陶麗楠，時振堂，劉維功，錢志紅

（中國石化 大連石油化工研究院， 遼寧 大連 116000）

煉化企業(yè)供電系統(tǒng)優(yōu)化與可靠性分析

陶麗楠，時振堂，劉維功，錢志紅

（中國石化 大連石油化工研究院， 遼寧 大連 116000）

煉化企業(yè)電網(wǎng)屬于規(guī)模較小的綜合性電力系統(tǒng)，由于其生產(chǎn)特點，對安全可靠性要求極高。某煉化企業(yè)地處雷電活動特殊強烈地區(qū)，同時其供電系統(tǒng)薄弱，需進一步優(yōu)化其供電系統(tǒng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。針對上述問題，設(shè)計了兩種優(yōu)化方案并建模仿真，通過潮流計算、短路計算、電機起動及投資估算四方面，對比分析兩種方案的優(yōu)缺點，推薦更為安全、可靠、合理的優(yōu)化方案。

優(yōu)化設(shè)計；可靠性；數(shù)字仿真

電能是煉化企業(yè)生產(chǎn)的基本要素，此類單位對供電的可靠性與安全性要求極高[1]。某煉化企業(yè)計劃建設(shè)規(guī)模為1 000萬t/a煉油及80萬t/a乙烯工程。因其地處雷州半島，年平均雷暴日達(dá)到94.6日，屬于雷電活動特殊強烈地區(qū)，易造成供電系統(tǒng)停電事故。另外其供電系統(tǒng)來自湛江地區(qū)東海島變電站，屬于南方電網(wǎng)的一個末端，沒有和其它電網(wǎng)的環(huán)網(wǎng)連接，供電系統(tǒng)比較薄弱。因此，該煉化企業(yè)供電系統(tǒng)的可靠性應(yīng)充分考慮超強臺風(fēng)、雷暴、潮濕、鹽霧等惡劣條件所造成的影響[2,3]。

圖1 供電系統(tǒng)原設(shè)計方案Fig.1 Original design of power supply system

本文對該煉化企業(yè)原有基礎(chǔ)設(shè)計方案的 220 kV變電站與三個110 kV配電中心之間的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進行進一步優(yōu)化，通過仿真建模分析，從潮流計算、短路計算、大電機起動方面，對比分析得到具有更高等級安全性、可靠性、靈活性的供電系統(tǒng)優(yōu)化方案。結(jié)合投資估算，推薦最為安全、可靠、合理的運行方案。

1 優(yōu)化方案

某煉化企業(yè)電力系統(tǒng)原總體設(shè)計方案如圖1所示，正常情況下可滿足煉化裝置的一級負(fù)荷供電可靠性標(biāo)準(zhǔn)基本要求。由于在可行性研究設(shè)計時，對供電系統(tǒng)的費用壓減幅度較大，原總體設(shè)計方案存在明顯不足：1）煉油區(qū)、化工區(qū)僅各設(shè)計一座110 kV配電中心，負(fù)荷過于集中，風(fēng)險較大；2）三個110 kV配電中心采用雙母線接線方式，相互之間及到總變電站的聯(lián)絡(luò)線偏少，動力配電中心只有一回到總變電站的110 kV線路，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)安全性、可靠性、靈活性不足；3）三個110 kV配電中心110 kV系統(tǒng)采用GIS組合電器雙母線接線，110 kV輸電線路采用電力電纜，一旦母線或其隔離開關(guān)需要檢修、電纜等設(shè)備進行預(yù)防性耐壓試驗以及系統(tǒng)擴建等，都需要全站停電進行處理；4）存在煉油區(qū)域變負(fù)荷集中、動力鍋爐備用電源少等問題。

1.1 優(yōu)化方案一

優(yōu)化方案一系統(tǒng)接線圖如圖2所示，煉油、化工、動力配電中心110 kV系統(tǒng)全部改為雙母線雙分段接線，各從總變電站引接四回110 kV電纜，取消動力到煉油、化工之間的110 kV聯(lián)絡(luò)電纜；正常運行時，電力全部通過220 kV總變電站配電，各四回110 kV電源；煉油、化工配電中心可分裂成2個110 kV變電站運行，分散風(fēng)險[4,5]。

