電壓的變化

三相負荷頻繁波動，導致孤網(wǎng)系統(tǒng)頻率、電壓也隨之頻繁變化。

(1)電壓波動：由于現(xiàn)在中小容量冶金電廠的發(fā)電機勵磁系統(tǒng)性能較高，其調(diào)節(jié)速度快，一般可以滿足快速調(diào)節(jié)發(fā)電機無功功率，保持孤網(wǎng)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的要求。

(2)小幅度頻率波動：礦熱爐三相負荷頻繁波動引起孤網(wǎng)頻率隨之變化，導致汽輪機調(diào)速系統(tǒng)一次調(diào)頻跟隨孤網(wǎng)頻率頻繁動作，汽輪機調(diào)速汽門動作頻繁甚至發(fā)生震顫。

(3)礦熱爐大功率甩負荷：如果汽輪機調(diào)速系統(tǒng)性能不佳，反映遲緩，將導致機組超速保護動作，機組跳閘停機，嚴重時甚至導致孤網(wǎng)系統(tǒng)瓦解，發(fā)生電廠全停事故。

3.2 汽輪機負序電流與功角振蕩

(1)礦熱爐三相負載不平衡，導致汽輪發(fā)電機組三相電流不平衡，負序電流增大，發(fā)電機轉子端部形成環(huán)流，損耗增大，產(chǎn)生發(fā)熱、腐蝕等問題，影響發(fā)電機組運行壽命。當?shù)V熱爐三相負載嚴重不平衡時將直接導致發(fā)電機負序保護動作，機組跳停，孤網(wǎng)運行系統(tǒng)瓦解，發(fā)生自備電廠全停事故。

(2)無功沖擊和暫態(tài)穩(wěn)定水平下降造成功角振蕩：孤網(wǎng)的無功儲備不足，短路容量較小。如果發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)出現(xiàn)故障，可能導致發(fā)電機依靠孤網(wǎng)提供無功，甚至進入進相運行狀態(tài)，對于電壓穩(wěn)定造成風險。

3.3 發(fā)電機組壽命

為了應對冶金電廠負荷的頻繁大幅度波動，孤網(wǎng)中的發(fā)電機組的調(diào)節(jié)頻度和幅度都高于并網(wǎng)機組，發(fā)電機組的軸系的扭振也會加大。這此因素都會導致發(fā)電機組壽命損耗加速，進而影響孤網(wǎng)運行的安全性與經(jīng)濟性。

3.4 廠用電全停

孤網(wǎng)中的發(fā)電機組失去廠用電源的風險高于并網(wǎng)機組，因此發(fā)電機組的UPS電源、保安電源、潤滑油系統(tǒng)和汽包緊急上水等確保發(fā)電機組安全停機的設備會經(jīng)受更多的考驗。

如果孤網(wǎng)運行系統(tǒng)的繼電保護和安全穩(wěn)定控制設計不完善，或者僅按照并網(wǎng)機組設計，則很容易導致上述風險的發(fā)生。例如，與此工程情況相同的已投產(chǎn)的印尼某冶煉廠自備電廠，其電網(wǎng)運行不穩(wěn)定(孤網(wǎng))，頻繁發(fā)生因三相電流不平衡，導致兩臺機組每天出現(xiàn)1～2次停機。造成三相電流不平衡的原因，主要來自于鎳鐵爐加料，塌料或來自于斷極。雖然該項目后來進行了部分技術改造有所改觀，但仍不理想。

4 孤網(wǎng)系統(tǒng)控制措施

結合冶煉廠的負荷特點以及已投產(chǎn)電廠運行過程中存在的問題，分別從電負荷平衡、勵磁系統(tǒng)、FCB控制、黑啟動柴油機與保安柴油機等方面，針對該冶煉廠采取了以下繼電保護和安全穩(wěn)定控制方案。

