水泥生產(chǎn)線中的自備燃煤電廠

王獻煒，尹文杰

1 概述

2 孤島燃煤電廠的要求和特點

水泥廠自用“孤島”燃煤電廠應(yīng)滿足以下幾個要求：

（1）滿足水泥生產(chǎn)線的負荷運行要求；

（2）滿足水泥生產(chǎn)線大型電動機起動沖擊負荷要求；

（3）滿足穩(wěn)定、連續(xù)、可靠的要求；

（4）滿足水泥廠生產(chǎn)調(diào)度所需負荷變化的要求；

（5）滿足經(jīng)濟性要求。

由于“孤島”運行電廠不同外部電網(wǎng)并網(wǎng)運行，其特點如下：

貴陽市開磷集團依托開陽和息烽豐富的磷礦資源優(yōu)勢，在開陽和息烽的大中型磷礦重點推廣磷石膏制成混凝土回填采礦坑道技術(shù)，在磷化工企業(yè)重點推廣新型石膏磚生產(chǎn)工藝，已形成400萬噸/年改性磷石膏混凝土回填采礦坑道能力，年利用磷石膏280萬噸以上。

（1）孤立承擔(dān)供電風(fēng)險；

（2）發(fā)電機組數(shù)量較少，儲存的旋轉(zhuǎn)慣量單薄，動態(tài)穩(wěn)頻效果差，最大升降負荷的容量僅為5%；

（3）燃煤電廠的煤汽電轉(zhuǎn)換設(shè)備多、途徑長、效率低、滯后，燃油燃氣電廠油電或氣電轉(zhuǎn)換快捷，因此孤島燃煤電廠的運行調(diào)度難度更大；

（4）水泥生產(chǎn)線單機大容量設(shè)備多，啟停對孤島電網(wǎng)沖擊大，易形成電網(wǎng)動蕩。

水泥生產(chǎn)設(shè)備中存在大量的大負荷設(shè)備，比如原料磨機、水泥磨機、破碎機、系統(tǒng)風(fēng)機等。產(chǎn)量5000/d的水泥項目，此類電機從400kW到5500kW不等，全壓起動時會產(chǎn)生較大的沖擊電流，常用的解決辦法是采用軟起、變頻或液體電阻啟動起動等方式來實現(xiàn)。從經(jīng)濟角度考慮，水泥廠項目設(shè)計采用最多的是液體變阻啟動器。比如某5000t/d水泥廠（1臺630kW石灰石破碎機、1臺3600kW原料磨、1臺4300kW系統(tǒng)風(fēng)機、1臺1400kW廢氣風(fēng)機、1臺5000kW水泥磨、1臺3000kW水泥磨風(fēng)機）設(shè)備裝機容量大約為47MW，計算負荷32MW，電廠裝機容量為2×25MW汽輪發(fā)電機組，單臺大電機占電網(wǎng)容量10%。大設(shè)備如水泥磨系統(tǒng)電機5000kW，按照電機的額定啟動容量約為1.8倍，啟動容量占電網(wǎng)容量的18%；最大啟動容量約為額定容量的2.59倍，最大啟動容量占電網(wǎng)容量的25.9%。尤其是水泥廠下游車間如水泥磨車間，磨機在啟動時，上游設(shè)備大多數(shù)情況下在滿負荷運行，此時孤島電廠總輸出達到65%以上，孤網(wǎng)達到最大的脆弱度，如果電網(wǎng)不能承載啟動沖擊容量18%～25.9%，這就是壓死駱駝的最后一根稻草。能否滿足此時運狀態(tài)下大容量電動機起動要求是孤島小網(wǎng)電廠設(shè)計成敗的重要因素。

因此，設(shè)計自用“孤島運行”燃煤電廠就要考慮到水泥廠負荷的諸多特點，有針對性地加以注意。按照上述水泥廠自備電廠的要求，以下幾個方面要著重考慮：

（1）水泥生產(chǎn)線大設(shè)備啟動；

（2）水泥生產(chǎn)線大設(shè)備或連續(xù)工藝線事故跳閘；

（3）水泥生產(chǎn)線生產(chǎn)量瞬時波動變化；

（4）水泥連續(xù)工藝線事故處理后帶負載啟動；

（5）水泥工藝線操作人員無預(yù)兆的啟/停。

這些因素往往造成孤島電網(wǎng)電壓、頻率波動，如果超過保護設(shè)備的設(shè)定值就會造成更多設(shè)備跳閘，加劇電網(wǎng)波動，導(dǎo)致整個電網(wǎng)崩潰失電，對水泥廠生產(chǎn)造成損失甚至威脅到設(shè)備和人身的安全。

3 水泥廠配套孤島燃煤電廠的設(shè)計解決要點

在設(shè)計配套孤島燃煤電廠時，要將上述風(fēng)險削減到設(shè)備能夠承受的標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)，主要解決要點如下：

