薄板坯連鑄連軋沖擊性用電負荷接入企業(yè)電網(wǎng)可行性研究及應用

劉建平

（酒鋼集團公司能源中心，甘肅嘉峪關 735100）

引言

某鋼鐵企業(yè)為實現(xiàn)產(chǎn)品升級，組織建設了200萬t薄板坯連鑄連軋（以下簡稱CSP）項目。考慮到接入當?shù)毓╇娖髽I(yè)電網(wǎng)后，由于國家電網(wǎng)收費高會降低企業(yè)新建項目競爭能力，企業(yè)決定將CSP項目接入企業(yè)內部電網(wǎng)。由于企業(yè)內部電網(wǎng)供電裕度不大，而CSP項目用電負荷大并且屬于典型的沖擊性負載，對企業(yè)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行有一定影響，需要對CSP用電負荷接入企業(yè)電網(wǎng)后，電網(wǎng)內電力平衡、電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)穩(wěn)定能力等相關參數(shù)和特征進行分析，并根據(jù)分析結果制定對應的措施及解決方案，以實現(xiàn)項目接入實施后能保證企業(yè)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

1 企業(yè)電網(wǎng)現(xiàn)狀

1.1 發(fā)、用電負荷情況

企業(yè)電網(wǎng)總發(fā)電能力為380 MW，平均用電負荷360 MW，最大用電負荷460 MW。

企業(yè)電網(wǎng)內安裝有7臺發(fā)電機組，分別為6臺燃煤機組和1臺余能機組，各機組容量如下：

燃煤發(fā)電機組：2×125 MW、2×50 MW、1×12+1×10 MW；

高爐煤氣余能發(fā)電機組：1×8 MW。1.2 企業(yè)電網(wǎng)結構及潮流分布情況

企業(yè)電網(wǎng)通過110 kV嘉總雙回線接入國家電網(wǎng)110 kV系統(tǒng)，主網(wǎng)架結構是以110 kV熱電廠變電站、110 kV一總降變電站、110 kV三總降變電站、110 kV四總降變電站為支撐的環(huán)形供電系統(tǒng)。兩個電廠分別接于四角環(huán)網(wǎng)的兩個對角即110 kV三總降變電站及110 kV熱電廠變電站。另外，110 kV萬立制氧變雙回110 kV線路（110 kV萬立制氧一、二回線）接入110 kV一總降變電站；110 kV鐵前變雙回110 kV線路（110 kV鐵前一、二回線）接入110 kV四總降變電站；110 kV二總降變雙回110 kV線路（110 kV熱總三、四回線）接入110 kV熱電廠變電站，110 kV北區(qū)變以單回110 kV線路（110 kV熱北線）接入110 kV熱電廠變電站。

為便于潮流計算，將企業(yè)電網(wǎng)的110 kV系統(tǒng)各變電站的連接方案進行簡化，簡化原則為：將110 kV主網(wǎng)架之外的110 kV變電站的用電負荷相對應納入其接入110 kV變電站的用電負荷統(tǒng)計之中。根據(jù)企業(yè)電網(wǎng)的實際情況，具體簡化情況如下：

將110 kV萬立制氧變電站的用電負荷并入110 kV一總降變電站；

將110 kV鐵前變電站的用電負荷并入110 kV四總降變電站；

將110 kV二總降變電站、110 kV北區(qū)變電站的用電負荷并入110 kV熱電廠變電站。

簡化后各110 kV變電站的用電負荷為：一總降變電站90 MW、四總降變電站140 MW、熱電廠變電站100 MW、三總降變電站30 MW。簡化后的企業(yè)電網(wǎng)結構圖如圖1所示。

1.3 企業(yè)電網(wǎng)安全自動裝置配置及安穩(wěn)策略

為保證國網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，該省電力調度通信中心分別在國家電網(wǎng)330 kV變電站、企業(yè)電網(wǎng)110 kV三總降變兩側各裝了一套安全穩(wěn)控裝置。其主要功能有跳機切負荷功能和長期受電切負荷功能，具體設置如下：

（1）跳機切負荷功能（等效為沖擊負荷）

根據(jù)公司電網(wǎng)及用電負荷的特點，安全穩(wěn)定控制裝置的啟動值為50 MW，在受側系統(tǒng)有功負荷達到50 MW以上時，視受側系統(tǒng)有功負荷情況分四個輪次切除用電負荷。策略如表1。

