水泥廠中自備燃煤孤島電廠大型設備啟動突加負荷的應用

劉云飛 楊勇偉

1中材建設有限公司（100176）2河南建筑材料研究設計院有限責任公司（450002）

水泥廠中自備燃煤孤島電廠大型設備啟動突加負荷的應用

劉云飛1楊勇偉2

1中材建設有限公司（100176）2河南建筑材料研究設計院有限責任公司（450002）

在一些電力缺乏的發展中國家，為解決水泥項目的用電，往往采用業主建設自備電源、采用孤島運行的方式。這里介紹了某水泥廠中自備燃煤孤島大型設備啟動突加負荷及減負荷的應用特點及設計時需要考慮的一些技術要點。

孤島電廠；突加負荷

0 概述

發展中國家的電力供應是個瓶頸，投資商在規劃建設水泥項目時，往往遇到電力穩定足額供應的問題。我公司承建的西亞5 000 TPD水泥生產線距城市260 km，需要配套54 MW電力系統，且附近無大型電網，因此建設自用電廠可以解決電力供應問題。在無外網支持的情況下，自用電廠作為一個“孤島小網電廠”運行，并且燃煤作為水泥廠燒成系統用燃料，業主往往也會選取煤作為自備電廠用燃料。但是這種自備電廠往往是根據水泥廠的規模來設計配套的，自備電廠的電力能源無法向外輸送。這樣水泥廠的大型設備啟動和發電設備機組的容量需要很好地配置才能滿足正常的生產需要。

1 “孤島”電廠的運行特點

1）孤立承擔供電風險，設計者往往只考慮滿足水泥生產線的負荷運行要求。

2）燃煤發電機組數量較少，儲存的旋轉慣量單薄，動態穩頻效果差，最大突然加負荷的容量僅為5%～10%。

3）燃煤電廠的煤汽電轉換設備多、途徑長、效率低、滯后，燃油燃氣電廠油電或氣電轉換快捷，因此孤島燃煤電廠具有更大的運行調度難度。

4）水泥線單機大容量設備多，啟停對孤島電網沖擊大，易形成電網動蕩。

要特別提出，水泥廠設備中存在大量的大負荷設備，比如原料磨機、水泥磨機、破碎機、系統風機等。在啟動時，這些大負荷設備對于這種孤島電廠來說就是一次突加負荷的過程，全壓起動時會產生較大的沖擊電流。解決辦法是采用軟起、變頻或液體電阻啟動等方式來實現。從經濟角度考慮，水泥廠項目設計采用最多的是液體變阻啟動器。比如，5 000 tpd水泥廠設備裝機容量大約為47 MW，計算負荷32 MW，電廠裝機容量為2×25 MW汽輪發電機組，機網容量比為64%，最大突加負荷的容量僅為5%～10%。

水泥磨系統電機4 500 kW啟動容量占電網容量的16.5%;最大啟動容量約為額定容量的2.59倍，最大啟動容量占電網容量的24.5%。

水泥廠設計配套的孤島電廠必須要考慮下游車間如水泥磨車間,磨機在啟動時，上游設備大多數情況下在滿負荷運行，此時孤島電廠總輸出在65%以上,孤網達到最大的脆弱度。如果電網不能夠承載啟動沖擊容量16.5%～25%，這樣能否滿足此時狀態下大容量電動機啟動要求成為孤島電廠設計成敗的重要因素。

2 孤島電廠突加負荷的解決方案

我公司承建的某5 000 TPD項目配套的孤島電廠使用的燃料分別為煤和柴油，因此孤島電廠由2×25 MW的汽輪發電機組和4×2 MW柴油發電機組組成。水泥線大負荷單機的啟動最好的辦法有兩個:第一啟動前的孤島電廠備用容量儲備最少要大于啟動電機容量的1.8倍，同時使母線電壓和頻率適當提高接近于上限；第二采用多臺機組共同承擔大電機啟動的沖擊。在大電機啟動瞬間，孤島母線的電壓和頻率都會對發電機組的調速系統有影響，完善的系統會在很短的時間內震蕩趨于穩定。在水泥廠突加負荷（啟動大型設備）運行工況下很有可能會導致孤島電網崩潰，造成其他設備驟停。對于大設備驟停，設計時一定要考慮系統和操作機構的選型，以滿足控制的反應速度、遲滯性要求。孤島電廠（除了單機帶負荷）多機并網供電，必須考慮機組之間的負荷分配問題，硬件方面要求各機組調速系統具有相同的調速不等率外，各個機組間的控制系統要設置一個中樞控制系統來協調多機組的負荷均衡問題（load sharing），此時各機組的運行模式相同，均為同步模式（ISO model）或者頻率模式（PF model）,共同承擔用戶的負荷波動。

圖1 項目單線圖和DCS控制系統組成

選擇配置關鍵因素是應急發電機的沖擊負荷能力58%:4×2 MW×58%=4.6 4MW。

圖2 設備參數曲線

按照汽輪機的突然加負荷的能力是5%～10%，并且汽輪機是50%～100%帶載的情況下:

設備參數:

綜上所述，在磨機啟動時，電廠設備突加負荷的能力大概是9.64 MW，而磨機的電機是4 500 kW。在磨機啟動時一定要注意汽輪機和柴油機組運行模式的配合,上游設備大多數情況下在滿負荷運行，此時孤島電廠總輸出在60%以上。要把整個電廠機組全部運行起來，此時電廠的各個機組的運行模式相同，均為同步模式（ISO model）。以共同承擔磨機的突加負荷時對整個電力系統的沖擊，使電廠的所有機組不會因突加負荷而引起電網波動導致整個電網崩潰失電，保證孤島電廠對整個水泥廠供電的安全運行。

3 結語

孤島電廠設計的目的是保證水泥線供電系統的安全、穩定、可靠。筆者從孤島電廠的特點和水泥工廠用電的特點出發，將供電系統和用電系統結合在一起進行論述，對可能出現的重要技術風險因素進行分析，提出針對性的解決方案。