某鋼鐵余熱電廠孤網(wǎng)運行設(shè)計方案探討

邱曉娜

摘 要：某鋼鐵廠余熱廢氣回收發(fā)電二期項目在初設(shè)階段發(fā)現(xiàn)并網(wǎng)路徑長，施工難度大，并網(wǎng)后產(chǎn)生大量的并網(wǎng)過網(wǎng)費。因此該項目采用孤網(wǎng)運行方式，孤網(wǎng)運行帶來一系列問題如何解決在本文中詳細描述。

關(guān)鍵詞：孤網(wǎng)運行，鋼鐵余熱廢氣，勵磁方式，負荷自動調(diào)節(jié)裝置

引言

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

一、項目概況

德龍公司是一家集燒結(jié)、煉鐵、煉鋼、軋材為一體的大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)?，F(xiàn)有1080立方米高爐三座，132m2、156m2燒結(jié)機各一座，120噸頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)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(chǎn)線各一條，工藝裝備具同行業(yè)先進水平。鋼鐵生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量的煤氣，為了合理回收利用高爐煤氣及燒結(jié)余熱資源，公司配套擴建原余熱發(fā)電項目，建設(shè)德龍二期余熱發(fā)電項目，裝機容量為20MW，所發(fā)電量供鋼廠自用。

余熱電站與并網(wǎng)變電站距離約900m，該項目原計劃利用一期項目的并網(wǎng)路徑并網(wǎng)至鋼廠110kV總變電站的10kV母線段。后鑒于以下原因：一、并網(wǎng)電纜較多；二、并網(wǎng)路徑遠，原電纜通道上再次敷設(shè)電困難；三、并網(wǎng)手續(xù)難以辦理，即便辦理通過后，需給當?shù)仉娋W(wǎng)繳納一定量的過網(wǎng)費。后業(yè)主提出本工程20MW汽輪發(fā)電機組孤網(wǎng)運行的思路，希望我設(shè)計院能在原設(shè)計基礎(chǔ)上進行最經(jīng)濟的改造，達到該汽輪發(fā)電機組能孤網(wǎng)運行的要求。

二、孤網(wǎng)特點

孤網(wǎng)一般指脫離大電網(wǎng)的小容量電網(wǎng)，是孤立電網(wǎng)。電力建設(shè)規(guī)程曾有規(guī)定，電網(wǎng)中單機容量為電網(wǎng)總?cè)萘康?%，以保證當該機發(fā)生甩負荷時，不影響電網(wǎng)的正常運行。電網(wǎng)中的各機組，一般都有10%—15%的過載余量，如果電網(wǎng)中的機組調(diào)速系統(tǒng)都正常投入，一旦某機組發(fā)生甩負荷，則電網(wǎng)所失去的功率可以暫時由網(wǎng)中其他機組過載余量負擔，對供電質(zhì)量的影響仍在運行規(guī)程規(guī)定的范圍內(nèi)。

孤網(wǎng)可分為以下幾種情況：網(wǎng)中有幾臺機組并列運行，單機與電網(wǎng)容量之比超過8%，稱為小網(wǎng)。網(wǎng)中只有一臺機組供電，稱為單機帶負荷孤網(wǎng)。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(wǎng)電廠運行方式由常規(guī)并網(wǎng)發(fā)電機組的負荷控制轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷骸㈩l率控制。提出合理的孤網(wǎng)控制策略，使得負荷、電壓、頻率及發(fā)電機組協(xié)調(diào)運行，是孤網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。

（1）發(fā)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(wěn)定，當功率和負荷擾動時，會引起孤網(wǎng)頻率變化，所以發(fā)電機組采用頻率控制，并要求汽輪機的調(diào)速系統(tǒng)具有更高的靈敏度，更小的遲緩率，更快的動響應(yīng)和良好的穩(wěn)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(wěn)定。即維持發(fā)電機轉(zhuǎn)速在3000r/min 附近。

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

（3）孤網(wǎng)運行電壓僅靠發(fā)電機勵磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)，根據(jù)負荷端對電能質(zhì)量的要求、電壓穩(wěn)定的要求， 發(fā)電機的端電壓應(yīng)基本保持不變。對發(fā)電機配套勵磁系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度要求快。

三、有關(guān)孤網(wǎng)設(shè)計的應(yīng)對措施

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

1、廠用電電源設(shè)計

根據(jù)負荷情況，本工程發(fā)電機出口電壓等級采用10kV；高壓廠用電系統(tǒng)采用6kV（由于廠內(nèi)最大變電站低壓側(cè)電壓等級為6kV），高壓廠用電由鄰近一期并網(wǎng)發(fā)電工程6kV母線引接，即本工程的廠用電系統(tǒng)與發(fā)電機系統(tǒng)之間沒有電氣連接。業(yè)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(wǎng)電源。據(jù)調(diào)查，德龍一期在2012年運行至今比較平穩(wěn)，沒有發(fā)生過故障停機情況，廠用電系統(tǒng)比較安全可靠。