圖2 優(yōu)化方案一系統(tǒng)接線圖Fig.2 Wiring diagram of system of optimization scheme I

1.2 優(yōu)化方案二

優(yōu)化方案二系統(tǒng)接線圖如圖3所示。

圖3 優(yōu)化方案二系統(tǒng)接線圖Fig.3 Wiring diagram of system of optimization scheme II

煉油、化工配電中心110 kV系統(tǒng)全部改為兩套單母線分段接線、保持各2回到總變電站和1回到動力站的110 kV電纜，動力配電中心110 kV系統(tǒng)改為雙母線雙分段接線、增加1回共2回到總變電站110 kV電纜。正常運行時，煉油、化工配電中心分別從220 kV總變電站和熱電裝置受電運行，各三回110 kV電源[4,5]。

本文從以下幾個方面對上述三種方案主網(wǎng)結(jié)構(gòu)進行仿真分析，評估優(yōu)化方案是否具有滿足負(fù)荷需求的能力和系統(tǒng)安全可靠性[6,7]。

（1）潮流計算校核

根據(jù)設(shè)計的主網(wǎng)方案和負(fù)荷水平，通過電力潮流計算評估不同主網(wǎng)結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性，重點是N-1/N-2校核。

（2）短路電流計算校核

根據(jù)設(shè)計的主網(wǎng)方案，通過短路電流計算評估不同主網(wǎng)結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性。

（3）大電機起動分析

仿真 110/10 kV變壓器-電動機組起動過程以及大電機起動對企業(yè)電網(wǎng)安全穩(wěn)定特性的影響。

2 評估分析

2.1 潮流計算校核

分別對三種設(shè)計方案進行潮流仿真計算，由于CFB鍋爐故障概率和頻率都很高，系統(tǒng)在靜態(tài)安全分析時，有必要進行N-2、N-3校核。因此仿真系統(tǒng)正常運行，即三臺鍋爐和三臺發(fā)電機均在網(wǎng)運行；1臺鍋爐故障，1臺發(fā)電機組退出運行；2臺鍋爐故障，全部發(fā)電機組退出運行時系統(tǒng)潮流情況，并進行N-1、N-2、N-3校核。潮流分布情況如表1所示。

表1 潮流分布情況Table 1 Distribution of power flow

潮流分析可知，當(dāng)一臺動力鍋爐停運時，動力變電站外供電能力僅59 MW，原基礎(chǔ)方案和方案二煉油及化工需要動力變電站從總變電站轉(zhuǎn)供電力，可靠性下降。在兩臺動力鍋爐停運的情況下，在基礎(chǔ)方案的正常運行或方案二的單回線路停運時，基礎(chǔ)方案或方案二的總變電站到動力變電站的電流可達(dá)1 150 A，接近單根1 000 mm2電纜額定最大電流，存在一定的風(fēng)險?；A(chǔ)方案兩臺動力鍋爐停運時，如110 kV煉油1（2）線停運，為煉油2（1）線供電的220 kV主變壓器過載5.0%，化工1（2）線停運，為化工2（1）線供電的220 kV主變壓器變壓器過載17.4%。

在兩臺動力鍋爐停運的情況下，分析 220 kV主變壓器發(fā)生故障時的可靠性。2臺鍋爐停運時，4臺220 kV主變的負(fù)荷率78.1%，3臺220 kV主變運行過負(fù)荷。在1臺鍋爐停運時，應(yīng)及時投入第4臺220 kV主變。因此，本次設(shè)計220 kV總變電站主變壓器容量僅能滿足現(xiàn)有裝置供電能力，不宜增加新的負(fù)荷。

2.2 短路電流計算校核

某煉化企業(yè)35～220 kV主電網(wǎng)、動力站10～110 kV電力系統(tǒng)母線短路電流計算結(jié)果見表2所示。

表2 公共連接點與重要母線短路電流Table 2 Short circuit current of public connection points and important buses

