某水泥廠自備電站機組脫網原因分析及應對措施

李文學

1　引言

隨著國外水泥廠建設項目的增多，我們越來越多地感受到為其供電的自備電站運行方式的特殊性。工業不發達國家電網容量較小，穩定性相對較差，其電力指標（如頻率和幅值）經常出現變動，水泥廠啟、停大設備時產生的沖擊往往與外電網系統相互影響，加之當地電力部門也會對水泥廠用電進行限制，聯絡線便會經常跳閘，自備電站就由聯網運行轉為孤網運行，廠內負荷全部轉由自備電站機組提供，我們稱這種情況為脫網。

2　脫網對機組運行的影響

由于并網時聯絡線會帶有一定的負荷，脫網時，自備電站會受較大沖擊，可能會引起頻率和電壓的大幅變動，甚至造成機組非正常停機。聯絡線脫網后，機組獨立承擔水泥生產線全部負荷，孤網運行，此時應先調整機、爐工況，再啟停水泥生產線大型設備，但在設備出現保護跳停時，機組就會受到一定的沖擊，機組的快速調整主要靠保護裝置和自動調節裝置。

3　國外某水泥廠自備電站特點

某水泥廠建有總降變電站，總降變電站電源進線以35kV由電力系統接入，通過一臺容量為6 300kVA的主變壓器降壓至6.3kV并配送到廠區窯頭、窯尾、原料磨、水泥磨、石灰石破碎車間等的配電室。水泥廠配套有燃煤電站，自備發電機組以6.3kV接入中壓配電系統，當電站機組運行時，和外電網一起為水泥廠全部負荷供電。穩定狀態下自備電站一般能為水泥生產線提供100%動力負荷，外電網只作為機組啟動和大型設備啟停時的能量補充和緩沖。

該水泥廠的運行特點如下：

（1）當地電網不穩定，頻率及電壓變化很大，在日常運行過程中，發電機并網轉速經常會在2 970～3 030r/min頻繁變化。

（2）由于聯絡線開關控制水泥廠和外網的連接，一方面水泥廠可以通過聯絡線從外網獲取部分功率來供廠內負載使用，我們稱此功率為“吸收功率”，另一方面，當電站的發電功率大于水泥線負載使用時，多余的電能又可以通過聯絡線向外網送出，我們稱此功率為“送出功率”，當地電力部門為了保證電網的安全運行，限制了聯絡線的吸收功率為4 000kW，送出功率為3 000kW，二者之一達到設定值時，聯絡線開關就會零秒跳閘。

（3）外網電價便宜，因此水泥廠想盡可能多地使用外網電量。機組正常穩定運行時，聯絡線的吸收功率維持在≮2 000kW。

基于以上三個原因，該廠自備電站機組運行就出現了經常性的脫網情況，原因就是聯絡線本身盡可能地在吸收功率范圍內運行，電網出現較大波動時，聯絡線的吸收功率就會大于整定值，造成跳閘，成為自備電站機組脫網的主要原因。

4　脫網原因分析

對于脫網的原因，在第3小節里已有提及，由于聯絡線正常運行時的吸收功率為2 000kW左右，已接近保護裝置動作的臨界值，電網的波動就能引起處于臨界狀態的聯絡線跳閘。從理論上來講，這是由發電機的功角特性決定的。當電網波動時，發電機和電網出現功角變化。頻率尚未發生變化的情況下，功率就已經出現了變化，這是我們無法改變的。深層分析發現，此時汽輪機505調速器工作狀態處于功/頻控制模式，實際是起到了一個正反饋的作用。當電網出現減負荷的情況時，電網出現升速趨勢，發電機與電網的功角變小，發電機輸出功率也隨之變小（如圖1）。在廠內的用電負荷不變的情況下，電能就有更多的部分由電網輸送。此時505調速器處于功/頻控制模式，為了保持轉速穩定，在判斷外需功率減少的情況下，就會發出指令關小調門，使發電機輸出功率降低，實際是起到正反饋的作用，這樣外網進來的功率就會繼續增大，當超過聯絡線功率限定值時就會跳閘出現脫網。

圖1　發電機功角特性

5　應對措施

為了解決聯絡線頻繁脫網這一問題，在和汽機廠家研討及多次試驗后，對505重新設置了組態，改成在并網的情況下505控制方式為閥位控制，脫網后轉為功/頻控制方式，這就大大減少了電網波動引起聯絡線跳閘的次數，同時又保證了機組孤網運行時的安全可靠性。

具體試驗過程如下：

（1）第一階段：把505轉速PID控制方式更改為輔助PID中的負荷控制方式，通過增加功率變速器，給505輸入聯絡線功率模擬信號，通過輔助PID中的負荷控制方式來調整調門開度。但由于是采用的聯絡線功率模擬量去控制發電機的功率，水泥生產線的負荷又不是固定值，這樣聯絡線和發電機的功率就不是固定比例，加上電網波動較大，在試驗過程中，聯絡線逆功率動作多次，因此這種控制方法失敗。

（2）第二階段：將505轉速PID控制方式更改為限定閥位限制器控制方式，調門不隨電網頻率波動而調節，只有脫網變為孤網運行后，505自動切換為轉速PID中的功/頻控制方式。這一方式基本可保證聯絡線不會因為電網頻率波動而跳閘，但需要操作人員對調門開度進行增減操作，有一定的操作風險。因此，又利用DCS預留的通道和對505進行重新組態，實現了在DCS中遠程控制505和遠程接收并顯示閥位信號。

由上述分析及實驗可知，由于外網不穩定引起的聯絡線脫網會引起自備電站機組的工況變動，通過設置505調速控制器，大大減少了脫網的次數，加上其他專業采取的相關措施，該自備電站機組完全能夠保證水泥生產線的正常生產。

參考文獻：

[1]劉廣健，盧繼平.基于功角特性曲線的發電機運行狀況實時分析[J].電網技術，2006，（S1）.

[2]Woodward505數字式汽輪機控制器說明書[K].■