某鋼鐵余熱電廠孤網運行設計方案探討

邱曉娜

摘 要：某鋼鐵廠余熱廢氣回收發電二期項目在初設階段發現并網路徑長，施工難度大，并網后產生大量的并網過網費。因此該項目采用孤網運行方式，孤網運行帶來一系列問題如何解決在本文中詳細描述。

關鍵詞：孤網運行，鋼鐵余熱廢氣，勵磁方式，負荷自動調節裝置

引言

邢臺德龍二期余熱發電項目原設計方案為發電機組并網運行，施工圖前期業主提出并網手續辦理困難，并網電纜較長，電纜敷設難度大，后向我司提出希望讓該項目孤網運行。在2013年2月陪同業主對沁源沁新熱電、靈石、河北敬業集團等多個孤網運行廠家實地考察后，提出該發電廠孤網運行切實方案并且實施。該項目業主在2014年4月已經開始發電，目前運行良好。

一、項目概況

德龍公司是一家集燒結、煉鐵、煉鋼、軋材為一體的大型鋼鐵聯合企業。現有1080立方米高爐三座，132m2、156m2燒結機各一座，120噸頂底復吹轉爐兩座與其配套LF精煉爐和兩機兩流板坯連鑄機，850mm、1250mm軋機生產線各一條，工藝裝備具同行業先進水平。鋼鐵生產過程中產生大量的煤氣，為了合理回收利用高爐煤氣及燒結余熱資源，公司配套擴建原余熱發電項目，建設德龍二期余熱發電項目，裝機容量為20MW，所發電量供鋼廠自用。

余熱電站與并網變電站距離約900m，該項目原計劃利用一期項目的并網路徑并網至鋼廠110kV總變電站的10kV母線段。后鑒于以下原因：一、并網電纜較多；二、并網路徑遠，原電纜通道上再次敷設電困難；三、并網手續難以辦理，即便辦理通過后，需給當地電網繳納一定量的過網費。后業主提出本工程20MW汽輪發電機組孤網運行的思路，希望我設計院能在原設計基礎上進行最經濟的改造，達到該汽輪發電機組能孤網運行的要求。

二、孤網特點

孤網一般指脫離大電網的小容量電網，是孤立電網。電力建設規程曾有規定，電網中單機容量為電網總容量的8%，以保證當該機發生甩負荷時，不影響電網的正常運行。電網中的各機組，一般都有10%—15%的過載余量，如果電網中的機組調速系統都正常投入，一旦某機組發生甩負荷，則電網所失去的功率可以暫時由網中其他機組過載余量負擔，對供電質量的影響仍在運行規程規定的范圍內。

孤網可分為以下幾種情況：網中有幾臺機組并列運行，單機與電網容量之比超過8%，稱為小網。網中只有一臺機組供電，稱為單機帶負荷孤網。甩負荷帶廠用電，也稱為孤島運行工況，是單機帶負荷的一種特例。

孤網電廠運行方式由常規并網發電機組的負荷控制轉變為電壓、頻率控制。提出合理的孤網控制策略，使得負荷、電壓、頻率及發電機組協調運行，是孤網安全穩定運行的關鍵。

（1）發電機的出力必須隨時跟隨負載功率的變化而變化，才能維持供電頻率穩定，當功率和負荷擾動時，會引起孤網頻率變化，所以發電機組采用頻率控制，并要求汽輪機的調速系統具有更高的靈敏度，更小的遲緩率，更快的動響應和良好的穩定特性，以保證在外界負荷變化的情況下自動保持頻率的相對穩定。即維持發電機轉速在3000r/min 附近。

（2）孤網運行時，大型用電設備應使用軟起裝置或變頻器以降低啟動電流，減少對發電機的影響。當設備采用直接啟動方式時，根據經驗其容量盡量不要高于機組額定容量的10%。

（3）孤網運行電壓僅靠發電機勵磁系統調節，根據負荷端對電能質量的要求、電壓穩定的要求， 發電機的端電壓應基本保持不變。對發電機配套勵磁系統的動態響應速度要求快。

三、有關孤網設計的應對措施

通過考察部分孤網運行電站及分析孤網電站運行的特點，我們對德龍余熱發電二期項目整體方案做了以下調整：

1、廠用電電源設計

根據負荷情況，本工程發電機出口電壓等級采用10kV；高壓廠用電系統采用6kV（由于廠內最大變電站低壓側電壓等級為6kV），高壓廠用電由鄰近一期并網發電工程6kV母線引接，即本工程的廠用電系統與發電機系統之間沒有電氣連接。業主提供的備用廠用電源，正常運行電源故障時自動切換至電網電源。據調查，德龍一期在2012年運行至今比較平穩，沒有發生過故障停機情況，廠用電系統比較安全可靠。

