李大慶，李廣敏，李治強(qiáng)

阿聯(lián)酋某水泥生產(chǎn)線余熱發(fā)電項(xiàng)目孤網(wǎng)運(yùn)行研究

Study on the Isolated Network Running of Waste Heat Power Generation Project in a UAE Cement Line

李大慶1，李廣敏2，李治強(qiáng)1

1 前言

阿聯(lián)酋某項(xiàng)目當(dāng)?shù)赜型陚涞呐潆娋W(wǎng)，但在項(xiàng)目建成之后，當(dāng)?shù)仉娏Σ块T不允許余熱發(fā)電站并網(wǎng)運(yùn)行，因此只能采取措施，使余熱電站帶水泥生產(chǎn)線的一部分負(fù)荷孤網(wǎng)運(yùn)行。

根據(jù)水泥廠的實(shí)際情況，計(jì)劃用余熱電站帶水泥磨系統(tǒng)孤網(wǎng)運(yùn)行。改造生料磨配電站，雙母線供電，母線間不連接，余熱電站和國(guó)家電網(wǎng)分別為一段母線供電，配電負(fù)荷可以在兩段母線間切換，保證供電可靠性和靈活性。運(yùn)行方式是先運(yùn)行水泥生產(chǎn)線，然后啟動(dòng)余熱電站，余熱電站啟動(dòng)后再逐步將生料磨配電站國(guó)家電網(wǎng)母線段部分負(fù)荷轉(zhuǎn)移到余熱電站母線段，由余熱電站發(fā)電機(jī)供電。余熱電站孤網(wǎng)運(yùn)行，發(fā)電機(jī)停運(yùn)不影響水泥生產(chǎn)線正常運(yùn)行。

余熱電站發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量為7.5MW，估算發(fā)電量為5.7MW，其中最大電機(jī)為生料磨電機(jī)，功率2 800kW。

2 孤網(wǎng)運(yùn)行電站存在的問題

（1）生料磨電機(jī)（2 800kW）相對(duì)于發(fā)電機(jī)容量過大，啟動(dòng)電流沖擊會(huì)造成低頻、低壓，使得發(fā)電機(jī)停機(jī)，或者無法啟動(dòng)生料磨電機(jī)。

（2）水泥生產(chǎn)線大電機(jī)突然甩負(fù)荷，此種工況對(duì)電廠的沖擊很大，汽輪機(jī)將超速，發(fā)電機(jī)端電壓升高，嚴(yán)重時(shí)汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)保護(hù)動(dòng)作停機(jī)。

（3）汽輪發(fā)電機(jī)的電壓、頻率和轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，會(huì)隨負(fù)荷的變化而變化，電源品質(zhì)差，安全系數(shù)低。

（4）在大負(fù)荷變動(dòng)情況下，負(fù)荷對(duì)汽輪機(jī)沖擊很大，長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)造成汽輪機(jī)調(diào)速器損壞，甚至沖垮汽輪機(jī)正常工作狀態(tài)。

（5）排汽頻繁，噪音大，嚴(yán)重浪費(fèi)熱能和水資源。

（6）余熱電站孤網(wǎng)運(yùn)行的項(xiàng)目幾乎沒有，缺少余熱電站孤網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

3 水泥廠負(fù)荷分析

3.1 生料磨電機(jī)（2 800kW）啟動(dòng)曲線（圖1）

由圖1可見，生料磨電機(jī)的啟動(dòng)電流約為額定電流的1.25倍，正常運(yùn)行時(shí)電流約為額定電流的0.8倍。

3.2 生料磨負(fù)荷清單（表1）

圖1 生料磨電機(jī)（2 800kW）啟動(dòng)曲線

表1 生料磨車間負(fù)荷清單

3.3 生料磨車間負(fù)荷曲線（圖2）

由圖2可知，生料磨配電站正常運(yùn)行時(shí)最大負(fù)荷為6 800kW，最小負(fù)荷為3 300kW。最大負(fù)荷時(shí)發(fā)電機(jī)沒有足夠能力提供全部電量，需要將部分負(fù)荷轉(zhuǎn)為電網(wǎng)供電。最小負(fù)荷時(shí)功率較低，余熱不能完全利用。

圖2 生料磨車間負(fù)荷曲線

4 孤網(wǎng)運(yùn)行方案

4.1 余熱電站增加旁路系統(tǒng)

4.1.1 旁路系統(tǒng)的配置

增加一設(shè)計(jì)進(jìn)氣量為60%的大旁路系統(tǒng)，作為該廠生料磨設(shè)備的電機(jī)儲(chǔ)備功率。旁路后剩余氣量進(jìn)入汽輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電，具備發(fā)電能力約1 000kW左右，能夠滿足汽輪機(jī)的最低運(yùn)行要求，可保證汽輪機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。