（1）多機組發(fā)電機的控制方式。大電網(wǎng)中發(fā)電機組設(shè)計考慮的方式以負荷控制為主（base load model），按照上級電網(wǎng)調(diào)度給定的有功電量、功率因數(shù)向電網(wǎng)供電，不主動參與電網(wǎng)的調(diào)峰和大參數(shù)調(diào)整。孤島電廠最突出的特點就是采用同步模式（ISO model）或者頻率模式（PF model），通過調(diào)整供電母線的頻率或無功來適應(yīng)用戶負荷的變化，因此要求控制系統(tǒng)具備符合要求的靜態(tài)特性、良好的穩(wěn)定性和可靠的動態(tài)響應(yīng)性，同時要求發(fā)電機組調(diào)速系統(tǒng)具備更高的靈敏度、更小的遲緩率和更快的動態(tài)響應(yīng)。

（2）多機組發(fā)電機的運行方式。大電網(wǎng)中每一臺發(fā)電機組都是一個孤立的單元，調(diào)速和控制系統(tǒng)具有相對的獨立性，維持好孤立機組的穩(wěn)定就是整個電網(wǎng)的局部穩(wěn)定。孤島電廠（除了單機帶負荷）多機并網(wǎng)供電，則需要考慮機組之間的負荷分配問題，硬件方面要求各機組調(diào)速系統(tǒng)具有相同的調(diào)速不等率外，各個機組間的控制系統(tǒng)要設(shè)置一個中樞控制系統(tǒng)來協(xié)調(diào)多機組的負荷均衡問題（load sharing），此時各機組的運行模式相同，均為同步模式（ISO model）或者頻率模式（PF model），共同承擔(dān)用戶的負荷波動。

（3）用電饋線的等級脫網(wǎng)功能。在孤島電廠運行中出現(xiàn)較強動蕩時，控制系統(tǒng)按照設(shè)定好的負荷種類順序，將附屬用電系統(tǒng)、非連續(xù)運轉(zhuǎn)系統(tǒng)逐步強制甩除，以拯救供電系統(tǒng)，即饋線的等級脫網(wǎng)功能（load shedding），因此設(shè)計時必須考慮用電負荷的類別和跳脫次序。

（4）用電設(shè)備的選擇。孤島電廠供電質(zhì)量波動大，用電設(shè)備的耐受電壓和耐受頻率必須按照大范圍來選型，比如電壓為±10%、頻率為±4%，不僅僅是電廠設(shè)備，水泥廠設(shè)備也要如此。

（5）孤島電廠的黑啟動（Black Start）選擇。黑啟動是在全黑狀態(tài)（無電）下的啟動，可以理解為首次啟動。電廠運行所需的控制系統(tǒng)電源、水油泵電源、發(fā)電機組開機的條件具備，都需要黑啟動電源的存在。黑啟動電源是一個自給自足的微型發(fā)電機組構(gòu)成，通過蓄電池提供啟動能量進行開機，向母線（此時的母線為Dead BUS）提供電能，然后孤島發(fā)電機組的輔機在黑啟動電源下逐步運行，進而啟動孤島第一臺機組同母線并網(wǎng)。因而，黑啟動容量的選擇一定要滿足孤島電廠首臺機組輔機的容量和啟動沖擊。

（6）水泥生產(chǎn)線大負荷單機的啟動和停機。計劃啟動時最好的辦法有兩個：第一，啟動前的孤島電廠備用容量儲備最少要大于啟動電機容量的2倍，同時使母線電壓和頻率適當(dāng)提高接近于上限；第二就是采用多臺機組共同承擔(dān)大電機啟動的沖擊。在大電機啟動瞬間，孤島母線的電壓和頻率都會下降對發(fā)電機組的調(diào)速系統(tǒng)進行考驗，完善的系統(tǒng)會在很短的時間內(nèi)震蕩趨于穩(wěn)定。計劃停機時，正好相反，措施是降低電網(wǎng)頻率和電壓。在其他分段運行工藝線停運或備用時，孤島小網(wǎng)具備較大的富余容量儲備，啟停大設(shè)備的條件比起最大狀態(tài)時要安全得多。火電廠工藝具備熱能增速時間遠大于減速時間的特性，對于水泥生產(chǎn)線大設(shè)備的無計劃驟啟，任何運行工況下都有可能導(dǎo)致孤島電網(wǎng)崩潰；對于大設(shè)備驟停，設(shè)計時一定要考慮系統(tǒng)和操作機構(gòu)的選型，來滿足控制的反應(yīng)速度、遲滯性要求；設(shè)備驟停相比啟動對電網(wǎng)沖擊要小得多。為避免鍋爐蒸氣在減載時浪費，建議采用汽輪機組蒸氣旁路系統(tǒng)。

其他方面按照大電網(wǎng)設(shè)計孤島燃煤電廠是能夠滿足水泥生產(chǎn)線要求的。■