冶煉工程孤網運行發電廠電力系統設計探討

摘 要：在部分經濟、交通等都相當落后，電網系統十分薄弱的荒僻礦區，冶煉工程電力供應是首要問題，配置與工程配套的發電機組供電是目前解決用電問題的唯一方法。有效配置發電機組，選用安全、可靠、經濟的電氣供配電方案是工程項目實施的關鍵，而這類冶煉工程自備發電廠的電力系統一般屬于孤網運行。本文針對冶煉工程孤網系統的發電、供電及配電系統的設計做一般性分析研究，并針對某工程對冶煉工程的孤網運行的電廠電力系統設計方案的選擇進行分析。

關鍵詞：孤網電廠；電力系統設計；電氣主接線

1 引言

隨著東南亞經濟的發展，該區域的礦產資源的優勢地位越來越突出，也涌現出了一批冶煉項目，但這些項目多位于荒僻的礦區，經濟、交通相當落后，電網系統十分薄弱，然而冶金項目是耗能大戶，電力供應是首要問題，配置與工程配套的發電機組供電是目前解決用電問題的唯一方法，有效配置發電機組、選用安全、可靠、經濟的電氣供配電方案是工程項目實施的關鍵。

本論文針對某國的一制鎳礦熱爐項目自備電站的發、供、配電系統的設計做一般性探討，并針對此工程孤網運行的電力系統設計方案進行分析。

2 工程配置

此工程為建設一條最終年產12萬噸鎳鐵礦熱爐項目，工程初期配置2臺33MVA礦熱爐，爐變一次電壓33kV，全廠負荷總安裝容量約75100kW，工作容量70300kW，計算有功功率61960kW，年耗電量約4.0×108kwh，計劃配置兩臺2×50MW燃煤發電機組提供電能。

3 孤網電力系統設計

3.1 礦熱爐電力設計

在冶煉廠和電廠生產運行都正常的情況下，電爐的啟動、運行可根據生產調度有計劃的增減負荷。然而冶煉廠的生產運行中存在很多不確定因素會導致用電設備跳閘，將造成對電廠的甩負荷沖擊，故本工程設有應急柴油發電站，作為電廠的啟動/備用電源和向電爐的電極提升系統、水冷卻系統和回轉窯等重要一級負荷提供應急電源，避免發生重大安全事故。

鎳鐵冶煉廠對自備電廠的升壓變壓器沒有特別要求。升壓變壓器的電壓等級取決于項目所在地的電廠和冶煉廠的建廠條件和供電半徑等因素，需在現場考察及進行相關設計工作后確定。就目前來說，與50MW的發電機組相適應的礦熱電爐容量約36MVA，如果電廠與鎳鐵冶煉廠合建在統一廠區，由于供電半徑較小，36MVA左右的礦熱爐亦可由電廠10kV電壓直配；但從發展情況考慮，為適應礦熱電爐的大型化也可按升壓到35kV電壓等級。

礦熱電爐在非正常生產狀態下對電網造成的沖擊大致分為電極在爐內發生短路故障造成的電流突增和發生故障后保護裝置動作跳閘甩負荷兩種類型。通常在設計時采取恰當選擇電爐變壓器的阻抗來限制短路電流沖擊的幅值，工程上一般要求將短路電流值限制在額定電流的3.5倍以下；而跳閘后的甩負荷沖擊的幅值與電爐的運行功率有關，但超過發電機組在沖擊發生前穩態發電功率10%是完全可能的。由于電爐在生產運行時出現故障的時間具有隨機性，事先無法準確預測，故在自備電廠的設計中考慮應對該沖擊的措施。

3.2 電氣主接線

本工程建設2×200t/h燃煤鍋爐和2×50MW凝汽式汽輪發電機組，發電機孤網運行。

發電機出口電壓為10.5kV，發電機設出口電壓母線，高壓廠用電電源由發電機出口電壓母線引接，每臺發電機配置一臺60MVA 35/10.5kV升壓變壓器將發電機發出的電能經升壓后送至電廠35kV變電所。本工程為孤網運行，因此設柴油發電機組作為廠用起動及備用電源并設置高壓起動/備用段，柴油發電機選用4臺2000kW，出口電壓11kV。

