離子膜電槽負(fù)載與小型發(fā)電機(jī)組獨(dú)立電網(wǎng)系統(tǒng)

陽楚君，程明昊（宜賓天原集團(tuán)股份有限公司，四川 宜賓644004）

1 概述

1.1離子膜電槽負(fù)載概述

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

目前，新建離子膜電槽裝置以復(fù)極式離子膜電槽為主，復(fù)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(yùn)行電壓3.2～3.4 V，每只電槽的膜片數(shù)量N=128～156片不等，單臺復(fù)極離子膜槽電壓 Ud＝N×（3.2～3.3），直流電流Id=S×j=12～15 kA。復(fù)極式離子膜模特點(diǎn)是：多片離子膜片的串聯(lián)，單槽能力大可達(dá)1～2.5萬t/a，每只槽要單獨(dú)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(lián)為一個(gè)負(fù)載由N臺整流機(jī)組并聯(lián)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(fā)展。

1.2 小電網(wǎng)系統(tǒng)概述

電力生產(chǎn)問世以來，發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行便是向用戶提供可靠的、高質(zhì)量的電能的主要方式。隨著公司的發(fā)展，電能需求逐漸增加，使電網(wǎng)的規(guī)模也越來越大。

孤網(wǎng)是孤立電網(wǎng)的簡稱，一般泛指脫離大電網(wǎng)的小容量電網(wǎng)。

電力建設(shè)規(guī)程規(guī)定，電網(wǎng)中單機(jī)容量應(yīng)小于電網(wǎng)總?cè)萘康?%，以保證當(dāng)該機(jī)發(fā)生甩負(fù)荷時(shí)，不影響電網(wǎng)的正常運(yùn)行。

電網(wǎng)中的各機(jī)組，一般都有10%～15%的過載余量，如果電網(wǎng)中的機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)都正常投入，一旦某機(jī)組發(fā)生甩負(fù)荷，并且該機(jī)組容量小于電網(wǎng)總?cè)萘康?%，則電網(wǎng)所失去的功率可以暫時(shí)由網(wǎng)中其他機(jī)組的過載余量承擔(dān)，電網(wǎng)頻率下降不會超過0.2 HZ，相當(dāng)于機(jī)組轉(zhuǎn)速下降12 r/min，對供電質(zhì)量的影響仍在運(yùn)行規(guī)程規(guī)定的范圍內(nèi)。

最大單機(jī)容量小于電網(wǎng)總?cè)萘?%的電網(wǎng)，可以稱為大電網(wǎng)。

孤網(wǎng)運(yùn)行最突出的特點(diǎn)，是由負(fù)荷控制轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率控制，要求調(diào)速系統(tǒng)具有符合要求的靜態(tài)特性、良好的穩(wěn)定性和動態(tài)響應(yīng)特性，以保證在用戶負(fù)荷變化的情況下自動保持電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定。這就是通常所說的一次調(diào)頻功能。運(yùn)行人員關(guān)注的問題不再是負(fù)荷調(diào)整，而是調(diào)整孤網(wǎng)頻率，使之維持在額定頻率的附近。這種調(diào)整通過操作調(diào)速系統(tǒng)的給定機(jī)構(gòu)來完成，稱為二次調(diào)頻。由于孤網(wǎng)容量較小，其中旋轉(zhuǎn)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(jī)組的調(diào)速系統(tǒng)具有更高的靈敏度，更小的遲緩率和更快的動態(tài)響應(yīng)。

對于小網(wǎng)工況，網(wǎng)中各機(jī)組存在負(fù)荷分配問題，要求各機(jī)調(diào)速系統(tǒng)具有相同的調(diào)速不等率（調(diào)速系統(tǒng)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(jié)合處的間隙、錯(cuò)油門的重疊度等機(jī)械原因和信號傳遞延遲等因素造成的動作遲緩使上下調(diào)節(jié)不一致），要求網(wǎng)中有調(diào)度機(jī)構(gòu)進(jìn)行二次調(diào)頻，維持額定頻率。

