離子膜電槽負載與小型發電機組獨立電網系統

陽楚君，程明昊（宜賓天原集團股份有限公司，四川 宜賓644004）

1 概述

1.1離子膜電槽負載概述

整流裝置為電解槽、電解鋁等負荷提供直流電源的裝置，其功能是將普通三相交流電能轉換為直流電能。

目前，新建離子膜電槽裝置以復極式離子膜電槽為主，復極式離子膜電槽的膜片面積S多為2.7m2/片，膜電流密度j通常為4.5～5.5 kA/m2，單片膜運行電壓3.2～3.4 V，每只電槽的膜片數量N=128～156片不等，單臺復極離子膜槽電壓 Ud＝N×（3.2～3.3），直流電流Id=S×j=12～15 kA。復極式離子膜模特點是：多片離子膜片的串聯，單槽能力大可達1～2.5萬t/a，每只槽要單獨供電。單臺單極式離子膜的電壓Ud=1×（3.2～3.3），直流電流 Id=N×S×j=50～60 kA，單槽能力約500 t/a，需要多槽串聯為一個負載由N臺整流機組并聯供電。離子膜電解槽是向膜電流密度j高密度，槽直流電壓Ud高電壓，槽直流電流Id小電流，低電耗方向發展。

1.2 小電網系統概述

電力生產問世以來，發電機組并網運行便是向用戶提供可靠的、高質量的電能的主要方式。隨著公司的發展，電能需求逐漸增加，使電網的規模也越來越大。

孤網是孤立電網的簡稱，一般泛指脫離大電網的小容量電網。

電力建設規程規定，電網中單機容量應小于電網總容量的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，并且該機組容量小于電網總容量的8%，則電網所失去的功率可以暫時由網中其他機組的過載余量承擔，電網頻率下降不會超過0.2 HZ，相當于機組轉速下降12 r/min，對供電質量的影響仍在運行規程規定的范圍內。

最大單機容量小于電網總容量8%的電網，可以稱為大電網。

孤網運行最突出的特點，是由負荷控制轉變為頻率控制，要求調速系統具有符合要求的靜態特性、良好的穩定性和動態響應特性，以保證在用戶負荷變化的情況下自動保持電網頻率的穩定。這就是通常所說的一次調頻功能。運行人員關注的問題不再是負荷調整，而是調整孤網頻率，使之維持在額定頻率的附近。這種調整通過操作調速系統的給定機構來完成，稱為二次調頻。由于孤網容量較小，其中旋轉慣量儲存的動能和鍋爐群所具備的熱力勢能均較小，要求機組的調速系統具有更高的靈敏度，更小的遲緩率和更快的動態響應。

對于小網工況，網中各機組存在負荷分配問題，要求各機調速系統具有相同的調速不等率（調速系統不等率是由于各部件的摩擦、卡澀、不靈活以及連桿、絞鏈等結合處的間隙、錯油門的重疊度等機械原因和信號傳遞延遲等因素造成的動作遲緩使上下調節不一致），要求網中有調度機構進行二次調頻，維持額定頻率。

1.3 整流負載配小型發電機獨立電網的條件

整流負載配小型發電機獨立電網的條件是：發電機開車特性曲線≈離子膜槽開車特性曲線。

（1）發電機開車特性

每臺發電機都有一個最小穩定運行功率指標，發電機在最小穩定運行功率至額定功率之間長期運行對汽輪機的設備壽命無影響，如果發電機長時間在最小穩定運行功率以下運行，將使汽輪機設備處于不利狀態的工作環境。為了避免對汽輪機造成損害，在發電機并網發電時，要求發電機在一定的時間內將負荷從零升至最小穩定負荷，以此來保證汽輪機的安全。該60 MW發電機組的最小穩定負荷為20MW，從零升至最小穩定負荷要求的時間約為4 h。

汽輪機組啟動負荷曲線圖分別見圖1、圖2、圖3和圖4。

圖1 汽機冷態啟動負荷曲線（汽缸及法蘭溫度＜=200℃）

圖2 汽機溫態負荷曲線（汽缸及法蘭溫度200～300℃）

圖3 汽機熱態啟動帶負荷時間表（汽缸及法蘭溫度300～400℃）

圖4 汽機熱態啟動帶負荷時間表（汽缸及法蘭溫度＞=400℃）

（2）離子膜槽的開車特性

離子膜電槽開車步驟鹽水升溫、循環堿液升溫→鹽水、循環堿液進槽→溢流→開啟極化電源→鹽水、循環堿液繼續升溫到規定值→具備搭電開車條件。

具備開車條件，聯系電氣操作人員，在3 min內電流升至3 kA，退極化電源，繼續升電流到6 kA，此時工藝人員進行槽試驗、檢查。有無漏點、單片槽電壓、物料取樣分析、純度。此過程大概15～30 min，檢測完畢后，無異常，投入單槽相應聯鎖信號，升電流開車，此后負荷升降具有一定彈性空間，單臺槽開車特性曲線圖見圖5。

