某自備電廠高脫變采用啟備變作為備用電源的可行性分析

祝元兵，張旭宇，王銀河，李紅飛，曾祥兵

1.內蒙古霍煤鴻駿鋁電有限責任公司，內蒙古 通遼029200

2.國家電投內蒙古能源有限公司，內蒙古 通遼028000

3.國家電投集團遠達環保工程有限公司重慶科技分公司，重慶 401122

4.國家電投集團遠達環保工程有限公司，重慶 401122

某電解鋁自備電廠一期建成2臺135W發電機組，二期擴建2臺135W發電機組時同步建設脫硫系統（2爐1塔配置），為滿足4臺機組2套脫硫系統供電，二期擴建時專設2臺高壓脫硫變分別自#3發電機出口端引接電源，2臺高脫變互為備用；另外，4臺機組共設置1臺20MVA容量的啟備變。電廠原有電氣主接線方案，如圖1所示。

圖1 電氣主接線

2018年應環保要求需對電廠脫硫系統進行升級改造，由于4臺機組原有2套脫硫系統的電源均由T接自#3機組發電機出口的高脫變供電，假設#3機組同時停運時，#1機組的脫硫系統勢必失電停運，將影響到#1機組的正常運行，這將給電廠帶來巨大損失。為解決此問題，文章將結合電廠實際情況和此次脫硫增容改造，分析高脫變利用電廠啟備變作為備用電源的可行性并提出相應的實施措施。

1 脫硫改造后廠用負荷情況

脫硫升級改造中，部分脫硫負荷（如漿液循環泵等）需增容更換，經對新增脫硫負荷作分配核算后得出各臺機組廠用電負荷容量分配如下：

（1）#1或#2機組廠用電負荷計算容量約為19MVA（對應高廠變容量20MVA）。

（2）#3或#4機組廠用電負荷計算容量約為14.5MVA（對應高廠變容量16MVA）。

（3）單臺高壓脫硫變（容量15MVA）在最大運行方式下計算負荷容量約為10MVA（分列運行方式）。

2 電廠啟備變運行工況分析

假設前提：最嚴重的工況假設考慮1臺機組單一故障（即1臺機組事故緊急停機）+另1臺機組計劃檢修的疊加原則；由于2臺及以上機組同時發生事故需停機的概率非常小，完全不用考慮，何況電廠4臺機組共用1臺啟備變的原設計方案也不能滿足2臺及以上機組同時發生事故停機的運行要求，因此文章分析不考慮該類極端工況。

2.1 運行工況一：#1或#2機組啟動疊加#3或#4機組停運檢修

由于起機時間相對較短，因此該期間不考慮其他正常運行的機組突發事故停機的情況，但需考慮其他3臺機組其中有一臺處于停運檢修的情況，該類工況下啟備變容量初步核算如下：

（1）單臺機組啟動時，機組功率運行水平一般不超過40%Pn（Pn為滿功率輸出），基于火力發電機組40%Pn最小技術出力考慮，單臺機啟動時廠用負荷容量可按機組滿功率狀態下廠用電總計算負荷的40%確定，即啟備變需帶載的單臺機組啟動負荷容量為Sq1=0.4×19=7.6MVA。

（2）在#1或#2機組啟動時，考慮#3或#4機組仍處于停運檢修狀態，根據相關工程經驗，機組停運檢修時廠用負荷可按20%高廠變容量估計，即Sj1=0.2×16=3.2MVA。

（3）當#3或#4機組處于停運檢修時，考慮其中1臺高脫變退出由電廠啟備變代替供電情況下，對應#1機組啟動和#2機組滿功率運行，此時由啟備變供電的脫硫運行負荷容量可按單臺脫硫塔及公用總負荷容量的80%考慮，即St=0.8×10=8MVA。