1.3 整流負(fù)載配小型發(fā)電機(jī)獨(dú)立電網(wǎng)的條件

整流負(fù)載配小型發(fā)電機(jī)獨(dú)立電網(wǎng)的條件是：發(fā)電機(jī)開車特性曲線≈離子膜槽開車特性曲線。

（1）發(fā)電機(jī)開車特性

每臺發(fā)電機(jī)都有一個(gè)最小穩(wěn)定運(yùn)行功率指標(biāo)，發(fā)電機(jī)在最小穩(wěn)定運(yùn)行功率至額定功率之間長期運(yùn)行對汽輪機(jī)的設(shè)備壽命無影響，如果發(fā)電機(jī)長時(shí)間在最小穩(wěn)定運(yùn)行功率以下運(yùn)行，將使汽輪機(jī)設(shè)備處于不利狀態(tài)的工作環(huán)境。為了避免對汽輪機(jī)造成損害，在發(fā)電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電時(shí)，要求發(fā)電機(jī)在一定的時(shí)間內(nèi)將負(fù)荷從零升至最小穩(wěn)定負(fù)荷，以此來保證汽輪機(jī)的安全。該60 MW發(fā)電機(jī)組的最小穩(wěn)定負(fù)荷為20MW，從零升至最小穩(wěn)定負(fù)荷要求的時(shí)間約為4 h。

汽輪機(jī)組啟動負(fù)荷曲線圖分別見圖1、圖2、圖3和圖4。

圖1 汽機(jī)冷態(tài)啟動負(fù)荷曲線（汽缸及法蘭溫度＜=200℃）

圖2 汽機(jī)溫態(tài)負(fù)荷曲線（汽缸及法蘭溫度200～300℃）

圖3 汽機(jī)熱態(tài)啟動帶負(fù)荷時(shí)間表（汽缸及法蘭溫度300～400℃）

圖4 汽機(jī)熱態(tài)啟動帶負(fù)荷時(shí)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(huán)堿液升溫→鹽水、循環(huán)堿液進(jìn)槽→溢流→開啟極化電源→鹽水、循環(huán)堿液繼續(xù)升溫到規(guī)定值→具備搭電開車條件。

具備開車條件，聯(lián)系電氣操作人員，在3 min內(nèi)電流升至3 kA，退極化電源，繼續(xù)升電流到6 kA，此時(shí)工藝人員進(jìn)行槽試驗(yàn)、檢查。有無漏點(diǎn)、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(yīng)聯(lián)鎖信號，升電流開車，此后負(fù)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(fā)電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電特性曲線較為鋼性、變化不大，要匹配發(fā)電機(jī)、離子膜槽開車特性曲線，只能通過調(diào)整化工離子膜整流用電負(fù)荷組合來接近發(fā)電機(jī)開車特性曲線。發(fā)電機(jī)并網(wǎng)開車能否成功，關(guān)健是能否最大限度保證汽輪機(jī)安全運(yùn)行的發(fā)電曲線 （發(fā)電機(jī)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)達(dá)到發(fā)電機(jī)最小穩(wěn)定負(fù)荷）。

圖5 單臺槽開車特性曲線圖

2 系統(tǒng)配置

某化工企業(yè)獨(dú)立電網(wǎng)配置2臺60 MW發(fā)電機(jī)組，額定電壓10 kV，經(jīng)升壓變?yōu)?5 kV電壓至獨(dú)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(fù)荷供電（每8組離子膜整流負(fù)荷為一個(gè)化工系統(tǒng)）。發(fā)電機(jī)出口經(jīng)電抗器向機(jī)組部分自用負(fù)荷供電。

發(fā)電系統(tǒng)控制電源、重要設(shè)備電源均來自大電網(wǎng)系統(tǒng)，同時(shí)接入安保電源保證系統(tǒng)安全。

3 系統(tǒng)開停車操作

3.1 汽輪機(jī)組與整流負(fù)荷特性分析

離子膜整流負(fù)荷啟動變化曲線圖見圖6。

圖6 離子膜整流負(fù)荷啟動變化曲線圖

離子膜單臺負(fù)荷啟動與汽輪機(jī)組冷態(tài)負(fù)荷啟動曲線圖見圖7。

圖7 離子膜單臺負(fù)荷啟動與汽輪機(jī)組冷態(tài)負(fù)荷啟動曲線圖

以上兩個(gè)曲線可以看出，單臺電槽負(fù)荷曲線與汽輪機(jī)組冷態(tài)負(fù)荷曲線變化差異較大，在開車時(shí)，應(yīng)準(zhǔn)備至少2臺電槽按時(shí)間差異進(jìn)行開車操作，同時(shí)在1 h內(nèi)，另2臺電槽具備開車條件。

