氧化鋁廠孤網運行供電方案的研究

劉春昊

（沈陽鋁鎂設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110001）

氧化鋁廠約15%的負荷為一級負荷,65%的負荷為二級負荷,其它為三級負荷。特點是生產連續性強，一旦停電會發生冒料、沉降等現象，嚴重時可造成生產設備的永久損壞，需要很長時間才能恢復生產，帶來重大經濟損失。因此氧化鋁生產系統的供電可靠性要求較高。對于氧化鋁廠來說，其供電系統應是支持氧化鋁整個生產過程安全可靠的重點和基礎。一旦電力沒辦法做到長時間的穩定供應或者說經常出現斷電、停電的情況，整個工藝系統中的生產設備就會停止運作，所有的物料失去攪拌動力，隨之而來的就是逐漸凝固沉淀，這種現象的出現對氧化鋁的生產過程來說是十分致命的打擊[1]。

1 自備電廠的作用

隨著國家產業結構的調整和技術水平的提升，我國一些有實力、有想法的氧化鋁制造商都不約而同的把視線轉向國際項目，海外投資建廠的步伐也越來越快，但是由于國際項目工程所在地的電力供應系統與我國國內的電力供應系統大不相同，相對比我國國內的電力供應，國際項目的電力供應往往存在著輸配電基礎薄弱、供電能力和供電質量不夠、達不到氧化鋁廠正常生產用電需求的問題，所以在海外投資建設的氧化鋁廠需要合理配置自備熱電站，這個配套的熱電站不僅需要滿足氧化鋁廠的熱負荷，還需要滿足整個工藝生產過程的用電負荷。在國內諸多氧化鋁廠自備熱電站中，運行模式一般采用和國家或地區電網并網運行，這樣的連接方式，能夠很好的保證整個氧化鋁廠的供電安全，但是在海外建設的氧化鋁廠，由于客觀條件限制，往往不具備和當地的電網連接的條件，這主要是由于很多國外氧化鋁項目選址靠近礦區而遠離經濟發達地區，周邊缺少工業基礎和供電設施，所以海外氧化鋁項目大多只能夠采用孤網運行的模式，才能實現電力供應的自給自足，確保鋁廠運行安全和盈利需求。

2 對孤網運行的系統性分析

孤網（局域網）是孤立電網的簡稱，一般泛指脫離大電網的小容量電網。目前國內氧化鋁廠在生產時，其供電電源均與外部電網相連，外部電網除為氧化鋁廠提供網上電能儲備（自備電廠發電機組退出供電能力不足時）外，同時為自備電廠供電系統的安全性、可靠性提供保障。而如果自備電廠孤網運行，其發電能力與氧化鋁廠的用電需求緊密關聯且相互影響，生產系統用電負荷的波動和沖擊都將對供電系統的穩定產生很大影響。

對于自備熱電站來說，孤網運行最突出的特點，是需要從負荷控制轉變為頻率控制。由于電網容量較小，其中旋轉慣量儲能和鍋爐所具備的能力勢能均較小，要求機組的調速系統具有更高的靈敏度，更小的遲緩和更快的動態響應特性，要求調速系統具有負荷要求的靜態特性、良好的穩定性和動態響應特性。孤網控制實際上包含兩種情況：一種是發電機組在孤網中正常運行，機組一次調頻必須滿足孤網中負荷變化的要求；另一種是發電機組由于用電負荷（電氣故障）突然甩掉，用電負荷減少，此時考核發電機組DEH（數字式電液控制系統）系統最大階躍負荷的快速性和穩定性。因此發電機組原則上應達到：①發電機組均具備一次調頻功能，須參與一次調頻；②發電機組均具備二次調頻功能，視情況投入其中的機組臺數，以消除一次調頻的后的頻差[2]。

3 孤網的黑啟動

當自備電廠孤網運行后，由于沒有外部電源，電廠的黑啟動（原始啟動）必須依靠柴油發電機才能啟動。黑啟動通常應用于以下三種情況：①由于沒有外部電源，須通過系統中柴油發電機組帶動1臺發電機組的廠用電，以啟動該發電機組，再通過已啟動的發電機組啟動其它的發電機組，從而實現自備電站運轉。②氧化鋁廠側的負荷波動引起電網崩潰導致自備電站全停電，自備電站需要重新啟動。③自備電廠自身運行或設備損壞造成發電機大范圍跳閘，導致自備電站全停電引起電網崩潰，自備電站需要重新啟動。

從技術經濟角度考慮，通常認為黑啟動時，煤倉內煤量和當前水量完全能滿足黑啟動要求，黑啟動一段時間內不需要補充，因此柴油發電機選型時，可以不考慮輸煤系統和化學水的用電負荷。一般來說一個年產能為100萬噸的氧化鋁廠，其配套黑啟動柴油發電機裝機容量應在8000kw~12000kw為宜，如果采用了軟啟動等其它技術措施，也可適當減少。下圖為一個年產能為100萬噸級的氧化鋁廠的供電主系統，當孤網運行時，可以配置4到6臺容量為2000kW柴油發電機作為黑啟動電源使用。

圖1 氧化鋁廠的供電主系統

當需要黑啟動時，首先讓柴油發電機具備供電能力，再逐漸啟動自備電廠的鍋爐引風機、高壓硫化風機、一次風機、二次風機、鍋爐給水泵等主要設備，當上述設備達到正常運行狀態時，鍋爐開始供油、點火、啟動，汽機具備發電能力，此時氧化鋁廠可以按工藝要求啟動相應的用電設備。當鍋爐、發電機組達到正常運行發電時，可視具體情況退出柴油發電機，氧化鋁廠按計劃逐漸恢復正常生產。

4 結語

總的來說，孤網運行屬于微電網范疇，屬于智能電網，其優勢是用較小型的電源系統，形成一個能夠自動適應的、實現發電與用電平衡的電力系統，因此在設計建設孤網運行時，無論是電廠側還是鋁廠側，均要求具有較高的自適應調節能力。為了保證氧化鋁廠的安全穩定生產，需要對自備電廠和氧化鋁廠內部的用電負荷進行分類，并以此制定相應的應急方案。在海外的氧化鋁項目中，供配電系統的可靠性和可行性，更多的要基于在孤網條件下進行分析，這樣才能夠避免好的工程項目由于受基礎設施和客觀條件的制約無法實施的窘境，最終保證這些項目可以達到運行和效益的最佳平衡。

[1]周志平,孫新良,付晨鵬,劉恪.電力系統孤網運行動態特性試驗[J].電網技術,2017年S2期:94.

[2]曾文清.馬鋼新區鋼軋系統電網孤網運行研究與探討[J].冶金動力,2013年04期:87.