4.1.2 旁路系統(tǒng)的功能（圖3）

孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，負(fù)荷的變化造成鍋爐和汽輪機(jī)的運(yùn)行情況不相匹配，當(dāng)鍋爐產(chǎn)生的蒸氣量大于汽輪機(jī)所需要的蒸氣量時(shí)，多余部分可以不進(jìn)入汽輪機(jī)而經(jīng)過旁路減溫減壓后直接引入凝汽器，避免蒸氣對(duì)空排放對(duì)環(huán)境造成噪音污染。旁路系統(tǒng)的這些功能在機(jī)組啟動(dòng)、升負(fù)荷、降負(fù)荷或甩負(fù)荷時(shí)是十分必要的。

圖3 旁路系統(tǒng)

（1）改善機(jī)組的啟動(dòng)性能，加快啟動(dòng)速度。機(jī)組冷態(tài)或熱態(tài)啟動(dòng)初期，當(dāng)鍋爐給出的蒸氣參數(shù)尚未達(dá)到汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)條件時(shí)，這部分蒸氣就由旁路系統(tǒng)流到凝汽器，以回收工質(zhì)，適應(yīng)系統(tǒng)暖管和儲(chǔ)能的要求。

（2）在機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，可以控制主蒸氣壓力；正常運(yùn)行時(shí)，監(jiān)視鍋爐出口壓力，防止超壓。

（3）機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行階段，鍋爐仍維持較高的蒸發(fā)量運(yùn)行，多余的蒸氣經(jīng)過旁路減溫減壓后直接引入凝汽器，減少了對(duì)鍋爐的調(diào)節(jié)。

（4）在生料磨電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，電站DCS接收生料磨電機(jī)啟動(dòng)請(qǐng)求并確認(rèn)后，關(guān)閉大旁路系統(tǒng)，發(fā)出“允許啟動(dòng)”信號(hào)給水泥線DCS，充分利用鍋爐的儲(chǔ)能功能，啟動(dòng)生料磨電機(jī)。

（5）在機(jī)組部分甩負(fù)荷的情況下，主蒸氣壓力超過規(guī)定值時(shí)，大旁路閥迅速開啟進(jìn)行減壓泄流，從而對(duì)機(jī)組實(shí)現(xiàn)超壓保護(hù)。

（6）汽輪機(jī)短時(shí)故障，可以實(shí)現(xiàn)停機(jī)不停爐運(yùn)行。停機(jī)時(shí)，鍋爐產(chǎn)生的新蒸氣經(jīng)旁路系統(tǒng)減溫減壓后進(jìn)入凝汽器，回收工質(zhì)，維持鍋爐的穩(wěn)定運(yùn)行，以便汽輪機(jī)重新快速啟動(dòng)。

總之，旁路系統(tǒng)具有啟動(dòng)、泄流和安全三項(xiàng)功能。

4.2 增加柴油發(fā)電機(jī)

增加柴油發(fā)電機(jī)方案（見圖4）。

圖4 增加柴油發(fā)電機(jī)后單線圖

4.2.1 柴油發(fā)電機(jī)的配置

柴油發(fā)電機(jī)的容量按照能夠單獨(dú)啟動(dòng)生料磨電機(jī)（2 800kW）來考慮（不再考慮其他負(fù)荷的啟動(dòng)情況）。生料磨電機(jī)的啟動(dòng)電流為1.25倍的額定電流，為此柴油發(fā)電機(jī)容量為1.25×2 800=3 500kW，6.6kV。

4.2.2 柴油發(fā)電機(jī)的作用

（1）作為余熱電站的啟動(dòng)電源

余熱電站配置了柴油發(fā)電機(jī)組，電站的柴油發(fā)電機(jī)組可以充當(dāng)余熱電站的啟動(dòng)電源。

（2）作為生料磨配電站內(nèi)其他電機(jī)的啟動(dòng)電源

生料磨配電站的其他電機(jī)啟動(dòng)可以利用柴油發(fā)電機(jī)組，啟動(dòng)后可以將負(fù)荷轉(zhuǎn)移到余熱電站發(fā)電機(jī)組。

（3）啟動(dòng)生料磨電機(jī)

生料磨電機(jī)（2 800kW）相對(duì)于發(fā)電機(jī)容量過大，可利用柴油發(fā)電機(jī)與余熱發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行以保證大電機(jī)的啟動(dòng)。電機(jī)啟動(dòng)后，余熱電站的負(fù)荷逐漸增加，柴油發(fā)電機(jī)組緩慢退出運(yùn)行。

