石化工業(yè)園孤網(wǎng)運(yùn)行策略分析

曹瑞峰

摘要：在缺少電網(wǎng)支撐的區(qū)域，石化工業(yè)園區(qū)的配套電站必須具備孤網(wǎng)運(yùn)行的能力。由于石化工藝流程的停電損失特別巨大，孤網(wǎng)運(yùn)行的策略應(yīng)充分考慮石化工藝的負(fù)荷特性，設(shè)計(jì)完善的控制策略。本文以恒逸（文萊）項(xiàng)目為例，介紹了項(xiàng)目的配置方案，分析了孤網(wǎng)運(yùn)行的問題，設(shè)計(jì)了以五道防線為基礎(chǔ)的控制策略。

關(guān)鍵詞：石化;孤網(wǎng)運(yùn)行;五道防線

1.項(xiàng)目綜述

恒逸（文萊）石化工業(yè)園區(qū)二期工程規(guī)劃建設(shè)8臺670t/h 高溫超高壓循環(huán)流化床鍋爐，8臺100MW高溫超高壓雙抽凝式汽輪發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)組并入內(nèi)部220kV雙母線，為石化工藝供電。

文萊當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)有3座發(fā)電廠，總?cè)萘考s為400MW。當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)運(yùn)行不穩(wěn)定，有較多的停電事故。因此，該石化工業(yè)園區(qū)的供電依賴于配套電站的孤網(wǎng)運(yùn)行，當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)只能作為啟動電源。

2.問題分析

電網(wǎng)運(yùn)行的三個(gè)主要技術(shù)指標(biāo)為電壓、頻率和功角。在大電網(wǎng)中，由于單臺機(jī)組占電網(wǎng)總?cè)萘康谋戎乇容^小，機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)不會影響大電網(wǎng)的正常運(yùn)行。單一負(fù)荷占總負(fù)荷的比例比較小，負(fù)荷非常穩(wěn)定，不會對大電網(wǎng)造成大的影響。

而在本項(xiàng)目孤網(wǎng)運(yùn)行中，由于缺少外部電網(wǎng)的支撐，發(fā)電機(jī)組數(shù)量較少，石化負(fù)荷對于供電供熱的可靠性要求很高，存在下列問題：

（1）孤網(wǎng)運(yùn)行過程中，一旦電機(jī)出現(xiàn)問題，那么其他電機(jī)便會受到影響，進(jìn)而影響電網(wǎng)運(yùn)行的效果。

（2）一般發(fā)電機(jī)組數(shù)量需要與電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行所需相匹配，一旦出現(xiàn)數(shù)量過少，其動能與熱能都會變小，進(jìn)而也就對電網(wǎng)電壓造成影響。

（3）如果發(fā)電機(jī)個(gè)數(shù)較少，鍋爐和汽輪機(jī)的故障對孤網(wǎng)的供電供熱會產(chǎn)生重大影響。石化裝置對用電和用汽的要求都很高，一旦供電或者供汽中斷，都將造成重大損失。

（4）發(fā)電機(jī)組供電和供汽能力相互影響，存在耦合關(guān)系。

（5）當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)是工業(yè)園的啟動電源。在啟動過程中，工業(yè)園并網(wǎng)運(yùn)行。啟動完成之后，為了避免受到當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的影響，切換到孤網(wǎng)運(yùn)行。

3.控制策略

根據(jù)并網(wǎng)機(jī)組的發(fā)電機(jī)組特性和石化負(fù)荷特性，如果出現(xiàn)一臺發(fā)電機(jī)組的故障，將會造成較大的供電和供熱缺額，將不得不切除部分石化負(fù)荷。能夠獨(dú)立切除的石化負(fù)荷較少，大部分的石化負(fù)荷之間存在密切的關(guān)聯(lián)性，重要的關(guān)聯(lián)性負(fù)荷一旦被切除，將會引起大量有工藝聯(lián)鎖關(guān)系的石化裝置相繼被切除，進(jìn)而引起整個(gè)石化工業(yè)園停車，引發(fā)特別巨大的損失。

因此，我們認(rèn)為石化工業(yè)園的一次系統(tǒng)顯然是不穩(wěn)定的，必須在二次系統(tǒng)中通過合理的解決辦法來控制孤網(wǎng)系統(tǒng)，進(jìn)而保證其內(nèi)部各個(gè)參數(shù)的穩(wěn)定性。

3.1常規(guī)電網(wǎng)的控制策略

根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行相關(guān)規(guī)定可知，想要確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，就要做好電網(wǎng)工作的預(yù)防措施。基于此，下文結(jié)合《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》規(guī)定并根據(jù)常規(guī)電網(wǎng)的控制建立了保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的三道防線，以此來保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

第一道：該防線主要是針對電網(wǎng)運(yùn)行的正常狀態(tài)而設(shè)立的防線，其不僅能通過預(yù)防手段保障電網(wǎng)的安全，還能保障電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。而且即便電網(wǎng)出現(xiàn)故障，也可以及時(shí)準(zhǔn)確的處理和解決故障問題。