3.2 獨(dú)立電網(wǎng)運(yùn)行前的準(zhǔn)備工作

1＃發(fā)電機(jī)孤網(wǎng)啟動前運(yùn)行方式，機(jī)組啟動電源由外供10 kV側(cè)電源提供，機(jī)組沖轉(zhuǎn)至3 000 r/min后解開1＃機(jī)并網(wǎng)信號、機(jī)組解列信號至1＃汽機(jī)DEH（數(shù)字電液調(diào)節(jié)）系統(tǒng)的接線。由1＃機(jī)帶35 kV獨(dú)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(dú)立母線帶電正常后，依次投入整流負(fù)荷變壓器，對整流變壓器進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，沖擊整流變壓器變壓器時(shí)應(yīng)監(jiān)測機(jī)組電流、電壓、功率顯示無異常且運(yùn)行穩(wěn)定。

1＃汽機(jī)采用閥控控制方式，一次調(diào)頻由DEH系統(tǒng)完成，應(yīng)滿足以下條件。

（1）將差頻信號疊加在汽機(jī)調(diào)門的指令處，以保證一次調(diào)頻的響應(yīng)速度；

（2）各機(jī)組的的調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)有相同的不等率；

（3）調(diào)速系統(tǒng)的遲緩率應(yīng)小于0.1%；

（4）2＃號機(jī)組的啟動方式。

待2＃號機(jī)組空負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)束后，正常啟動沖轉(zhuǎn)至3 000 r/min經(jīng)并網(wǎng)開關(guān)與2＃機(jī)并列運(yùn)行，采用負(fù)荷控制方式。整流負(fù)荷變動時(shí)1＃機(jī)保證系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定，由2#機(jī)調(diào)整負(fù)荷輸出。

3.3 系統(tǒng)的開車操作

（1）汽機(jī)沖轉(zhuǎn)至3 000 r/min運(yùn)行正常，通知電氣人員對1#汽機(jī)勵(lì)磁升壓。

（2）合相應(yīng)開關(guān)，35 kV獨(dú)立母線段帶電。

（3）電槽崗位準(zhǔn)備好后，將1#槽電流按照 3 kA/2 min速度生到3 kA，同時(shí)汽機(jī)主控按照1 350 kW/2 min速度發(fā)電負(fù)荷升到1 350 kW。

（4）將2#槽電流按照3kA/2min速度生到3 kA，同時(shí)通知汽機(jī)主控按照1 350 kW/2 min速度發(fā)電負(fù)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(jī)主控按照450 kW/2 min速度發(fā)電負(fù)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(shí)通知汽機(jī)主控按照450 kW/2 min速度發(fā)電負(fù)荷升到5 400 kW。

（7）汽機(jī)在5 MW負(fù)荷下穩(wěn)定30 min后，將3#槽電流按照3 kA/2 min速度生到3 kA，同時(shí)汽機(jī)主控按照1350kW/2min速度發(fā)電負(fù)荷升到6750kW。

（8）將4#槽電流按照3kA/2min速度生到3 kA，汽機(jī)主控按照1 350 kW/2 min速度發(fā)電負(fù)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(jī)主控按照450 kW/2 min速度發(fā)電負(fù)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(jī)主控按照450 kW/2 min速度發(fā)電負(fù)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(jī)主控按照450 kW/2 min速度發(fā)電負(fù)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(jī)主控按照450 kW/2 min速度發(fā)電負(fù)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(jī)主控按照1 350 kW/2 min速度發(fā)電負(fù)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(jī)主控按照1 350 kW/2 min速度發(fā)電負(fù)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(jī)主控按照450 kW/2 min速度發(fā)電負(fù)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(jī)主控按照450 kW/2 min速度發(fā)電負(fù)荷升到18 000 kW。

（17）逐步升負(fù)荷，將5#—8#電槽升電流，直到機(jī)組達(dá)到滿負(fù)荷。

（18）相同辦法對另一機(jī)組進(jìn)行開車操作，開車時(shí)，汽機(jī)負(fù)荷及電槽電流示意圖見圖8。

圖8 開車時(shí)汽機(jī)負(fù)荷及電槽電流示意圖

3.4 系統(tǒng)的停車操作

按開車相反順序進(jìn)行停車操作，當(dāng)負(fù)荷低于某一值時(shí)，解除電槽與發(fā)電機(jī)組安全安所設(shè)置，防止誤動作。

4 1＃、2# 機(jī)組帶負(fù)荷試驗(yàn)

4.1 超速試驗(yàn)