綜上分析，運行工況一對應啟備變的最大帶載負荷容量可能為S=Sq1+Sj1+St=7.6+3.2+8=18.8MVA＜20MVA，現有啟備變額定容量滿足運行要求。當然，該運行工況下#1或#2機組啟動成功后，應及時將廠用電自啟備變切換至機組高廠變運行，然后再調節汽輪機汽門增大機組出力，否則會導致啟備變過載。

2.2 運行工況二：#3或#4機組啟動疊加#1或#2機組停運檢修

相關分析類似運行工況一，該條件下#3或#4機組啟動容量Sq2=0.4×14=5.6MVA，而#1或#2機組停運檢修負荷容量Sj2=0.2×20=4MVA，此時由啟備變供電的脫硫運行負荷容量可按單臺脫硫塔及公用總負荷容量的80%考慮，即St=0.8×10=8MVA，啟備變在該工況下帶載容量S=Sq1+Sj1+St=5.6+4+8=17.6MVA＜20MVA，顯然啟備變額定容量滿足運行要求。

同樣，機組啟動成功后應及時將廠用電自啟備變切換至機組高廠變運行，然后再調節汽輪機汽門增大機組出力，否則會導致啟備變過載。

2.3 運行工況三：#1或#2機組事故停機疊加#3或#4機組停運檢修

根據《大中型火力發電廠設計規范》（GB 50660—2011）針對火力發電廠事故停機運行負荷的調研分析，事故停機負荷主要有送風機、引風機、凝結水泵、循環水泵、開式冷卻水泵、閉式冷卻水泵、汽輪機低壓潤滑油泵、頂軸油泵以及鍋爐補給水泵等輔助設備，但出力僅需30%即可，即單臺機組事故停機負荷容量一般在單元機組負荷總容量的30%左右。因此，該工況下啟備變需帶載的負荷合計有#1或#2機組事故緊急停機負荷、#3或#4機組停機檢修負荷及替代單臺高脫變供電負荷（按最大方式考慮），即S=0.3×19+0.2×16+10=18.9MVA，基本滿足要求。為保證啟備變在廠用電切換瞬態運行期間不過載，即在#1或#2機組事故停機負荷投至備用電源前，需自動切除與停機無關的廠用負荷后再合至啟備變供電。

2.4 運行工況四：#3或#4機組事故停機疊加#1或#2機組停運檢修

相關分析類似運行工況三，該工況下啟備變需帶載的負荷合計有#3或#4機組事故緊急停機負荷、#1或#2機組停機檢修負荷及替代單臺高脫變供電負荷（按最大方式考慮），即S=0.3×14+0.2×20+10=18.2MVA，基本滿足要求；但是為保證啟備變在廠用電切換瞬態運行期間不過載，即在#3或#4機組事故停機負荷投至備用電源前需自動切除與停機無關的廠用負荷后再合至啟備變供電。

2.5 運行工況五：#3機組事故停機疊加#4機組停運檢修

該工況下啟備變需帶載的負荷合計有#3機組事故緊急停機負荷、#4機組停機檢修負荷、替代單臺高脫變供電的#1機組單套脫硫負荷（按最大方式考慮）和#3機組脫硫系統停機負荷（此時脫硫系統的運行負荷可參照運行工況三，對機組停機負荷需求的分析結果不超過單套脫硫系統總負荷容量的30%，但考慮#4機組已停運，只有#3機組緊急停機，顯然脫硫系統在緊急停機情況下實際運行負荷比例還會適當降低，最終暫按單套脫硫總負荷容量25%考慮），即S=0.3×14+0.2×16+10+0.25×10=19.9MVA，基本滿足要求。

3 結束語

綜上分析可知，2臺高脫變采用電廠啟備變作為備用的改造方案是初步可行性的，當然以上分析是在穩態工況下進行的，對于啟備變在已帶載部分負荷的情況下重新加載新負荷的運行瞬態（如廠用負荷失壓自啟動母線電壓校驗等），后續還需通過相關計算軟件模擬驗證，以便指導運行人員完善運行操作手冊。必要時，運行人員可根據負荷重要性不同實行分組分步加載的方式應對切換瞬態振蕩問題。