第二道：該防線主要是針對電網(wǎng)運(yùn)行的緊急狀態(tài)而設(shè)立的防線，其通過對電網(wǎng)的運(yùn)行情況和故障情況予以判斷，然后再按照預(yù)定策略采取局部解列的控制處理故障問我呢提，進(jìn)而確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

第三道：該防線主要是針對極端緊急狀態(tài)下設(shè)立防線，其在電力系統(tǒng)出現(xiàn)異常問題的時(shí)候可以及時(shí)采取切機(jī)和解列等措施處理故障，進(jìn)而防止系統(tǒng)崩潰。

3.2孤網(wǎng)的機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略

在孤網(wǎng)中，除了常規(guī)的三道防線，還需要增加第四和第五道防線。

第四道防線，電網(wǎng)全部故障時(shí)，發(fā)電機(jī)組甩負(fù)荷帶廠用電。這是一種小概率的極端工況，即使電網(wǎng)崩潰，發(fā)電機(jī)組仍然自保安全。

第五道防線，在發(fā)電機(jī)廠用電全失時(shí)，由保安系統(tǒng)安全停機(jī)，避免設(shè)備損壞。

孤網(wǎng)的五道防線是一個(gè)有機(jī)的整體，能夠應(yīng)對各種故障，保障孤網(wǎng)運(yùn)行的安全和穩(wěn)定。機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)是五道防線的重要組成部分，包括實(shí)時(shí)二次調(diào)頻、實(shí)時(shí)二次調(diào)壓、功角測量調(diào)平、特殊控制、低頻減載、負(fù)荷管理系統(tǒng)等功能。其可以根據(jù)電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的相關(guān)關(guān)系對孤網(wǎng)電源和負(fù)荷發(fā)布指令并予以控制，進(jìn)而保證孤網(wǎng)的正常運(yùn)行。

3.3孤網(wǎng)的分散式保護(hù)策略

由于機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)及其特殊控制是基于集中式智能設(shè)備，即使采取了高可靠性設(shè)計(jì)，也仍然會存在系統(tǒng)故障的可能性。其故障將造成孤網(wǎng)第一道防線和第二道防線的失效，此時(shí)就只能依靠第三道防線來保障孤網(wǎng)的穩(wěn)定了。

第三道防線是由機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)之外的分散式低頻低壓減載功能、一次調(diào)頻功能、高頻切機(jī)功能構(gòu)成的。其具體執(zhí)行設(shè)備是綜保裝置、調(diào)速系統(tǒng)、勵(lì)磁系統(tǒng)和發(fā)變組保護(hù)裝置。

3.4典型工況的控制策略

3.4.1 正常狀態(tài)（第一道防線）

正常狀態(tài)下，石化裝置用電量和用汽量比較穩(wěn)定，電源側(cè)與負(fù)荷側(cè)的設(shè)備正常運(yùn)行，有功和無功需求波動小于孤網(wǎng)額定功率的2%。機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)合理分配孤網(wǎng)的有功和無功負(fù)荷，需要注意的是，孤網(wǎng)頻率需<0.2Hz，電壓波動需<2%，進(jìn)而保證負(fù)荷的平衡性。

鍋爐群供應(yīng)的蒸汽是石化工業(yè)園的能量源，為了保持鍋爐蒸汽母管的壓力穩(wěn)定，要求鍋爐群具備母管壓力協(xié)調(diào)控制功能，由多臺鍋爐共同維持蒸汽母管壓力的穩(wěn)定。

3.4.2 小負(fù)荷沖擊（第一道防線）

對于小于孤網(wǎng)8%的額定功率的負(fù)荷沖擊，我們稱之為小負(fù)荷沖擊。機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)能夠協(xié)調(diào)控制多種有功和無功調(diào)節(jié)手段，迅速恢復(fù)頻率和電壓的穩(wěn)定。

由于鍋爐變負(fù)荷速率較慢，在增加負(fù)荷時(shí)，有可能造成母管壓力的降低，此時(shí)必須切除部分電負(fù)荷。

需要注意的是，孤網(wǎng)頻率波動及電壓波動在小負(fù)荷沖擊下需要分別<0.5Hz和5%。

3.4.3 大負(fù)荷沖擊（三道防線）

大于8%的孤網(wǎng)額定功率的負(fù)荷沖擊，被定義為大負(fù)荷沖擊。

在負(fù)荷沖擊<25%的時(shí)候，機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)可以通過聯(lián)切用電負(fù)荷和快關(guān)調(diào)門將孤網(wǎng)頻率和電壓波動控制在<1Hz和<10%的范圍。

在大負(fù)荷沖擊的條件下，除了通過第一道防線機(jī)網(wǎng)有功和無功的調(diào)動以外，還要通過第二道防線操控特殊控制功能的快關(guān)門和切負(fù)荷的操作。另外，如果特殊控制功能出現(xiàn)故障，那么就要利用第三道防線對分散式保護(hù)裝置予以保護(hù)。但由于分散式保護(hù)裝置多是根據(jù)頻率和電壓進(jìn)行相關(guān)動作的，所以其與特殊控制相比是存在較大動態(tài)偏差。

