冶金發電廠孤網控制系統設計研究

鄧少平

(湖北省電力勘測設計院，湖北 武漢 430040)

1 概述

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。最大單機容量小于電網總容量的8%的電網，可以稱為大電網；機網容量比大于8%的電網，統稱為小網；孤立運行的小網，稱為孤網。

印尼某鎳鐵冶煉廠自備電廠新建2×66 MW燃煤機組，以35 kV和10 kV線路向冶煉廠礦熱爐供電。正常運行期間，電廠與當地電網分離，為孤網運行系統，廠內設置10 kV柴油發電機組作為黑啟動電源。冶煉廠主要設備為四條Φ4.85 m×90 m 回轉窯+四臺25.5 MVA 圓型平頂全封閉式礦熱電爐。此冶煉廠負荷平衡表見表1。

表1 印尼某鎳鐵冶煉廠自備電廠(2×66 MW)電負荷平衡表

2 負荷特性

一般冶金電廠的礦熱爐屬于電阻性電爐，由于礦熱爐正常運行時焙砂原料受熱后處于半熔融態、熔融態階段，礦渣、鐵合金熔融物都具有截然不同的電導率，因此礦熱爐正常運行時電負荷頻繁波動，三相電流不平衡為工作常態，其典型負荷特性曲線見圖1。冶金自備電廠系統主要存在下列特點：

(1)由于孤網容量較小，發電機組旋轉慣量儲存的動能和鍋爐本身所具備的熱力勢能均較小，礦熱爐電負荷波動大，對于孤網的頻率、電壓沖擊較大。

(2)發電機組發生停機故障時孤網系統會出現有功功率缺額，影響冶金正常生產。

(3)礦熱爐負荷波動頻繁、幅度大，負荷波動疊加的可能性也較大，對汽輪發電機組產生頻繁的大范圍負荷沖擊，影響孤網安全運行和主設備的壽命。

(4)孤網缺少大電網的支持，必須獨立進行調度，以維持頻率、電壓、功角的穩定。

圖1 冶金廠典型電負荷曲線(33 MVA)

根據上述礦熱爐的電負荷特性可見：礦熱爐三相電負荷頻繁波動，嚴重時有大功率甩負荷情況；三相電流不平衡，嚴重時發生電極軟斷甚至硬斷事故，多臺礦熱爐不平衡電流疊加。并且這些不利因素都是不可控的，發生情況具有隨機性。

3 孤網系統運行風險分析

由以上礦熱爐的負荷特性，不難發現，在正常運行時，冶金電廠孤網運行系統在系統電壓、頻率、機組壽命等方面都存有風險。

3.1 頻率與電壓的變化

三相負荷頻繁波動，導致孤網系統頻率、電壓也隨之頻繁變化。

(1)電壓波動：由于現在中小容量冶金電廠的發電機勵磁系統性能較高，其調節速度快，一般可以滿足快速調節發電機無功功率，保持孤網系統電壓穩定的要求。

(2)小幅度頻率波動：礦熱爐三相負荷頻繁波動引起孤網頻率隨之變化，導致汽輪機調速系統一次調頻跟隨孤網頻率頻繁動作，汽輪機調速汽門動作頻繁甚至發生震顫。

(3)礦熱爐大功率甩負荷：如果汽輪機調速系統性能不佳，反映遲緩，將導致機組超速保護動作，機組跳閘停機，嚴重時甚至導致孤網系統瓦解，發生電廠全停事故。

3.2 汽輪機負序電流與功角振蕩

(1)礦熱爐三相負載不平衡，導致汽輪發電機組三相電流不平衡，負序電流增大，發電機轉子端部形成環流，損耗增大，產生發熱、腐蝕等問題，影響發電機組運行壽命。當礦熱爐三相負載嚴重不平衡時將直接導致發電機負序保護動作，機組跳停，孤網運行系統瓦解，發生自備電廠全停事故。

(2)無功沖擊和暫態穩定水平下降造成功角振蕩：孤網的無功儲備不足，短路容量較小。如果發電機的勵磁系統出現故障，可能導致發電機依靠孤網提供無功，甚至進入進相運行狀態，對于電壓穩定造成風險。