因發電機并網發電特性曲線較為鋼性、變化不大，要匹配發電機、離子膜槽開車特性曲線，只能通過調整化工離子膜整流用電負荷組合來接近發電機開車特性曲線。發電機并網開車能否成功，關健是能否最大限度保證汽輪機安全運行的發電曲線 （發電機在規定的時間內達到發電機最小穩定負荷）。

圖5 單臺槽開車特性曲線圖

2 系統配置

某化工企業獨立電網配置2臺60 MW發電機組，額定電壓10 kV，經升壓變為35 kV電壓至獨立35 kV母線段。35 kV母線段通過電纜線路向16組離子膜電槽整流負荷供電（每8組離子膜整流負荷為一個化工系統）。發電機出口經電抗器向機組部分自用負荷供電。

發電系統控制電源、重要設備電源均來自大電網系統，同時接入安保電源保證系統安全。

3 系統開停車操作

3.1 汽輪機組與整流負荷特性分析

離子膜整流負荷啟動變化曲線圖見圖6。

圖6 離子膜整流負荷啟動變化曲線圖

離子膜單臺負荷啟動與汽輪機組冷態負荷啟動曲線圖見圖7。

圖7 離子膜單臺負荷啟動與汽輪機組冷態負荷啟動曲線圖

以上兩個曲線可以看出，單臺電槽負荷曲線與汽輪機組冷態負荷曲線變化差異較大，在開車時，應準備至少2臺電槽按時間差異進行開車操作，同時在1 h內，另2臺電槽具備開車條件。

3.2 獨立電網運行前的準備工作

1＃發電機孤網啟動前運行方式，機組啟動電源由外供10 kV側電源提供，機組沖轉至3 000 r/min后解開1＃機并網信號、機組解列信號至1＃汽機DEH（數字電液調節）系統的接線。由1＃機帶35 kV獨立母線零起升壓至額定，檢查母線帶電正常、二次核相正確、同期電壓回路接線正確。35 kV獨立母線帶電正常后，依次投入整流負荷變壓器，對整流變壓器進行沖擊試驗，沖擊整流變壓器變壓器時應監測機組電流、電壓、功率顯示無異常且運行穩定。

1＃汽機采用閥控控制方式，一次調頻由DEH系統完成，應滿足以下條件。

（1）將差頻信號疊加在汽機調門的指令處，以保證一次調頻的響應速度；

（2）各機組的的調速系統應有相同的不等率；

（3）調速系統的遲緩率應小于0.1%；

（4）2＃號機組的啟動方式。

待2＃號機組空負荷試驗結束后，正常啟動沖轉至3 000 r/min經并網開關與2＃機并列運行，采用負荷控制方式。整流負荷變動時1＃機保證系統電壓的穩定，由2#機調整負荷輸出。

3.3 系統的開車操作

（1）汽機沖轉至3 000 r/min運行正常，通知電氣人員對1#汽機勵磁升壓。

（2）合相應開關，35 kV獨立母線段帶電。

（3）電槽崗位準備好后，將1#槽電流按照 3 kA/2 min速度生到3 kA，同時汽機主控按照1 350 kW/2 min速度發電負荷升到1 350 kW。

（4）將2#槽電流按照3kA/2min速度生到3 kA，同時通知汽機主控按照1 350 kW/2 min速度發電負荷升到2 700 kW。

（5）1#槽升電流，將1#槽電流按照0.5 kA/min速度升到6 kA，汽機主控按照450 kW/2 min速度發電負荷升到4 050 kW。

（6）2#槽升電流，將2#槽電流按照0.5 kA/min速度升到6 kA，同時通知汽機主控按照450 kW/2 min速度發電負荷升到5 400 kW。

（7）汽機在5 MW負荷下穩定30 min后，將3#槽電流按照3 kA/2 min速度生到3 kA，同時汽機主控按照1350kW/2min速度發電負荷升到6750kW。

