曹瑞峰

摘要：在缺少電網支撐的區域，石化工業園區的配套電站必須具備孤網運行的能力。由于石化工藝流程的停電損失特別巨大，孤網運行的策略應充分考慮石化工藝的負荷特性，設計完善的控制策略。本文以恒逸（文萊）項目為例，介紹了項目的配置方案，分析了孤網運行的問題，設計了以五道防線為基礎的控制策略。

關鍵詞：石化;孤網運行;五道防線

1.項目綜述

恒逸（文萊）石化工業園區二期工程規劃建設8臺670t/h 高溫超高壓循環流化床鍋爐，8臺100MW高溫超高壓雙抽凝式汽輪發電機組，發電機組并入內部220kV雙母線，為石化工藝供電。

文萊當地電網有3座發電廠，總容量約為400MW。當地電網運行不穩定，有較多的停電事故。因此，該石化工業園區的供電依賴于配套電站的孤網運行，當地電網只能作為啟動電源。

2.問題分析

電網運行的三個主要技術指標為電壓、頻率和功角。在大電網中，由于單臺機組占電網總容量的比重比較小，機組甩負荷時不會影響大電網的正常運行。單一負荷占總負荷的比例比較小，負荷非常穩定，不會對大電網造成大的影響。

而在本項目孤網運行中，由于缺少外部電網的支撐，發電機組數量較少，石化負荷對于供電供熱的可靠性要求很高，存在下列問題：

（1）孤網運行過程中，一旦電機出現問題，那么其他電機便會受到影響，進而影響電網運行的效果。

（2）一般發電機組數量需要與電網實際運行所需相匹配，一旦出現數量過少，其動能與熱能都會變小，進而也就對電網電壓造成影響。

（3）如果發電機個數較少，鍋爐和汽輪機的故障對孤網的供電供熱會產生重大影響。石化裝置對用電和用汽的要求都很高，一旦供電或者供汽中斷，都將造成重大損失。

（4）發電機組供電和供汽能力相互影響，存在耦合關系。

（5）當地電網是工業園的啟動電源。在啟動過程中，工業園并網運行。啟動完成之后，為了避免受到當地電網的影響，切換到孤網運行。

3.控制策略

根據并網機組的發電機組特性和石化負荷特性，如果出現一臺發電機組的故障，將會造成較大的供電和供熱缺額，將不得不切除部分石化負荷。能夠獨立切除的石化負荷較少，大部分的石化負荷之間存在密切的關聯性，重要的關聯性負荷一旦被切除，將會引起大量有工藝聯鎖關系的石化裝置相繼被切除，進而引起整個石化工業園停車，引發特別巨大的損失。

因此，我們認為石化工業園的一次系統顯然是不穩定的，必須在二次系統中通過合理的解決辦法來控制孤網系統，進而保證其內部各個參數的穩定性。

3.1常規電網的控制策略

根據電網運行相關規定可知，想要確保電力系統的穩定性，就要做好電網工作的預防措施。基于此，下文結合《電力系統安全穩定導則》規定并根據常規電網的控制建立了保障電力系統穩定運行的三道防線，以此來保障電力系統的穩定運行。

第一道：該防線主要是針對電網運行的正常狀態而設立的防線，其不僅能通過預防手段保障電網的安全，還能保障電網的穩定運行。而且即便電網出現故障，也可以及時準確的處理和解決故障問題。

第二道：該防線主要是針對電網運行的緊急狀態而設立的防線，其通過對電網的運行情況和故障情況予以判斷，然后再按照預定策略采取局部解列的控制處理故障問我呢提，進而確保電力系統的穩定性。

第三道：該防線主要是針對極端緊急狀態下設立防線，其在電力系統出現異常問題的時候可以及時采取切機和解列等措施處理故障，進而防止系統崩潰。

3.2孤網的機網協調控制策略

在孤網中，除了常規的三道防線，還需要增加第四和第五道防線。

第四道防線，電網全部故障時，發電機組甩負荷帶廠用電。這是一種小概率的極端工況，即使電網崩潰，發電機組仍然自保安全。

第五道防線，在發電機廠用電全失時，由保安系統安全停機，避免設備損壞。

孤網的五道防線是一個有機的整體，能夠應對各種故障，保障孤網運行的安全和穩定。機網協調是五道防線的重要組成部分，包括實時二次調頻、實時二次調壓、功角測量調平、特殊控制、低頻減載、負荷管理系統等功能。其可以根據電網系統內的相關關系對孤網電源和負荷發布指令并予以控制，進而保證孤網的正常運行。

3.3孤網的分散式保護策略

由于機網協調及其特殊控制是基于集中式智能設備，即使采取了高可靠性設計，也仍然會存在系統故障的可能性。其故障將造成孤網第一道防線和第二道防線的失效，此時就只能依靠第三道防線來保障孤網的穩定了。

第三道防線是由機網協調之外的分散式低頻低壓減載功能、一次調頻功能、高頻切機功能構成的。其具體執行設備是綜保裝置、調速系統、勵磁系統和發變組保護裝置。

3.4典型工況的控制策略

3.4.1 正常狀態（第一道防線）

正常狀態下，石化裝置用電量和用汽量比較穩定，電源側與負荷側的設備正常運行，有功和無功需求波動小于孤網額定功率的2%。機網協調系統合理分配孤網的有功和無功負荷，需要注意的是，孤網頻率需<0.2Hz，電壓波動需<2%，進而保證負荷的平衡性。