3.3 發電機組壽命

為了應對冶金電廠負荷的頻繁大幅度波動，孤網中的發電機組的調節頻度和幅度都高于并網機組，發電機組的軸系的扭振也會加大。這此因素都會導致發電機組壽命損耗加速，進而影響孤網運行的安全性與經濟性。

3.4 廠用電全停

孤網中的發電機組失去廠用電源的風險高于并網機組，因此發電機組的UPS電源、保安電源、潤滑油系統和汽包緊急上水等確保發電機組安全停機的設備會經受更多的考驗。

如果孤網運行系統的繼電保護和安全穩定控制設計不完善，或者僅按照并網機組設計，則很容易導致上述風險的發生。例如，與此工程情況相同的已投產的印尼某冶煉廠自備電廠，其電網運行不穩定(孤網)，頻繁發生因三相電流不平衡，導致兩臺機組每天出現1～2次停機。造成三相電流不平衡的原因，主要來自于鎳鐵爐加料，塌料或來自于斷極。雖然該項目后來進行了部分技術改造有所改觀，但仍不理想。

4 孤網系統控制措施

結合冶煉廠的負荷特點以及已投產電廠運行過程中存在的問題，分別從電負荷平衡、勵磁系統、FCB控制、黑啟動柴油機與保安柴油機等方面，針對該冶煉廠采取了以下繼電保護和安全穩定控制方案。

4.1 電負荷平衡裝置

由于電能無法儲存，在孤網中的每個瞬間，發電量必須與用電量相平衡，否則就會造成頻率的波動，引起孤網的動態穩定問題。但考慮到汽輪發電機調速系統頻繁動作引起執行操作機構的疲勞、磨損以及影響調速汽門的密封性，鍋爐燃燒系統的調節速度嚴重滯后等諸多因素，常規冶金自備電廠孤網運行時，無法滿足礦熱爐電負荷的變化需要，維持孤網系統安全、穩定運行。因此在電廠配置電負荷平衡裝置，在礦熱爐負荷波動(或大功率甩負荷的情況下)時，通過電負荷平衡裝置耗能電阻(裝設于蓄水池)的投切，極大地緩沖了對汽輪發電機組的沖擊。

為了減少發電機組的壽命損耗，在負荷突降時，利用電負荷平衡裝置平緩負荷突變。另一方面，建立負荷側增減負荷允許信號，在負荷突變比例超限時，限制負荷側的進一步變化，同時利用負荷管理平緩有功負荷的突變。實現這個功能需要在電網二次系統設計完善的控制保護邏輯，與調速系統和勵磁系統建立快速的信號聯系。電負荷平衡裝置的原理圖見圖2。電液調節系統(含孤網運行模塊、二次調頻功能)。發電機勵磁系統，要求高起始響應，調節速度快，運行可靠，能實現自動調節勵磁系統、有電力系統穩定器(PSS)附加控制單元，應能夠在輸出額定有功和無功功率的情況下，長期穩定運行,并且能夠在高負載的特殊運行方式下保持安全穩定。發電機出口電壓跌到70%時，能維持電網運行1 s，重要輔機具備上述低電壓穿越能力。

自并勵靜止勵磁系統和無刷勵磁系統是目前常用的兩種勵磁系統，其優缺點見表2。

表2 兩種勵磁系統的特性比較

圖2 電負荷平衡裝置圖

4.2 發電機及其勵磁系統

發電機電液調節系統選用高性能的汽輪機

雖然三機無刷勵磁方式成本高于自并勵方式，軸系較長而且調節響應速度沒有自并勵方式快(但也是滿足要求的)，考慮到發電機組容量和孤網運行環境特點，三機無刷勵磁方式更適合在該容量機組中采用。

4.3 FCB 能力

汽輪發電機組應具備FCB能力：汽輪發電機組僅帶廠用電的“孤島運行”。FCB功能的核心是勵磁系統、汽輪機調速系統和鍋爐控制系統，應能夠在100%負荷狀態下，甩負荷帶廠用電。如果FCB失敗，孤網將全網失電，此種情況下，應盡快完成黑啟動電源的切換，啟動潤滑油泵等安保設備，使得孤網機組安全停機。停機之后再進行黑啟動恢復。