4.1 電負荷平衡裝置

由于電能無法儲存，在孤網(wǎng)中的每個瞬間，發(fā)電量必須與用電量相平衡，否則就會造成頻率的波動，引起孤網(wǎng)的動態(tài)穩(wěn)定問題。但考慮到汽輪發(fā)電機調(diào)速系統(tǒng)頻繁動作引起執(zhí)行操作機構的疲勞、磨損以及影響調(diào)速汽門的密封性，鍋爐燃燒系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度嚴重滯后等諸多因素，常規(guī)冶金自備電廠孤網(wǎng)運行時，無法滿足礦熱爐電負荷的變化需要，維持孤網(wǎng)系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行。因此在電廠配置電負荷平衡裝置，在礦熱爐負荷波動(或大功率甩負荷的情況下)時，通過電負荷平衡裝置耗能電阻(裝設于蓄水池)的投切，極大地緩沖了對汽輪發(fā)電機組的沖擊。

為了減少發(fā)電機組的壽命損耗，在負荷突降時，利用電負荷平衡裝置平緩負荷突變。另一方面，建立負荷側增減負荷允許信號，在負荷突變比例超限時，限制負荷側的進一步變化，同時利用負荷管理平緩有功負荷的突變。實現(xiàn)這個功能需要在電網(wǎng)二次系統(tǒng)設計完善的控制保護邏輯，與調(diào)速系統(tǒng)和勵磁系統(tǒng)建立快速的信號聯(lián)系。電負荷平衡裝置的原理圖見圖2。電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)(含孤網(wǎng)運行模塊、二次調(diào)頻功能)。發(fā)電機勵磁系統(tǒng)，要求高起始響應，調(diào)節(jié)速度快，運行可靠，能實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)勵磁系統(tǒng)、有電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)附加控制單元，應能夠在輸出額定有功和無功功率的情況下，長期穩(wěn)定運行,并且能夠在高負載的特殊運行方式下保持安全穩(wěn)定。發(fā)電機出口電壓跌到70%時，能維持電網(wǎng)運行1 s，重要輔機具備上述低電壓穿越能力。

自并勵靜止勵磁系統(tǒng)和無刷勵磁系統(tǒng)是目前常用的兩種勵磁系統(tǒng)，其優(yōu)缺點見表2。

表2 兩種勵磁系統(tǒng)的特性比較

圖2 電負荷平衡裝置圖

4.2 發(fā)電機及其勵磁系統(tǒng)

發(fā)電機電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)選用高性能的汽輪機

雖然三機無刷勵磁方式成本高于自并勵方式，軸系較長而且調(diào)節(jié)響應速度沒有自并勵方式快(但也是滿足要求的)，考慮到發(fā)電機組容量和孤網(wǎng)運行環(huán)境特點，三機無刷勵磁方式更適合在該容量機組中采用。

4.3 FCB 能力

汽輪發(fā)電機組應具備FCB能力：汽輪發(fā)電機組僅帶廠用電的“孤島運行”。FCB功能的核心是勵磁系統(tǒng)、汽輪機調(diào)速系統(tǒng)和鍋爐控制系統(tǒng)，應能夠在100%負荷狀態(tài)下，甩負荷帶廠用電。如果FCB失敗，孤網(wǎng)將全網(wǎng)失電，此種情況下，應盡快完成黑啟動電源的切換，啟動潤滑油泵等安保設備，使得孤網(wǎng)機組安全停機。停機之后再進行黑啟動恢復。

為適應孤島運行的工況，機組設置兩個同期點，發(fā)電機出口和主變高壓側斷路器。

4.4 黑啟動柴油發(fā)電機組與保安柴油發(fā)電機組

當冶煉廠礦熱爐處在生產(chǎn)極不穩(wěn)定的時間段，充分利用柴油發(fā)電機組負荷調(diào)節(jié)的快速反應能力，穩(wěn)定孤網(wǎng)系統(tǒng)。

設置事故應急柴油發(fā)電機組，確定機爐能夠安全停運。重點關注事故柴油發(fā)電機組的選型與自啟動問題，需滿足有關規(guī)程規(guī)范的要求。

4.5 三相不平衡電流問題的應對

礦熱爐一般自然功率因數(shù)達到0.9，其不平衡負載主要是有功負載，單相無功補償效果不大。如設置單相電符合平衡裝置，投資很大，控制回路復雜，還沒有實施案例,同時其動作時間需與發(fā)電機負序保護配合。