從表2三種方案最大運行方式下的短路電流計算結(jié)果可以得到，三種方案下重要母線短路電流值的范圍。

某煉化企業(yè)高壓斷路器容量選擇：220 kV斷路器的額定開斷電流為50 kA；110 kV斷路器的額定開斷電流為40 kA；35 kV、10 kV斷路器的額定開斷電流為31.5 kA；13.8 kV發(fā)電機組出口斷路器的額定開斷電流為63 kA，斷路器額定開斷電流與母線短路電流對比如圖4所示。

分析以上表格數(shù)據(jù)可知，三種方案短路電流水平相差不大，且最大短路電流值小于斷路器額定開斷電流值，因此均能滿足選擇輕型開關(guān)設(shè)備的需求。三種方案在35～220 kV主網(wǎng)、動力10V～110 kV電網(wǎng)短路電流分布基本合理，斷路器的配置經(jīng)濟，滿足安全裕度要求。需要注意的是，發(fā)電機出口短路電流達(dá)60 kA，其中發(fā)電機提供短路電流29.25 kA，系統(tǒng)側(cè)提供短路電流30.69 kA，斷路器選型滿足要求。

2.3 大電機起動分析

仿真電動機組起動過程，考察電動機轉(zhuǎn)速是否達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，達(dá)到啟動目的；相關(guān)母線電壓波動范圍是否滿足電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，避免影響其它負(fù)載正常工作[8]。某煉化企業(yè)10 MW以上高壓大電機采用110/10 kV線路-變壓器-電動機組接線，共有5臺。參考南陽防爆電機廠電動機，額定起動電流倍數(shù)5.2，電動機負(fù)載采用風(fēng)機型負(fù)載，額定轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)矩為0.80 p.u.，已選定的電動機參數(shù)為標(biāo)幺值。

圖4 10 kV以上斷路器額定開斷電流與母線短路電流Fig.4 Circuit breaker rated open current and bus short circuit current above 10kV

煉油和化工區(qū)功率最大的電動機分別是煉油DS13主風(fēng)機（25 000 kW）和化工EVA電機/DS24（20 000 kW），仿真計算三種運行方式的啟動過程，分別模擬獨立母線、帶負(fù)載的母線和雙回路并聯(lián)帶負(fù)載的母線。

運行方式1：單電源回路帶單母線帶電纜-變壓器-電動機組，不帶其它負(fù)荷；

運行方式2：單電源回路帶單母線帶電纜-變壓器-電動機組，帶本站約25%負(fù)荷；

運行方式3：雙電源回路雙母線合環(huán)，帶電纜-變壓器-電動機組和本站約50%負(fù)荷。

三種運行方式下，兩臺電動機的都能順利起動，起動過程中煉油、化工變電站110 kV母線的電壓變化如表3所示。

表3 三種運行方式下大電機起動母線電壓波動Table 3 Voltage fluctuation of the starting bus of big motor in three operation modes

分析表3可知：運行方式1電動機起動110kV母線電壓波動為 9.7%/12.4%，但母線無其他負(fù)荷動，因此對其他負(fù)荷無影響。方式2起動時110 kV母線電壓波動為9.4%/11.4%，超過10%，可能影響同一110 kV母線電壓敏感負(fù)荷；方式3需要兩條電源進線和兩段母線并列運行，加大系統(tǒng)短路容量，即將起動時的 110 kV母線電壓波動范圍限制到4.8%～6.0%。綜上所述，方案一全部采用雙母雙分段接線方式容易實現(xiàn)，空出110 kV母線進行大電動機起動，運行方式比較靈活，從方便大電機起動和運行的角度，建議采用雙母雙分段接線方式。方案二煉油和化工變電站采用單母線接線時，轉(zhuǎn)移母線上的負(fù)荷比較復(fù)雜，可能需要采用運行方式 3，避免單回路電源起動大電機的電壓波動（方式2）。