為適應孤島運行的工況，機組設置兩個同期點，發電機出口和主變高壓側斷路器。

4.4 黑啟動柴油發電機組與保安柴油發電機組

當冶煉廠礦熱爐處在生產極不穩定的時間段，充分利用柴油發電機組負荷調節的快速反應能力，穩定孤網系統。

設置事故應急柴油發電機組，確定機爐能夠安全停運。重點關注事故柴油發電機組的選型與自啟動問題，需滿足有關規程規范的要求。

4.5 三相不平衡電流問題的應對

礦熱爐一般自然功率因數達到0.9，其不平衡負載主要是有功負載，單相無功補償效果不大。如設置單相電符合平衡裝置，投資很大，控制回路復雜，還沒有實施案例,同時其動作時間需與發電機負序保護配合。

為此，可選用有較大的短路比(0.5 以上)的發電機，其轉子端部槽楔采用高電導高耐溫材料。需重點關注礦熱爐的三相負載不平衡度，礦熱爐三相不平衡負載的疊加概率，并詳細研究礦熱爐出現嚴重三相負載不平衡工況時切除負荷的配合問題。

5 機網協調系統

機網協調系統是電廠與用電負荷之間加強協作和溝通的平臺，是保證機網安全、穩定、經濟運行的重要手段，有利于提高電網電能質量。孤網運行的電廠及冶煉廠參照電網的調度系統功能，要求孤網的協調系統也具備自動發電控制(AGC)、自動電壓控制(AVC)、功角測量、特殊控制系統(SPS，也叫穩控系統SCS)、低頻低壓減載(UFLS)、遠動通訊(RTU)這些通用功能。同時還包括了機組壽命優化、功角/功率因數調節、礦熱爐負荷管理系統(DMS)等特殊功能。

機網協調系統功能：

(1)自動發電控制(AGC)與DCS和DEH配合，快速分配有功功率，維持孤網頻率在50 Hz。

(2)自動電壓控制(AVC)與勵磁系統配合，分配無功功率，維持孤網電壓。

(3)協調無功補償和機組有功、無功負荷，維持功角/功素因數平衡。

(4)根據有功、無功備用計算，向大負荷發出增減負荷允許條件和聯鎖降負荷指令。

(5)根據有功、無功備用計算和孤網參數監測，發出切負荷、切機指令。

(6)對發電和用電負荷進行統一管理，減少發電機組調節頻率，降低壽命損耗。

(7)與電負荷平衡控制系統協調工作，減少電負荷平衡裝置的無效耗電量；將其作為切機和切負荷的反向穩控手段，提高孤網穩定性；利用電負荷平衡裝置避免鍋爐向空排汽動作。

(8)為調度人員提供監控發電和用電的數據平臺，可以作為電廠的調度平臺。機網協調控制系統的功能涵蓋了大電網中各種調度、控制和保護裝置的核心功能，建立了孤網的三道防線。第一道防線：采用多臺機組的有功無功快速平衡分配，在5%在線額定容量的負荷沖擊下，保障孤網安全穩定運行。第二道防線：通過負荷調節系統和對大負荷的啟動允許控制，使得孤網在電負荷平衡裝置容量允許的沖擊下安全穩定運行。第三道防線：在更大規模的負荷沖擊下，通過安全穩定控制功能，切除部分負荷或機組，維持廠用電和重要負荷的運行，避免孤網崩潰。

6 結語

目前孤網主要見于各類自備電廠和國外欠發達地區的發電廠，以往設計時，電廠的繼電保護措施、安全穩定控制策略、設備選型等主要是基于大電網運行方式下進行的，對孤網運行方式下研究較少，實際中不少孤網系統也因此出現了不少問題。

本文利用實際工程案例，根據孤網運行的負荷特點和運行風險，采用電負荷平衡裝置、優良的勵磁系統、汽輪機FCB控制、黑啟動柴油機與保安柴油機以及完善的機網協調系統等技術措施，使孤網系統能安全穩定運行，滿足冶金工藝要求。

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