表1 跳機切負荷策略

（2）長期受電切負荷功能

對由于用電負荷增長或發(fā)電機組緩慢降出力導致的于系統(tǒng)超允許受電進行相應的限制用電負荷的功能。其整定值為60 MW、10 s，分四個輪次依次切鐵前變、一總降變（兩輪）、三總降變負荷，每個輪次間隔10 s，直至受電負荷低于60 MW。

2 接入方案分析及對策

CSP項目用電負荷從企業(yè)電網(wǎng)110 kV四角環(huán)網(wǎng)的110 kV四總降變電站配出，通過分析CSP項目負荷特點、電力平衡情況、潮流分步情況、安穩(wěn)策略適用性及調整方案，對接入方案進行分析。

2.1 CSP項目生產(chǎn)用電負荷特點

薄板坯連鑄連軋項目是某企業(yè)產(chǎn)品升級項目，設計年產(chǎn)200萬t碳鋼熱軋薄板。項目主要建設有2臺薄板坯連鑄機組、6臺機架連軋機組及其配套公輔設施，項目年平均用電負荷40 MW，最大用電負荷64.9 MW，沖擊負荷37 MW。根據(jù)CSP軋制有功負荷曲線，其對應的時間及有功負荷見表2。

表2 CSP軋制有功負荷和時間對應表

從表2可以看出，有功從28.3 MW變化到64.9 MW或從64.9 MW變化到28.3 MW均用時23 s，呈階梯狀遞增（遞減）。單塊鋼坯軋制全過程時間為218 s。

2.2 發(fā)、用電負荷平衡分析

CSP項目未熱負荷試車前，企業(yè)電網(wǎng)內電廠的最大發(fā)電出力為380 MW，平均用電負荷360 MW，最大沖擊負荷460 MW；CSP項目熱負荷生產(chǎn)之后，公司總平均用電負荷將達到430 MW（隨著CSP生產(chǎn)后薄板坯用量增加，與之配套的煉鋼精煉爐產(chǎn)量增加，用電負荷相應地增加30M W），最大沖擊用電負荷預計將達到524.9 MW。而公司同期的最大發(fā)電能力為380 MW，平均用電負荷缺口50 MW，最大受系統(tǒng)用電負荷144.9 MW（未考慮同時系數(shù)）。受生產(chǎn)工藝條件限制，各用電負荷產(chǎn)生的沖擊性負荷不可能同時達到最大值，因此最大受系統(tǒng)用電負荷可不按極值考慮，綜合考慮各種生產(chǎn)條件，其最大值不會大于125 MW。

2.3 公司電網(wǎng)110 kV系統(tǒng)運行方式及潮流分布分析

CSP雙流熱負荷調試期間公司110 kV線路傳輸潮流情況見表3、表4。

表3 企業(yè)電網(wǎng)發(fā)用電負荷參數(shù)表 MW/Mvar

表4 企業(yè)電網(wǎng)110 kV系統(tǒng)輸電線路參數(shù)

以潮流計算軟件為計算工具，將公司電網(wǎng)各類典型運行方式及電網(wǎng)參數(shù)錄入潮流計算軟件進行計算，整理得表5。

表5 公司電網(wǎng)潮流計算表 MW/Mvar

從表5可以看出，CSP熱負荷及正常生產(chǎn)期間，企業(yè)電網(wǎng)110 kV系統(tǒng)均在雙線運行方式下，110 kV總聯(lián)一、二回線線路潮流較重，其余線路潮流較合理，能夠滿足使用要求；在110 kV總聯(lián)一、二回線，110 kV總聯(lián)三、四回線分別出現(xiàn)“N-1”運行方式后，110 kV總聯(lián)一、二回線將出現(xiàn)線路出現(xiàn)接近滿載現(xiàn)象。在事故情況下，110 kV線路沒有出現(xiàn)線路過載問題，能夠滿足電網(wǎng)最低安全運行要求。

2.4 110 kV嘉總雙回線潮流變化分析

由于110 kV嘉總雙回線是企業(yè)電網(wǎng)與國家電網(wǎng)的唯一聯(lián)絡線，在事故情況下尤其需要考慮其安全穩(wěn)定運行的要求。線路在事故情況下原則上不應出現(xiàn)間歇性過載（瞬時性過載暫不考慮），需要分別考慮發(fā)電機組正常及跳機情況下，聯(lián)絡線的潮流變化情況。

（1）發(fā)電機組均正常運行

根據(jù)電力平衡分析，發(fā)電機組均正常運行方式下，110 kV嘉總線傳輸功率將達到50 MW（事故情況下110 kV嘉總雙回線最大傳輸功率220 MW）。