3 投資估算

基礎(chǔ)設(shè)計方案 220 kV總變電站動態(tài)投資15340.43萬元。由于220 kV總變電站接線方案基本不作修改，優(yōu)化方案與原總體設(shè)計方案相比只是出線間隔增加。110 kV煉油變電站5 800萬元，化工變電站8 800萬元，動力變電站6 900萬元，合計2.15億元。增加投資估算表如表7所示。

圖5 增加投資Fig.5 Increased investment

方案一：GIS間隔增加25個，電力電纜增加約67 km，投資增加額約9 917萬元。其中，變配電部分3 556萬元，電力電纜部分6 361萬元。投資增加相對較多，主要是電力電纜投資達(dá)6 361萬元，變電站投資增加占比35%，但明顯加強了電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)，很大程度上解決了可靠性和雙母線全停風(fēng)險大的困擾。

方案二：投資增加額約3 292萬元，其中變配電部分增加額約1 694萬元，電纜部分1 598萬元。配電裝置增加的投資解決了雙母線全停風(fēng)險大的問題，但煉油化工配電裝置操作不靈活。電力電纜投資較少。

4 結(jié) 論

通過以上仿真分析發(fā)現(xiàn)，方案一主網(wǎng)結(jié)構(gòu)合理，發(fā)、配電系統(tǒng)分開，可靠性滿足規(guī)范要求，同時在調(diào)度、運行管理、檢修及擴建時靈活性高；在穩(wěn)定性方面可以保證全廠各工藝裝置和單元的長周期平穩(wěn)運行，運行方式靈活，但投資增加較多。方案二主網(wǎng)結(jié)構(gòu)合理，配電系統(tǒng)之間設(shè)有聯(lián)絡(luò)線路，負(fù)荷交換可不通過總變電站，在運行操作和應(yīng)急備用電源切換方面，具有一定的靈活性，相對方案一，負(fù)荷流向多變、潮流控制及繼電保護相對復(fù)雜，但投資較少。在投資充足的情況下，建議優(yōu)先選擇方案一，可以更好的滿足供電系統(tǒng)安全性、可靠性及靈活性。

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Phoenix Closures擴張?zhí)锛{西州工廠

Phoenix Closures表示正在擴大田納西州的業(yè)務(wù)，將廠房擴張至71，000平方英尺，為各種業(yè)務(wù)提供了額外的制造空間。該項目共耗資數(shù)百萬美元。

該公司共有4個生產(chǎn)站點，紐波特站點加工的塑料占比最大。

公司總裁H.Giles Miller在一份聲明中表示：“這樣能夠簡化材料流轉(zhuǎn)，增加生產(chǎn)產(chǎn)能，提高運輸和倉儲能力，我們必須提前適應(yīng)我們的客戶?！?/p>

由于現(xiàn)有客戶和新客戶的需求激增，帶來了公司擴張的必要性。該工廠主要生產(chǎn)和供應(yīng)堅果、花生油、蛋黃醬和咖啡等食品的閉包。

新工廠還增加了注塑機、閉包襯、自動化設(shè)備以及相關(guān)輔助設(shè)備。

Optimization and Reliability Analysis of Power Supply System in Refining Enterprises

TAO Li-nan，SHI Zhen-tang，LIU Wei-gong，QIAN Zhi-hong
（Dalian Research Institute of Petroleum and Petrochemicals, Sinopec, Liaoning Dalian 116000, China）

The power grid of refining enterprises is a small integrated power system, which requires high safety and reliability due to their production characteristics. A refining enterprise is located in a special lightning activity area.Meanwhile, the grid structure of the power supply system needs to be further optimized due to the weak power supply system. Focused on those issues, two optimization schemes were designed and simulated from four aspects including load flow calculation, short-circuit calculation, motor starting analysis and investment estimation. The advantages and disadvantages of the two schemes were compared and analyzed to recommend a safer, more reliable and reasonable optimization scheme.

Optimal design; Reliability; Digital simulation

TM 7430

A

1671-0460（2017）11-2334-04

2017-09-19

陶麗楠（1989-），女，遼寧省大連市人，助理工程師，碩士，2015年畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)，研究方向：電力系統(tǒng)仿真。E-mail：taolinan.fshy@sinopec.com。