淺談非洲某火法煉銅企業應急供電系統擴建設計

朱世薇， 許云海

(謙比希銅冶煉有限公司 動力分廠， 贊比亞 卡魯魯西)

0 引言

位于非洲贊比亞某中國火法煉銅企業，始建于2006年，2009年2月投產。該公司采用雙回66 kV電源進線，經主變壓器降壓至10 kV對全廠10 kV負荷供電。長期以來，由于當地電網系統薄弱，供電可靠性差，該企業時常面臨外部市電長時間停電和電壓波動的困擾。根據公司生產工藝及安全要求，在市電異常的情況下，要求全廠一級負荷在規定時限內快速啟動運行。一期設計中鼓風機房低壓配電室設置有一套應急柴油發電機及配電柜，作為全廠一級負荷的應急電源。隨著公司產能擴大、生產設備增加，原有的應急柴油發電機容量已經不能滿足使用要求；另一方面，由于僅配置1臺應急柴油發電機，一旦市電丟失而此時柴油發電機無法啟動，公司將出現重大安全生產事故，造成較大財產損失甚至人員傷亡。

1 應急供電系統概況

1.1 原應急柴油發電機主要技術參數

額定容量 1 275 kVA

額定功率 1 020 kW

功率因數 0.8

額定電壓 415/240 V

相數 3

額定頻率 50 Hz

額定電流 1 733.8 A

1.2 一期及擴建后主要應急電源需求

如表1所示，擴建后全廠一級及重要二級負荷設備用電需求(1 604 kW)已超出原應急柴油發電機供電能力(1 020 kW)。

1.3 一期應急供電系統主接線方式

一期應急柴油發電機安裝于鼓風機房低壓配電室內，并配置單獨的低壓應急配電系統，通過應急系統饋電開關與應急負荷所在配電室聯絡，主要涉及熔煉循環水、熔煉收塵、吹煉收塵、余熱發電、鼓風機房共5個低壓配電室。一期應急配電系統圖，如圖1所示。

1.4 一期應急供電系統操作方式

柴油應急發電機操作主要有兩種方式：一是自動啟動。當市電不穩定或事故斷電，柴油發電機控制系統接收到市電采樣裝置發出的市電異常信號，自動啟動柴油發電機；二是手動啟動。在柴油發電機自動啟動失效時，采用人工手動啟動。

柴油發電機啟動正常后，需要人工手動閉合發電機出口斷路器，待應急配電系統帶電正常后，再分別按照應急操作流程對五個饋電開關進行手動合閘操作。應急供電系統操作流程如圖2所示。

從圖2可以看出，整個操作流程完全依靠人工操作，復雜且用時長，容易出錯。

表1 一期及擴建后應急用電設備列表

圖2 應急供電系統操作流程

1.5 一期應急供電系統存在的隱患

自2008年以來，應急柴油發電機在市電丟失的情況下，能正常啟動投入運行。但是，曾經出現發電機啟動時啟動電瓶爆炸，發電機冷卻水水泵漏水等異常情況。另外，由于當地電網供電可靠性較差，如果在應急柴油發電機故障維修過程中，出現市電異常，后果將不堪設想。基于上述原因，根據現有條件提出應急電源系統擴建設計，增加一臺應急柴油發電機實現一用一備運行方式非常必要。

2 擴建設計

2.1 新增應急柴油發電機容量計算

綜合考慮公司擴建后的新增一級負荷用電需求以及當地電網可靠性差、事故停電時間長，部分重要二級負荷需要間斷運行的實際情況，按下述方法進行容量計算：(1)按穩定負荷計算發電機容量。(2)按最大單臺電動機或成組電動機起動的需要，計算發電機容量。(3)按起動電動機時母線容許電壓降計算發電機容量，計算結果如表2所示。

2.2 自動電源切換柜配置方式選擇

公司采用ISA富氧頂吹浸沒熔池熔煉生產工藝，對ISA余熱鍋爐不間斷供水要求較高，停止供水不能超過3 min。一期應急供電系統設計采用人工操作，尤其遇到雷雨天氣，操作時間長，嚴重威脅ISA余熱鍋爐安全。此次擴建設計考慮應急操作響應時間，為全廠重要的一、二級負荷配置自動切換裝置(簡稱ATS)。根據重要一、二負荷分布于5個低壓配電室的現狀，ATS裝置可設計三種不同配置方式，表3對三種方式的優缺點進行比較。

根據投資、工期、施工難度，對現有配電室供電影響等方面綜合考慮，最終選擇為核心的一級負荷配置ATS裝置方式。

2.3 聯絡母線選型

新增柴油發電機組低壓配電柜與原有低壓配電柜之間的聯絡母線，設計的額定電流為2 500 A，如果采用185 mm單芯聚氯乙烯絕緣電力電纜作為聯絡母線，每相6根，共需24根，安裝于新舊兩套應急低壓配電柜的母排上；由于新舊兩套應急低壓配電柜內空間限制，施工難度較大。采用新型的全絕緣銅管型母線，主要技術參數如下：

表2 新增應急柴油發電機容量計算表

表3 ATS裝置配置方式比較表

外徑Φ100 mm

壁厚 10 mm

截流量 2 500 A

管形母線結構簡單、安裝方便、散熱好、損耗低、投資小等特點，滿足此次擴建聯絡母線的安裝和使用需求。

2.4 擴建方案的最終確定

解決好新增應急柴油發電機容量、自動電源切換柜配置方式、聯絡母線選型等難點，擴建方案具體內容描述如下：新增柴油發電機組采用室外集裝箱形式，就近擺放在原有應急柴油發電機房室外，兩臺發電機可共用柴油儲存裝置。新增應急配電柜放置于原應急配電室內，縮短新舊應急配電柜聯絡母線的距離，5臺ATS柜擺放于各一級負荷所在低壓配電室，實現末端投切。擴建后的應急配電系統圖如圖4所示。

圖3 擴建后的應急配電系統圖

從圖4中可以看出，兩臺應急柴油發電機通過聯絡柜和聯絡母線連接，以新增應急柴油發電機為主用，原應急柴油發電機為備用。特殊情況下，兩臺應急柴油發電機可實現分列運行，以提供最大供電能力。

3 擴建效果分析

公司應急電源擴建完成后，在歷次大面積停電或電網波動的情況下，極大縮短了余熱鍋爐給水泵和ISA余熱鍋爐循環泵啟動時間，由3 min縮短為23 s，有力保障了ISA余熱鍋爐的安全運行。

可靠靈活的應急柴油發電機運行模式滿足了公司擴建后一級、重要二級負荷用電需求，為事故斷電的情況下，保障ISA爐、沉降電爐、轉爐、陽極爐、還原電爐等冶金爐窯安全起到關鍵作用。

4 結束語

通過科學計算、切實可行的成本分析以及合理應用新技術、新設備，達到此次應急供電系統擴建的可靠性、應急響應快速性的目的。當運行中的發電機出現故障時，可以迅速切換至備用發電機運行，提高了應急供電系統的可靠性。對于海外火法煉銅企業新建或擴建應急供電系統，具有一定借鑒意義。