（2）一臺125 MW發(fā)電機組跳閘

①不考慮沖擊負荷

一臺125 MW發(fā)電機組發(fā)生跳機事故后，公司電網(wǎng)的總發(fā)電能力將由380 MW降至255 MW，平均用電負荷沒有發(fā)生變化，110 kV嘉總雙回線傳輸功率將達到175 MW。

②考慮沖擊負荷

在CSP生產(chǎn)期間最大用電負荷524.9 MW，在CSP軋制過程中110 kV嘉總線短時間歇性傳輸功率將達到269.9 MW，超過了110 kV嘉總線允許的傳輸能力。在對企業(yè)電網(wǎng)內的鐵合金用電負荷（65 MW）全部進行限制后，110 kV嘉總雙回線短時間歇性傳輸功率仍將達到204.9 MW，接近110 kV嘉總雙回線長期允許運行容量要求。

2.5 110 kV嘉總雙回線穩(wěn)定運行的控制措施

CSP生產(chǎn)后公司總平均用電負荷將達到430 MW，最大用電負荷將達到524.9 MW，除380 MW能夠自已供應外，其余需從系統(tǒng)購進。但目前安裝于國家電網(wǎng)330 kV變電站110 kV系統(tǒng)、企業(yè)電網(wǎng)110 kV三總降變電站的安全自動裝置定值過小無法滿足企業(yè)從系統(tǒng)購電的需求，故須對企業(yè)電網(wǎng)內的用電負荷進行限制或者對安全自動裝置定值進行調整，以滿足不間斷用電需求，具體分析如下：

措施一：限制北郊工業(yè)園區(qū)、大友鐵合金的大部分用電負荷（60 MW）。

通過限制大部分鐵合金用戶的用電負荷，將公司總平均用電負荷降低至370 MW，最大用電負荷將達到464.9 MW，需從嘉總線受電84.9 MW，雖未超過線路的額定傳輸能力，但超過了安全自動裝置的動作整定值，無法滿足用電負荷的用電需求。

措施二：對安全自動裝置的有關定值進行調整。

具體調整內容為：跳機切負荷功能第一輪定值由50 MW調整為125 MW；長期負向受電功能定值由60 MW調整為125 MW。根據(jù)企業(yè)用電負荷的重要程度，按照鐵合金用電負荷、選礦用電負荷、燒結用電負荷、中板用電負荷、一高線用電負荷及制氧用電負荷的順序，同時根據(jù)限負荷的數(shù)值要求進行匹配。

比較措施一與措施二，措施一即使采取了限電措施也無法滿足用電負荷的用電需求，還需要對安全自動裝置的定值進行適當調整，公司在對部分用電負荷采取停止供電的措施后也無法滿足其他產(chǎn)業(yè)的正常用電需求；措施二要調整安全自動裝置的部分功能，將涉及到備用容量及備用容量費大幅上調的問題，公司每年需向電力公司多支付1980萬元的備用容量費。

綜合考慮，措施二對于企業(yè)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行好于措施一，建議采用措施二。

2.6 增加安全自動裝置功能，提升企業(yè)電網(wǎng)內部安全穩(wěn)定運行水平

考慮到企業(yè)電網(wǎng)110 kV系統(tǒng)是環(huán)網(wǎng)運行方式，需要考慮企業(yè)電網(wǎng)與系統(tǒng)解列后再次并網(wǎng)時可能引起的非同期并列事故；也需要考慮由于四角環(huán)網(wǎng)內的發(fā)電機組跳閘故障后，運行線路有可能出現(xiàn)的過載現(xiàn)象。為防止出現(xiàn)上述事故，需要對安裝于企業(yè)電網(wǎng)內各110 kV變電站安全穩(wěn)控裝置增設下述判斷及控制邏輯。

（1）在三總降側110 kV嘉總線解列備自投功能中增加110 kV系統(tǒng)的跳閘開路，即在發(fā)出跳開110 kV熱總一、二回線、熱總五、六回線的同時，跳開三總降側110 kV總聯(lián)三、四回線（以確保電源不會送至熱電廠）。