（8）將4#槽電流按照3kA/2min速度生到3 kA，汽機主控按照1 350 kW/2 min速度發電負荷升到8 100 kW。

（9）1#槽升電流，將1#槽電流按照0.5 kA/min速度升到8 kA，汽機主控按照450 kW/2 min速度發電負荷升到9 000 kW。

（10）2#槽升電流，將2#槽電流按照0.5 kA/min速度升到8 kA，汽機主控按照450 kW/2 min速度發電負荷升到9 900 kW。

（11）3#槽升電流，將3#槽電流按照0.5 kA/min速度升到6 kA，汽機主控按照450 kW/2 min速度發電負荷升到11 250 kW。

（12）4#槽升電流，將4#槽電流按照 0.5 kA/min速度升到6 kA，汽機主控按照450 kW/2 min速度發電負荷升到12 600 kW。

（13）將1#槽電流按照0.5 kA/min速度升到10 kA，汽機主控按照1 350 kW/2 min速度發電負荷升到13 500 kW。

（14）將2#槽電流按照0.5 kA/min速度升到10 kA，汽機主控按照1 350 kW/2 min速度發電負荷升到1 4 400 kW。

（15）3#槽升電流，將1#槽電流按照0.5 kA/min速度升到10 kA，汽機主控按照450 kW/2 min速度發電負荷升到16 200 kW。

（16）4#槽升電流，將4#槽電流按照0.5 kA/min速度升到10 kA，汽機主控按照450 kW/2 min速度發電負荷升到18 000 kW。

（17）逐步升負荷，將5#—8#電槽升電流，直到機組達到滿負荷。

（18）相同辦法對另一機組進行開車操作，開車時，汽機負荷及電槽電流示意圖見圖8。

圖8 開車時汽機負荷及電槽電流示意圖

3.4 系統的停車操作

按開車相反順序進行停車操作，當負荷低于某一值時，解除電槽與發電機組安全安所設置，防止誤動作。

4 1＃、2# 機組帶負荷試驗

4.1 超速試驗

在機組空負荷試驗結束后，根據汽機3 000 r/min暖機情況，如汽缸絕對膨脹達到試驗要求，則可以進行機械超速試驗；按規程要求需帶負荷暖機后進行超速試驗，聯系協調電槽崗位，進行超速試驗。

4.2 機組甩負荷試驗

在機組帶負荷后，根據機組負荷大小視情況進行50%及100%甩負荷試驗。試驗前應與電槽崗位進行溝通，并做好事故預案。

5 整流負載與發電機組安全聯鎖裝置

在系統正常運行時，系統穩定，當出現負載突變時，按情況分類，進行不同的安全設置。

（1）單臺或兩臺離子膜電槽跳閘。此種情況跳閘原因可分為工藝原因、電氣原因、其他故障。此時，發電機檢測電網頻率，通過二次調頻，保證系統穩定。

（2）其中一組離子膜跳閘，此種情況跳閘原因基本上是發生系統故障，需要緊急聯鎖停車。此時1#、2#發電機組通過快關閥緊急降負荷，一次調頻、二次調頻同時動作，保證系統穩定。汽輪機組蒸汽管道相應閥門打開，向空排氣。

（3）兩組離子膜同時跳閘，聯鎖汽輪機組緊急停車。

（4）一臺發電機組跳閘，聯鎖停一組離子膜電槽。此時獨立電網由一臺發電機組向一組離子膜供電，保證系統穩定。

（5）兩臺發電機組同時跳閘，聯鎖兩組離子膜電槽緊急停車。

6 其他安全裝置

（1）消弧線圈的設置。35 kV電網系統屬于小電流接地系統，發電機組和輸電和整流裝置配電均采用電纜配電， 接地電流超國標，采用消弧線圈自動跟蹤補償解決接地弧光短路故障。

分別在1#、2#升壓變中性點各安裝一條消弧線圈，2臺采用聯動補償，即其中一臺自動跟蹤補償（主），另一臺固定補償（輔）。兩臺裝置運行方式可互換。

（2）系統諧波問題。整流系統采用延邊三角形接線方式移相整流，單機組6脈波整流，組合48脈波整流，降低系統諧波分量。實際運行中若諧波超標，增設濾波裝置。運行后檢測，48脈波整流產生諧波滿足國標。

（3）控制電源。發電機組和電力設備控制電源通常采用直流控制，有效確保系統工作可靠性，在整流控制柜采用直流220 V控制，提高控制系統穩定性。

（4）緊急停車。除了設置自動聯鎖停車，在中央控制室分別設置緊急停止按鈕，分別控制1組離子膜、2組離子膜、1#發電機組、2#發電機組，當遇到緊急情況或聯鎖裝置失效情況下，及時將系統停下，確保設備安全。

（5）事故應急電源。獨立電網系統控制電源來自于大電網，同時再引入一路安保電源做備用電源，設置自動切換裝置，在系統失電情況下，保證設備安全。

7 結語

目前，在出現1組離子膜甩負荷或1臺發電機組故障停車時，系統安全聯鎖裝置能正確動作，發電機組能控制系統能及時準確調整，系統可以繼續穩定運行。當出現2組離子膜同時甩負荷時，汽輪機組能安全準確停車，未出現飛車事故。當出現電氣故障時，保護能準確及時切斷故障。

獨立電網運行穩定性和可靠性不如大電網，在今后的運行中，還需不斷總結，不斷完善，提高獨立電網運行穩定性。