2、孤網(wǎng)所帶負荷選擇

鋼廠內(nèi)用電負荷梳理后業(yè)主提出孤網(wǎng)運行所帶負荷有三處：燒結(jié)配電室電負荷總?cè)萘考s為12000kW；豎爐配電室電負荷總?cè)萘考s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(wǎng)運行時當設(shè)備采用直接啟動方式時，根據(jù)經(jīng)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(wǎng)運行采用了某公司的兩項專利技術(shù)：電力負荷調(diào)節(jié)系統(tǒng)及方法（發(fā)明專利號：200640065761.0）；電力負荷調(diào)節(jié)裝置（實用新型專利號：200620008044.X）孤網(wǎng)運行。并且電能質(zhì)量各項指標達到國家標準用電要求。經(jīng)濟方案比較后業(yè)主決定采用該裝置調(diào)節(jié)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(yīng)，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(wǎng)專用模塊

DEH （汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)）主要任務(wù)是調(diào)節(jié)發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速、功率使其滿足電網(wǎng)要求。該系統(tǒng)具有超速保護功能OPC ，當汽輪發(fā)電機組轉(zhuǎn)速升到103%額定轉(zhuǎn)速時，通過快速關(guān)閉調(diào)節(jié)氣閥，使機組維持在額定轉(zhuǎn)速運行，避免轉(zhuǎn)速升高過快而停機。孤網(wǎng)運行時，發(fā)電機的高頻切機可與汽輪機OPC 協(xié)調(diào)配合控制發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速過高，從而控制孤網(wǎng)的頻率過高。

該專用系統(tǒng)通過發(fā)電機組上安裝的轉(zhuǎn)速反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)，即可自動根據(jù)實際轉(zhuǎn)速偏離額定值的程度來調(diào)節(jié)發(fā)電機組生產(chǎn)的有功功率。此轉(zhuǎn)速反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)（即一次調(diào)頻）要求采用比例調(diào)節(jié)方式，且比例系數(shù)基本相等。比例調(diào)節(jié)使轉(zhuǎn)速是有差的。通過電網(wǎng)中調(diào)的積分調(diào)節(jié)作用，改變調(diào)頻機組的功率，使供電頻率回到額定值（即二次調(diào)頻）?？s短DEH運行時間，增加轉(zhuǎn)速微分修正，修改超速限制等功能來更適用于孤網(wǎng)系統(tǒng)。

4、變更發(fā)電機勵磁系統(tǒng)

由于原訂貨發(fā)電機配套勵磁系統(tǒng)為無刷勵磁，現(xiàn)根據(jù)孤網(wǎng)對勵磁的響應(yīng)速度調(diào)整為靜止可控硅勵磁系統(tǒng)。

（1）靜止可控硅勵磁

可控硅靜止勵磁系統(tǒng)是發(fā)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(zhuǎn)子線圈，這時必須由碳刷換向才能通入轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)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(huán)，但勵磁響應(yīng)速度快。勵磁電壓響應(yīng)時間在0.08s以下。

2）優(yōu)點是發(fā)電機與勵磁系統(tǒng)界限明顯，相對獨立，直觀明了，而且轉(zhuǎn)子勵磁電流、勵磁電壓容易取得，數(shù)值準確，檢修方便。

3）由于電刷存在磨損，運行人員要經(jīng)常巡視、更換電刷。電刷與滑環(huán)接觸易產(chǎn)生環(huán)火和大量發(fā)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(chǔ)的造價，調(diào)整容易，故障后維修時間短，因而可以提高發(fā)電效益。

5）滅磁方式有多種，一般采用直流滅磁開關(guān)滅磁，時間控制不大于40ms。

（2）無刷勵磁

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

鑒于孤網(wǎng)運行電壓僅靠發(fā)電機勵磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)，因此對勵磁系統(tǒng)的響應(yīng)速度要求高，因此本工程發(fā)電機采用靜止可控硅勵磁系統(tǒng)。

四、結(jié)論

本工程按照上述原則設(shè)計方案進行調(diào)整以后，經(jīng)過業(yè)主的確認后進行工程實施，該電站在2014年4月投產(chǎn)，投產(chǎn)至今運行良好，是孤網(wǎng)運行的一個很好的范例。

參考文獻：

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