4.2.3 需要注意的問題

（1）增加柴油發(fā)電機(jī)滿足大電機(jī)啟動(dòng)需要，要與余熱電站并列運(yùn)行，維持電網(wǎng)穩(wěn)定性。

（2）鑒于柴油發(fā)電機(jī)組在孤網(wǎng)運(yùn)行中的重要作用，需要在運(yùn)行期間采取措施，確保柴油發(fā)電機(jī)組的絕對(duì)安全。汽輪發(fā)電機(jī)組與柴油發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行后，應(yīng)逐漸減小柴油發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷，使柴油發(fā)電機(jī)組緩慢退出運(yùn)行。

4.3 旁路系統(tǒng)和柴油發(fā)電機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)行

4.3.1 啟動(dòng)生料磨電機(jī)

生料磨電機(jī)通過柴油發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)，同時(shí)開啟旁路系統(tǒng)，將生料磨負(fù)荷的電機(jī)逐漸轉(zhuǎn)移到余熱電站的發(fā)電機(jī)上。生料磨電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行之后解列柴油發(fā)電機(jī)，由旁路系統(tǒng)繼續(xù)跟隨負(fù)荷的變化。

4.3.2 生料磨電機(jī)緊急停機(jī)

突然甩大負(fù)荷，此種工況對(duì)電廠的沖擊很大，汽輪機(jī)將超速，發(fā)電機(jī)端電壓升高，嚴(yán)重時(shí)汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)保護(hù)動(dòng)作停機(jī)。為此建議：因?yàn)楣戮W(wǎng)運(yùn)行的電站采用頻率控制，為保證電氣設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，電站的頻率波動(dòng)范圍設(shè)定為48.5～51.5Hz，水泥生產(chǎn)線的負(fù)荷波動(dòng)在10%的范圍內(nèi)，電站是可以接受并可以安全穩(wěn)定地調(diào)節(jié)，當(dāng)＞10%時(shí)電站的調(diào)節(jié)將非常困難，超頻保護(hù)動(dòng)作，啟動(dòng)鍋爐的旁路系統(tǒng)上的快速啟閉閥。

5 余熱電站發(fā)電機(jī)電量分配

5.1 電源分配

電源分配方案見圖4。余熱電站發(fā)電機(jī)和國(guó)家電網(wǎng)2個(gè)電源分別為生料磨配電站I段、II段母線供電，兩段母線間不聯(lián)絡(luò)。生料磨配電站負(fù)荷可以在兩段母線間切換，負(fù)荷在兩段母線間切換時(shí)需要做好機(jī)械和電氣聯(lián)鎖，避免兩段母線發(fā)生非同期并列。余熱電站發(fā)電機(jī)孤網(wǎng)運(yùn)行。

5.2 負(fù)荷分配

由圖2可知，生料磨負(fù)荷在3 300～6 800kW間波動(dòng)。根據(jù)計(jì)算，余熱電站發(fā)電機(jī)額定發(fā)電量約為5.7MW。

生料磨配電站負(fù)荷低時(shí)，無法完全消耗發(fā)電機(jī)發(fā)出的全部電量，會(huì)造成浪費(fèi)，可以將水泥廠辦公、生活負(fù)荷或其他不影響水泥生產(chǎn)線運(yùn)行的負(fù)荷轉(zhuǎn)移部分至生料磨配電站，使得余熱發(fā)電電量能夠被完全利用，增加余熱利用率，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。必要時(shí)切換至余熱電站母線段。

當(dāng)生料磨配電站負(fù)荷高時(shí)，余熱電站發(fā)電機(jī)不能滿足整個(gè)生料磨配電站供電要求，可以將部分負(fù)荷轉(zhuǎn)移到國(guó)家電網(wǎng)母線段，由電網(wǎng)供電。增加柴油發(fā)電機(jī)后的總發(fā)電量約為9.2MW，余熱電站加上柴油發(fā)電機(jī)的供電量能夠滿足整個(gè)生料磨配電站供電要求。

5.3 注意問題

（1）生料磨負(fù)荷在國(guó)家電網(wǎng)母線段和余熱電站母線段切換時(shí)要做好聯(lián)鎖，避免非同期并列。

（2）提前預(yù)估生料磨配電站負(fù)荷波動(dòng)情況，提前做好負(fù)荷切換，避免無計(jì)劃負(fù)荷波動(dòng)對(duì)余熱電站發(fā)電機(jī)造成沖擊。