（2）當檢測到三總降變110 kV總聯(lián)一、二回線的電流值（應分別檢測的兩線為“或”邏輯）超過線路允許載流量的105%時認為線路過載，延時1.8 s后分輪次向一熱電、鐵前變發(fā)出切負荷指令,即以110 kV總聯(lián)一、二回線過負荷的時間為基準1.8 s后向一熱電110 kV熱北線發(fā)出切負荷指令；延時0.5 s檢測110 kV總聯(lián)一、二回線仍過載，則向熱電廠110 kV熱總三、四回線發(fā)出切負荷指令；再延時0.5 s檢測110 kV總聯(lián)一、二回線仍過載，則向鐵前變發(fā)出切負荷命令。為了能夠區(qū)分故障與過負荷，三總降變側應檢測電流與有功功率，電流與有功功率之間為“與”邏輯，線路過負荷定值及延時應可以隨時調整。

（3）三總降變發(fā)出跳機切負荷、長期負向過載切負荷命令應能同時發(fā)至鐵前變與熱電廠變，切荷量保持現(xiàn)狀不變。

（4）熱電廠變側實現(xiàn)功能：當接到三總降變安全穩(wěn)控裝置發(fā)來的切負荷指令后分別切除110 kV熱北線、熱總三、四回線。

（5）鐵前變實現(xiàn)功能：當接到三總降變安全穩(wěn)控裝置發(fā)來的切負荷指令后切除鐵前變八條開路30 MW負荷（與跳機切負荷相同）。

2.7 沖擊負荷對發(fā)電機組及系統(tǒng)造成的影響

CSP項目生產(chǎn)后公司將出現(xiàn)4臺LF爐（二煉鋼3臺+不銹鋼煉鋼1臺）同時生產(chǎn)的局面。生產(chǎn)期間產(chǎn)生的所有沖擊負荷主要由河西電網(wǎng)、企業(yè)網(wǎng)內的發(fā)電機組承擔，根據(jù)國家電網(wǎng)電能質量中心《關于某企業(yè)新增薄板連軋沖擊負荷對河西330 kV電網(wǎng)暫態(tài)影響的分析計算》的結論，在企業(yè)電網(wǎng)內的2臺機組運行期間，CSP熱負荷調試及生產(chǎn)產(chǎn)生的沖擊負荷不會引起公司110 kV電網(wǎng)及河西330 kV電網(wǎng)出現(xiàn)暫態(tài)失穩(wěn)。

綜上所述，CSP項目接入企業(yè)電網(wǎng)后，對于企業(yè)電網(wǎng)內部110 kV系統(tǒng)來說，能夠滿足電網(wǎng)“N-1”的安全運行要求，為保證企業(yè)電網(wǎng)內各110 kV變電站不出現(xiàn)非同期并列及線路過載等故障，對企業(yè)電網(wǎng)的安全自動裝置的功能進行補充與完善，確保企業(yè)電網(wǎng)內部110 kV系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行水平。另外，由于企業(yè)電網(wǎng)與國家電網(wǎng)之間的聯(lián)絡線受國家電網(wǎng)安裝的安全自動裝置允許功率限制不屬于“強聯(lián)絡”，在出現(xiàn)125 MW發(fā)電機組跳機事故后，聯(lián)絡線受安全自動裝置限制，無法滿足 “N-1”的安全運行要求。因此，根據(jù)企業(yè)電網(wǎng)內電力電量平衡的結果，需要對安裝于國家電網(wǎng)及企業(yè)電網(wǎng)的安全自動裝置整定值進行適當調整，具體內容如下：

（1）將跳機切負荷定值由50MW調整至125MW。

（2）將長期受電負荷定值由60MW調整至125MW。

按照調整后的整定值，企業(yè)電網(wǎng)與國家電網(wǎng)之間的聯(lián)絡線供電能力將得到大幅提高，國家電網(wǎng)對于企業(yè)電網(wǎng)的支撐作用將得到顯著改善，新建CSP項目接入企業(yè)電網(wǎng)能夠滿足其安全供電的需求。

3 結論

經(jīng)過與當?shù)毓╇姽境浞謪f(xié)商，當?shù)毓╇姽就饬似髽I(yè)提出的供電方案。CSP項目接入企業(yè)電網(wǎng)后，經(jīng)過調試熱負荷試生產(chǎn)，企業(yè)電網(wǎng)110 kV系統(tǒng)的潮流分布與與計算分析數(shù)據(jù)一致；在出現(xiàn)發(fā)電機組跳機事故后，企業(yè)電網(wǎng)的安全自動裝置能夠準確切除用電負荷，能夠保證企業(yè)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。供電方案滿足了CSP項目正常生產(chǎn)用電需求，保證了項目按期投產(chǎn)的要求。