2、孤網所帶負荷選擇

鋼廠內用電負荷梳理后業主提出孤網運行所帶負荷有三處：燒結配電室電負荷總容量約為12000kW；豎爐配電室電負荷總容量約為45000kW及除塵風機容量約2570kW。其中最大直啟動電機為1000kW，滿足“孤網運行時當設備采用直接啟動方式時，根據經驗其容量盡量不要高于機組額定容量的10%”

考察到山西沁新熱電廠采時，該電廠孤網運行采用了某公司的兩項專利技術：電力負荷調節系統及方法（發明專利號：200640065761.0）；電力負荷調節裝置（實用新型專利號：200620008044.X）孤網運行。并且電能質量各項指標達到國家標準用電要求。經濟方案比較后業主決定采用該裝置調節本項目用電負荷。該裝置在檢測到10kV母線電壓波動時，能夠快速響應，自動投入或者切除，其負荷特性屬于電阻性負載。

3、增加DEH孤網專用模塊

DEH （汽輪機數字電液控制系統）主要任務是調節發電機組的轉速、功率使其滿足電網要求。該系統具有超速保護功能OPC ，當汽輪發電機組轉速升到103%額定轉速時，通過快速關閉調節氣閥，使機組維持在額定轉速運行，避免轉速升高過快而停機。孤網運行時，發電機的高頻切機可與汽輪機OPC 協調配合控制發電機組的轉速過高，從而控制孤網的頻率過高。

該專用系統通過發電機組上安裝的轉速反饋調節系統，即可自動根據實際轉速偏離額定值的程度來調節發電機組生產的有功功率。此轉速反饋調節系統（即一次調頻）要求采用比例調節方式，且比例系數基本相等。比例調節使轉速是有差的。通過電網中調的積分調節作用，改變調頻機組的功率，使供電頻率回到額定值（即二次調頻）。縮短DEH運行時間，增加轉速微分修正，修改超速限制等功能來更適用于孤網系統。

4、變更發電機勵磁系統

由于原訂貨發電機配套勵磁系統為無刷勵磁，現根據孤網對勵磁的響應速度調整為靜止可控硅勵磁系統。

（1）靜止可控硅勵磁

可控硅靜止勵磁系統是發電機無需自身帶勵磁機，勵磁電源從機端或者廠用電供給，由可控硅直接整流控制，供給轉子線圈，這時必須由碳刷換向才能通入轉動的轉子線圈，生磁場切割定子線圈。它所具有以下特點：

1）有碳刷滑環，但勵磁響應速度快。勵磁電壓響應時間在0.08s以下。

2）優點是發電機與勵磁系統界限明顯，相對獨立，直觀明了，而且轉子勵磁電流、勵磁電壓容易取得，數值準確，檢修方便。

3）由于電刷存在磨損，運行人員要經常巡視、更換電刷。電刷與滑環接觸易產生環火和大量發熱（不易安裝于防爆，防火的地方）。

4）縮短了軸系長度，可減小廠房和基礎的造價，調整容易，故障后維修時間短，因而可以提高發電效益。

5）滅磁方式有多種，一般采用直流滅磁開關滅磁，時間控制不大于40ms。

（2）無刷勵磁

機組勵磁系統是由發電機和與發電機同軸連接的勵磁發電機組成。這種勵磁發電機不同于和發電機同軸的直流發電機，這種勵磁發電機實質是交流發電機，它所產生三相交流電通過連接在其軸上的旋轉整流器進行整流，輸出的直流電直接接在轉子的繞組上，用來產生轉子磁場。有交流勵磁機和旋轉硅整流，但無碳刷，動態響應慢。加上勵磁機的時間常數，勵磁電壓響應時間在1S以上。

鑒于孤網運行電壓僅靠發電機勵磁系統調節，因此對勵磁系統的響應速度要求高，因此本工程發電機采用靜止可控硅勵磁系統。

四、結論

本工程按照上述原則設計方案進行調整以后，經過業主的確認后進行工程實施，該電站在2014年4月投產，投產至今運行良好，是孤網運行的一個很好的范例。

參考文獻：

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[2] 張健銘，畢天姝，劉輝，薛安成.孤網運行與頻率穩定研究綜述[J].電力系統保護與控制，2011（11）：149～154.