鍋爐群供應的蒸汽是石化工業園的能量源，為了保持鍋爐蒸汽母管的壓力穩定，要求鍋爐群具備母管壓力協調控制功能，由多臺鍋爐共同維持蒸汽母管壓力的穩定。

3.4.2 小負荷沖擊（第一道防線）

對于小于孤網8%的額定功率的負荷沖擊，我們稱之為小負荷沖擊。機網協調系統能夠協調控制多種有功和無功調節手段，迅速恢復頻率和電壓的穩定。

由于鍋爐變負荷速率較慢，在增加負荷時，有可能造成母管壓力的降低，此時必須切除部分電負荷。

需要注意的是，孤網頻率波動及電壓波動在小負荷沖擊下需要分別<0.5Hz和5%。

3.4.3 大負荷沖擊（三道防線）

大于8%的孤網額定功率的負荷沖擊，被定義為大負荷沖擊。

在負荷沖擊<25%的時候，機網協調可以通過聯切用電負荷和快關調門將孤網頻率和電壓波動控制在<1Hz和<10%的范圍。

在大負荷沖擊的條件下，除了通過第一道防線機網有功和無功的調動以外，還要通過第二道防線操控特殊控制功能的快關門和切負荷的操作。另外，如果特殊控制功能出現故障，那么就要利用第三道防線對分散式保護裝置予以保護。但由于分散式保護裝置多是根據頻率和電壓進行相關動作的，所以其與特殊控制相比是存在較大動態偏差。

大負荷沖擊，有鍋爐跳閘、汽輪發電機組跳閘、大規模負荷跳閘三種典型工況。

3.4.3.1鍋爐跳閘

本項目配置了循環流化床機組，鍋爐跳閘的情況是風機全停，鍋爐會在2～5分鐘內快速失去其蒸發量。按照最嚴重的情況來估算，單臺鍋爐故障時，在2分鐘左右損失幾乎全部的新蒸汽。即使其它七臺鍋爐還有備用，受限于鍋爐的增負荷速度，在2分鐘之后，七臺670t/h的鍋爐只能夠利用鍋爐蓄熱增加5%的蒸發量，即增加234t/h的蒸汽。仍然還有很大的新蒸汽缺口，必然會造成原動機功率不足，引發頻率下滑。同時，供汽量不足，蒸汽母管的壓力也會下滑。

3.4.3.2 汽輪發電機組跳閘

在單臺汽輪發電機組跳閘之后，孤網將失去一臺機組的發電量和抽汽量。孤網頻率和供熱母管的壓力會快速下滑，在此過程中，汽輪機調速系統將快速開大主汽調門，實時二次調頻系統控制多臺發電機組的共同增加有功出力，由于主蒸汽母管的供汽量充足，孤網頻率能夠在20秒左右迅速恢復到50Hz。供汽母管管理系統會調整多臺汽輪機的抽汽量，恢復供熱母管的壓力。

3.4.3.3大規模負荷跳閘

由于區域變故障或生產線的聯鎖停車，會造成孤網內的用電量和用汽量的大幅度減少，造成孤網頻率和供汽母管壓力的快速上升。

在此過程中，汽輪機調速系統快速關小主汽調門，實時二次調頻系統控制多臺發電機組共同減少有功負荷，孤網頻率能夠在20秒左右恢復到50Hz。供汽母管管理系統會減少多臺汽輪機的抽汽量，恢復供熱母管的壓力。母管協調控制系統會降低多臺鍋爐的燃燒率，恢復主蒸汽母管壓力。

3.4.4 母線崩潰（第四道防線）

母線一旦出現故障，不僅所有負荷失電，而且機組也會脫網。

為了保障安全，負荷側應配置保安電源。電源側應維持各臺發電機組甩負荷帶廠用電，即FCB功能，防止全廠停電，有利于孤網系統的快速恢復。

FCB功能要求在100%負荷狀態下，甩負荷帶廠用電，轉速維持在+200，-50rpm以內，發電機出口電壓和鍋爐主汽壓力穩定。

3.4.5 并網時外網故障

石化工業園啟動過程中，依賴于外網的啟動電源，與外網處于并網狀態。在此情況下，如果出現外網故障，解列保護裝置應及時分斷并網開關，由機網協調系統快速平衡孤網，避免孤網失穩。機網協調根據事故前外網的運行方式及聯絡線送電斷面的潮流大小，向機組側發送實時二次調頻和實時二次調壓指令，合理分配每臺機組的有功和無功出力，控制電網頻率、電壓和鍋爐主汽壓力等主要參數快速穩定，恢復孤網的穩定。

4.結語

中國的工業化，為中國的工業技術提供了廣闊的舞臺，以五道防線為基礎的孤網運行技術，正是在這個過程中發展壯大，目前處于世界先進水平。伴隨著一路一帶的建設，中國的水泥、冶煉、石化、鋼鐵等大工業將越來越多地向外溢出，我們應充分考慮大工業的負荷特性，設計完善的控制策略，為中國的大工業走向世界提供堅實的技術支持。

參考文獻

[1]鄧少平.冶金發電廠孤網控制系統設計研究[J]. 電力勘測設計. 2018（01）

[2]嚴也火.孤網運行技術在某項目中的應用研究[J]. 中國高新科技. 2019（04）