6 汽輪發(fā)電機(jī)投運(yùn)前的負(fù)荷準(zhǔn)備

汽輪發(fā)電機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行會(huì)造成汽輪機(jī)末級(jí)葉片的水蝕、顫振等損壞，凝汽器的凝結(jié)水溶氧量升高，造成腐蝕等，根據(jù)其安全運(yùn)行要求，10%發(fā)電裝機(jī)容量即750kW不能＞24h，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行要求在15%～20%發(fā)電裝機(jī)容量即1 000～1 500kW以上，故一定的負(fù)荷準(zhǔn)備是電廠投運(yùn)的基礎(chǔ)。

汽輪發(fā)電機(jī)升負(fù)荷時(shí)，可開啟生料磨車間輔助設(shè)備，滿足汽輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行基礎(chǔ)負(fù)荷1 500kW的要求。

從和汽輪機(jī)廠聯(lián)系的情況看，汽輪機(jī)升負(fù)荷的時(shí)間，從15t的進(jìn)汽量增加到35t的進(jìn)汽量，在3 000 r/min的熱態(tài)情況下需要幾分鐘完成。這說明在汽量足夠大的情況下，汽輪機(jī)可以快速增加負(fù)荷。為此，在增加旁路系統(tǒng)的情況下，有可能利用旁路系統(tǒng)來啟動(dòng)大電機(jī)負(fù)荷。

7 相關(guān)設(shè)備調(diào)整和設(shè)置

7.1 修改DEH（505）的功能設(shè)置

孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，DEH（505）應(yīng)采用轉(zhuǎn)速控制方式。

7.2 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)及電氣保護(hù)

為保證孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)發(fā)電機(jī)出口電壓穩(wěn)定，投入發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的電壓自動(dòng)控制（AVR）。通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流來維持發(fā)電機(jī)端電壓在一定范圍內(nèi)，同時(shí)需要調(diào)整電氣低頻低壓，高頻高壓保護(hù)定值。

7.3DCS系統(tǒng)的工作

（1）水泥生產(chǎn)線大設(shè)備準(zhǔn)備啟動(dòng)時(shí)，要提前準(zhǔn)備好鍋爐的熱量并開始運(yùn)行旁路系統(tǒng)或開啟柴油發(fā)電機(jī)組，在大設(shè)備啟動(dòng)過程中，要讓旁路系統(tǒng)或柴油發(fā)電機(jī)與其配合好，使得大設(shè)備順利啟動(dòng)。

（2）針對(duì)鍋爐熱慣性大的特點(diǎn)，水泥生產(chǎn)線大設(shè)備在啟動(dòng)前，發(fā)出請(qǐng)求信號(hào)到電站DCS系統(tǒng)，電站運(yùn)行人員需要適當(dāng)提高主蒸氣壓力等參數(shù)，并保證旁路系統(tǒng)工作正常，柴油發(fā)電機(jī)工作正常，為升負(fù)荷做好準(zhǔn)備，發(fā)備妥信號(hào)給水泥生產(chǎn)線，水泥生產(chǎn)線再啟動(dòng)大設(shè)備。

（3）水泥生產(chǎn)線大設(shè)備準(zhǔn)備停機(jī)前通知電站，電站也應(yīng)提前適當(dāng)降低主蒸氣壓力等參數(shù)，并保證旁路系統(tǒng)工作正常，為減負(fù)荷做好準(zhǔn)備。

（4）完成旁路系統(tǒng)的自動(dòng)控制功能。

（5）發(fā)出信號(hào)完成柴油發(fā)電機(jī)的投入和解列功能。

8 結(jié)語(yǔ)

本文討論了水泥生產(chǎn)線余熱電站孤網(wǎng)運(yùn)行的可能性，并提出了孤網(wǎng)運(yùn)行方案。方案中同時(shí)增加旁路系統(tǒng)和柴油發(fā)電機(jī)，可行性較強(qiáng)。因?yàn)闆]有可借鑒的實(shí)例供參考，可以在實(shí)際執(zhí)行過程中先增加旁路系統(tǒng)，根據(jù)余熱電站旁路系統(tǒng)運(yùn)行情況再確定是否增加柴油發(fā)電機(jī)及柴油發(fā)電機(jī)容量。此種方式最節(jié)約投資，執(zhí)行效果最好?！?/p>

TQ172.622.22

A

1001-6171（2017）03-0071-04

：1中材節(jié)能股份有限公司天津300400；2國(guó)網(wǎng)天津城東供電分公司天津300250；

2016-08-27；編輯：趙星環(huán)