鍋爐送、引風機、電動給水泵及循環水泵采用高壓電機，工頻運行。10.5kV I段高壓廠用母線帶1#發電機出線斷路器柜、1#機組高壓負荷、10.5kV高壓廠用I段與10.5kV備用段聯絡柜、1#主變低壓側斷路器柜。10.5kV II段廠用母線帶2#發電機出線斷路器柜、2#機組高壓負荷、10.5kV廠用II段與10.5kV備用段聯絡柜、2#主變低壓側斷路器柜，10.5kV廠用III段主要為電站公用系統供電母線。在高壓廠用電源進線回路及10.5kV分段處加裝串聯電抗器。

制鎳用礦熱爐冶煉工程孤網運行系統電氣主接線圖

3.3 廠用電系統

高壓及低壓廠用電源按機爐分為兩個工作段、一個公用段及一個備用段，對應的機爐負荷接在對應的母線上：1#爐所用的送、引風機、1#、2#鍋爐給水泵、1#循環水泵、1#廠用工作變壓器等接在10.5kV廠用I段上； 2#爐所用的高壓送、引風機、3#鍋爐給水泵、2#、3#循環水泵接線、2#廠用工作變壓器接在10.5kV廠用II段上；公用負荷由公用變壓器引接，電源引自10.5kV公用母線。

柴油發電機組電源進線接在10.5kV廠用備用段上。

35kV及10.5kV系統采用中性點不接地方式，低壓380V系統采用中性點直接接地方式。

4 孤網運行方案論證

4.1 正常運行時

正常生產時，兩臺機組同時運行，機組出力均為70%，可滿足全廠100%用電負荷。當1臺機組檢修或甩負荷時，另外一臺機組出力在100% ，可滿足全廠70%左右的用電負荷。正常運行時，機組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。

4.2 電廠啟動

由于孤網運行，投運前由1#機組發電利用黑啟動柴油發電機組，啟動輔機后投入運行，對外供電。1#機組運行后帶動全廠70%的負荷運轉，并啟動2#機組的輔機運行，進而啟動2#機組發電，直至兩臺機組同時運行，滿足按全廠100%的自供電率，逐步進行電廠和冶煉廠的生產，實現全廠電力負荷平衡。

4.3 發電機甩負荷或非計劃跳機時

當機組發電機甩負荷或非計劃跳機時，全廠用電出現短時供電不足，此時電 廠供電量僅滿足全廠約70%的負荷。為了不致將系統電壓拉低，造成系統崩潰，應在中央配電站設置低周減載保護，根據工藝要求，對部分負荷進行切除，減少用電量，同時減產運行，保障安全生產。若工藝需要，部分負荷無法切除，同時又無法滿足剩余發電機穩定運行，則根據需要在相應的系統側設置柴油發電機組，以確保分系統的安全穩定運行。

4.4 當用電負荷出現較大波動時

當系統負荷瞬時出現大負荷停機時，電力網絡電壓上升。若全廠40%以上負荷停機，則直接解列一臺發電機組，用剩下的另外一臺機組帶全廠負荷。

若全廠40%以內大負荷停機，則汽機保護裝置瞬時動作，可維持系統頻率在50±5Hz以內，系統仍滿足穩定運行條件。

若全廠小負荷波動，則可通過DEH的精確調整，以保證系統的穩定運行。

若全廠40%以上大負荷啟動，則需要經過調度提前進行通知，調整鍋爐及汽機的運行參數。

5 結束語

孤網的自平衡能力差，關鍵是保證機組在運行時控制頻率的穩定，故本文所提的設計方法雖經技術論證，并參考其他設計公司的相關資料，但仍屬于工程設計的探討階段，在真正實施時，需要工藝、公輔及業主等提供詳實的資料，并做出相應優化、修正方可進一步實施。

參考文獻：

[1]楊淑英.電力系統概論[M].北京：中國電力出版社，2007.

[2]《電力系統設計手冊》[S].能源部西北電力設計院.

作者簡介：朱軍峰（1984-），男 ，研究生，工程師，主要從事：電氣設計工作。