在機(jī)組空負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)束后，根據(jù)汽機(jī)3 000 r/min暖機(jī)情況，如汽缸絕對膨脹達(dá)到試驗(yàn)要求，則可以進(jìn)行機(jī)械超速試驗(yàn)；按規(guī)程要求需帶負(fù)荷暖機(jī)后進(jìn)行超速試驗(yàn)，聯(lián)系協(xié)調(diào)電槽崗位，進(jìn)行超速試驗(yàn)。

4.2 機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)

在機(jī)組帶負(fù)荷后，根據(jù)機(jī)組負(fù)荷大小視情況進(jìn)行50%及100%甩負(fù)荷試驗(yàn)。試驗(yàn)前應(yīng)與電槽崗位進(jìn)行溝通，并做好事故預(yù)案。

5 整流負(fù)載與發(fā)電機(jī)組安全聯(lián)鎖裝置

在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定，當(dāng)出現(xiàn)負(fù)載突變時(shí)，按情況分類，進(jìn)行不同的安全設(shè)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(shí)，發(fā)電機(jī)檢測電網(wǎng)頻率，通過二次調(diào)頻，保證系統(tǒng)穩(wěn)定。

（2）其中一組離子膜跳閘，此種情況跳閘原因基本上是發(fā)生系統(tǒng)故障，需要緊急聯(lián)鎖停車。此時(shí)1#、2#發(fā)電機(jī)組通過快關(guān)閥緊急降負(fù)荷，一次調(diào)頻、二次調(diào)頻同時(shí)動作，保證系統(tǒng)穩(wěn)定。汽輪機(jī)組蒸汽管道相應(yīng)閥門打開，向空排氣。

（3）兩組離子膜同時(shí)跳閘，聯(lián)鎖汽輪機(jī)組緊急停車。

（4）一臺發(fā)電機(jī)組跳閘，聯(lián)鎖停一組離子膜電槽。此時(shí)獨(dú)立電網(wǎng)由一臺發(fā)電機(jī)組向一組離子膜供電，保證系統(tǒng)穩(wěn)定。

（5）兩臺發(fā)電機(jī)組同時(shí)跳閘，聯(lián)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(shè)置。35 kV電網(wǎng)系統(tǒng)屬于小電流接地系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)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(biāo)，采用消弧線圈自動跟蹤補(bǔ)償解決接地弧光短路故障。

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

（2）系統(tǒng)諧波問題。整流系統(tǒng)采用延邊三角形接線方式移相整流，單機(jī)組6脈波整流，組合48脈波整流，降低系統(tǒng)諧波分量。實(shí)際運(yùn)行中若諧波超標(biāo)，增設(shè)濾波裝置。運(yùn)行后檢測，48脈波整流產(chǎn)生諧波滿足國標(biāo)。

（3）控制電源。發(fā)電機(jī)組和電力設(shè)備控制電源通常采用直流控制，有效確保系統(tǒng)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(tǒng)穩(wěn)定性。

（4）緊急停車。除了設(shè)置自動聯(lián)鎖停車，在中央控制室分別設(shè)置緊急停止按鈕，分別控制1組離子膜、2組離子膜、1#發(fā)電機(jī)組、2#發(fā)電機(jī)組，當(dāng)遇到緊急情況或聯(lián)鎖裝置失效情況下，及時(shí)將系統(tǒng)停下，確保設(shè)備安全。

（5）事故應(yīng)急電源。獨(dú)立電網(wǎng)系統(tǒng)控制電源來自于大電網(wǎng)，同時(shí)再引入一路安保電源做備用電源，設(shè)置自動切換裝置，在系統(tǒng)失電情況下，保證設(shè)備安全。

7 結(jié)語

目前，在出現(xiàn)1組離子膜甩負(fù)荷或1臺發(fā)電機(jī)組故障停車時(shí)，系統(tǒng)安全聯(lián)鎖裝置能正確動作，發(fā)電機(jī)組能控制系統(tǒng)能及時(shí)準(zhǔn)確調(diào)整，系統(tǒng)可以繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)出現(xiàn)2組離子膜同時(shí)甩負(fù)荷時(shí)，汽輪機(jī)組能安全準(zhǔn)確停車，未出現(xiàn)飛車事故。當(dāng)出現(xiàn)電氣故障時(shí)，保護(hù)能準(zhǔn)確及時(shí)切斷故障。

獨(dú)立電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性不如大電網(wǎng)，在今后的運(yùn)行中，還需不斷總結(jié)，不斷完善，提高獨(dú)立電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性。