大負(fù)荷沖擊，有鍋爐跳閘、汽輪發(fā)電機(jī)組跳閘、大規(guī)模負(fù)荷跳閘三種典型工況。

3.4.3.1鍋爐跳閘

本項(xiàng)目配置了循環(huán)流化床機(jī)組，鍋爐跳閘的情況是風(fēng)機(jī)全停，鍋爐會在2～5分鐘內(nèi)快速失去其蒸發(fā)量。按照最嚴(yán)重的情況來估算，單臺鍋爐故障時(shí)，在2分鐘左右損失幾乎全部的新蒸汽。即使其它七臺鍋爐還有備用，受限于鍋爐的增負(fù)荷速度，在2分鐘之后，七臺670t/h的鍋爐只能夠利用鍋爐蓄熱增加5%的蒸發(fā)量，即增加234t/h的蒸汽。仍然還有很大的新蒸汽缺口，必然會造成原動機(jī)功率不足，引發(fā)頻率下滑。同時(shí)，供汽量不足，蒸汽母管的壓力也會下滑。

3.4.3.2 汽輪發(fā)電機(jī)組跳閘

在單臺汽輪發(fā)電機(jī)組跳閘之后，孤網(wǎng)將失去一臺機(jī)組的發(fā)電量和抽汽量。孤網(wǎng)頻率和供熱母管的壓力會快速下滑，在此過程中，汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)將快速開大主汽調(diào)門，實(shí)時(shí)二次調(diào)頻系統(tǒng)控制多臺發(fā)電機(jī)組的共同增加有功出力，由于主蒸汽母管的供汽量充足，孤網(wǎng)頻率能夠在20秒左右迅速恢復(fù)到50Hz。供汽母管管理系統(tǒng)會調(diào)整多臺汽輪機(jī)的抽汽量，恢復(fù)供熱母管的壓力。

3.4.3.3大規(guī)模負(fù)荷跳閘

由于區(qū)域變故障或生產(chǎn)線的聯(lián)鎖停車，會造成孤網(wǎng)內(nèi)的用電量和用汽量的大幅度減少，造成孤網(wǎng)頻率和供汽母管壓力的快速上升。

在此過程中，汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)快速關(guān)小主汽調(diào)門，實(shí)時(shí)二次調(diào)頻系統(tǒng)控制多臺發(fā)電機(jī)組共同減少有功負(fù)荷，孤網(wǎng)頻率能夠在20秒左右恢復(fù)到50Hz。供汽母管管理系統(tǒng)會減少多臺汽輪機(jī)的抽汽量，恢復(fù)供熱母管的壓力。母管協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)會降低多臺鍋爐的燃燒率，恢復(fù)主蒸汽母管壓力。

3.4.4 母線崩潰（第四道防線）

母線一旦出現(xiàn)故障，不僅所有負(fù)荷失電，而且機(jī)組也會脫網(wǎng)。

為了保障安全，負(fù)荷側(cè)應(yīng)配置保安電源。電源側(cè)應(yīng)維持各臺發(fā)電機(jī)組甩負(fù)荷帶廠用電，即FCB功能，防止全廠停電，有利于孤網(wǎng)系統(tǒng)的快速恢復(fù)。

FCB功能要求在100%負(fù)荷狀態(tài)下，甩負(fù)荷帶廠用電，轉(zhuǎn)速維持在+200，-50rpm以內(nèi)，發(fā)電機(jī)出口電壓和鍋爐主汽壓力穩(wěn)定。

3.4.5 并網(wǎng)時(shí)外網(wǎng)故障

石化工業(yè)園啟動過程中，依賴于外網(wǎng)的啟動電源，與外網(wǎng)處于并網(wǎng)狀態(tài)。在此情況下，如果出現(xiàn)外網(wǎng)故障，解列保護(hù)裝置應(yīng)及時(shí)分?jǐn)嗖⒕W(wǎng)開關(guān)，由機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)快速平衡孤網(wǎng)，避免孤網(wǎng)失穩(wěn)。機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)根據(jù)事故前外網(wǎng)的運(yùn)行方式及聯(lián)絡(luò)線送電斷面的潮流大小，向機(jī)組側(cè)發(fā)送實(shí)時(shí)二次調(diào)頻和實(shí)時(shí)二次調(diào)壓指令，合理分配每臺機(jī)組的有功和無功出力，控制電網(wǎng)頻率、電壓和鍋爐主汽壓力等主要參數(shù)快速穩(wěn)定，恢復(fù)孤網(wǎng)的穩(wěn)定。

4.結(jié)語

中國的工業(yè)化，為中國的工業(yè)技術(shù)提供了廣闊的舞臺，以五道防線為基礎(chǔ)的孤網(wǎng)運(yùn)行技術(shù)，正是在這個(gè)過程中發(fā)展壯大，目前處于世界先進(jìn)水平。伴隨著一路一帶的建設(shè)，中國的水泥、冶煉、石化、鋼鐵等大工業(yè)將越來越多地向外溢出，我們應(yīng)充分考慮大工業(yè)的負(fù)荷特性，設(shè)計(jì)完善的控制策略，為中國的大工業(yè)走向世界提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支持。

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