為此，可選用有較大的短路比(0.5 以上)的發(fā)電機，其轉子端部槽楔采用高電導高耐溫材料。需重點關注礦熱爐的三相負載不平衡度，礦熱爐三相不平衡負載的疊加概率，并詳細研究礦熱爐出現(xiàn)嚴重三相負載不平衡工況時切除負荷的配合問題。

5 機網(wǎng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)

機網(wǎng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)是電廠與用電負荷之間加強協(xié)作和溝通的平臺，是保證機網(wǎng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行的重要手段，有利于提高電網(wǎng)電能質(zhì)量。孤網(wǎng)運行的電廠及冶煉廠參照電網(wǎng)的調(diào)度系統(tǒng)功能，要求孤網(wǎng)的協(xié)調(diào)系統(tǒng)也具備自動發(fā)電控制(AGC)、自動電壓控制(AVC)、功角測量、特殊控制系統(tǒng)(SPS，也叫穩(wěn)控系統(tǒng)SCS)、低頻低壓減載(UFLS)、遠動通訊(RTU)這些通用功能。同時還包括了機組壽命優(yōu)化、功角/功率因數(shù)調(diào)節(jié)、礦熱爐負荷管理系統(tǒng)(DMS)等特殊功能。

機網(wǎng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)功能：

(1)自動發(fā)電控制(AGC)與DCS和DEH配合，快速分配有功功率，維持孤網(wǎng)頻率在50 Hz。

(2)自動電壓控制(AVC)與勵磁系統(tǒng)配合，分配無功功率，維持孤網(wǎng)電壓。

(3)協(xié)調(diào)無功補償和機組有功、無功負荷，維持功角/功素因數(shù)平衡。

(4)根據(jù)有功、無功備用計算，向大負荷發(fā)出增減負荷允許條件和聯(lián)鎖降負荷指令。

(5)根據(jù)有功、無功備用計算和孤網(wǎng)參數(shù)監(jiān)測，發(fā)出切負荷、切機指令。

(6)對發(fā)電和用電負荷進行統(tǒng)一管理，減少發(fā)電機組調(diào)節(jié)頻率，降低壽命損耗。

(7)與電負荷平衡控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，減少電負荷平衡裝置的無效耗電量；將其作為切機和切負荷的反向穩(wěn)控手段，提高孤網(wǎng)穩(wěn)定性；利用電負荷平衡裝置避免鍋爐向空排汽動作。

(8)為調(diào)度人員提供監(jiān)控發(fā)電和用電的數(shù)據(jù)平臺，可以作為電廠的調(diào)度平臺。機網(wǎng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的功能涵蓋了大電網(wǎng)中各種調(diào)度、控制和保護裝置的核心功能，建立了孤網(wǎng)的三道防線。第一道防線：采用多臺機組的有功無功快速平衡分配，在5%在線額定容量的負荷沖擊下，保障孤網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。第二道防線：通過負荷調(diào)節(jié)系統(tǒng)和對大負荷的啟動允許控制，使得孤網(wǎng)在電負荷平衡裝置容量允許的沖擊下安全穩(wěn)定運行。第三道防線：在更大規(guī)模的負荷沖擊下，通過安全穩(wěn)定控制功能，切除部分負荷或機組，維持廠用電和重要負荷的運行，避免孤網(wǎng)崩潰。

6 結語

目前孤網(wǎng)主要見于各類自備電廠和國外欠發(fā)達地區(qū)的發(fā)電廠，以往設計時，電廠的繼電保護措施、安全穩(wěn)定控制策略、設備選型等主要是基于大電網(wǎng)運行方式下進行的，對孤網(wǎng)運行方式下研究較少，實際中不少孤網(wǎng)系統(tǒng)也因此出現(xiàn)了不少問題。

本文利用實際工程案例，根據(jù)孤網(wǎng)運行的負荷特點和運行風險，采用電負荷平衡裝置、優(yōu)良的勵磁系統(tǒng)、汽輪機FCB控制、黑啟動柴油機與保安柴油機以及完善的機網(wǎng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)等技術措施，使孤網(wǎng)系統(tǒng)能安全穩(wěn)定運行，滿足冶金工藝要求。

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