董 敏 楊玉清

(中國石化上海石油化工股份有限公司，上海 200540)

“黑啟動”指整個電網(wǎng)因故障崩潰停運后，系統(tǒng)全部停電，處于全“黑”狀態(tài)，此時通過借用外來電源和系統(tǒng)中具有自啟動能力機組的啟動，帶動無自啟動能力的機組，逐步擴大系統(tǒng)的恢復范圍，最終實現(xiàn)整個系統(tǒng)的恢復和供電。雖然隨著電網(wǎng)的不斷擴大和可靠性不斷提高，發(fā)生電力系統(tǒng)崩潰的機率已相當少，但是中國石化上海石化股份有限公司(以下簡稱上海石化)電網(wǎng)(以下簡稱石化電網(wǎng)))系統(tǒng)結構復雜，仍存在一些薄弱點，一旦發(fā)生惡性事故，可能會造成嚴重后果。并且在發(fā)生電網(wǎng)大面積或者全部停電事故后，電網(wǎng)的恢復變得異常復雜，如果電網(wǎng)內(nèi)沒有黑啟動方案，將造成系統(tǒng)恢復緩慢，停電時間延長，造成的各種損失也會大大增加。因此，研究如何在系統(tǒng)發(fā)生重大停電事故后及時有效地恢復供電具有重要意義。

1 石化電網(wǎng)概況

石化電網(wǎng)主要通過220 kV架空線路陽石2110、陽金2119與上海電網(wǎng)金陽220 kV站連接，內(nèi)網(wǎng)主要有220，110，35，10 kV系統(tǒng)。220 kV系統(tǒng)分別由熱電一站、熱電二站及石化變(均為雙母線旁路兼母聯(lián)結線方式，其中石化變?yōu)镚IS設備)3部分組成，通過220 kV架空線路(架空與電纜混合線)金煤2251、金石2252、煤石2253、煤石2254連接組成三角環(huán)網(wǎng)；35 kV系統(tǒng)同樣由熱電一站、熱電二站及石化變3部分組成，為上海石化生產(chǎn)裝置提供動力用電，并為社區(qū)、居民供電，其中熱電二站與石化變之間也可通過煤石343和煤石354線路作為事故聯(lián)絡線，熱電一站金乍625正常對浙江乍浦供電，應急時可以與浙江電網(wǎng)相連；石化變石塘891正常對浙江全塘供電，應急時也可以與浙江電網(wǎng)相連。隨著2007年9月熱電一站燃油機組停發(fā)電后，石化電網(wǎng)內(nèi)部電源僅剩熱電二站0#～6#機組，裝機容量為425 MW，且基本處于滿發(fā)狀態(tài)，而石化電網(wǎng)夏季最大用電負荷超過520 MW，缺口部分需要通過陽金2119與陽石2110從外網(wǎng)倒進(圖1)，當熱電二站一套機組停役檢修時電網(wǎng)缺口尤其明顯。

圖1 上海石化220 kV電網(wǎng)接線簡圖

2 現(xiàn)狀評估

2.1 誘發(fā)石化電網(wǎng)崩潰的機理分析

如上海石化220 kV周邊接線簡圖(圖2)所示，由于石化電網(wǎng)與上海市電網(wǎng)聯(lián)絡僅僅依靠陽石2110和陽金2119，兩根聯(lián)絡線接入同一個變電站(金陽站)，且兩根聯(lián)絡線延海邊，70%以上是同桿架空線，所以當發(fā)生臺風、雷暴、設備腐蝕以及金陽站故障時，造成石化電網(wǎng)災難性后果的可能性大大增加。歸納起來存在3種電災狀況：第一是受上海電網(wǎng)波及石化電網(wǎng)呈孤島，未穩(wěn)住，引起石化電網(wǎng)崩潰；第二是對外聯(lián)絡線故障或缺額過大跳閘導致石化電網(wǎng)崩潰；第三是500 kV變電站聯(lián)變或母線故障跳閘，石化電網(wǎng)小系統(tǒng)未穩(wěn)住，上海石化熱電部(以下簡稱熱電部)機組脫調(diào)。

圖2 上海石化220 kV周邊接線簡圖

2.2 石化電網(wǎng)地理位置和失電后果分析

石化電網(wǎng)屬于上海電網(wǎng)南橋分區(qū)板塊，且處于西南角末端，類似于一個大“負載”。一旦作為自備電廠的熱電部發(fā)生電災事故，石化電網(wǎng)如果僅依靠上級電網(wǎng)的恢復、送電，恢復過程會相當漫長。由于石化企業(yè)的特殊性，如果連續(xù)兩小時以上失去電源，將可能使石化生產(chǎn)裝置發(fā)生爆炸和火災。同時由于沒有電源，水廠無法運行，設備的冷卻能力基本喪失，消防能力受限，從而發(fā)生設備損壞甚至物料泄漏乃至燃爆的生態(tài)災難，將使石化電網(wǎng)陷入長期無法恢復的困境。同樣，對熱電部來說，長時間斷電會造成鍋爐余汽蒸發(fā)殆盡，沒有余汽支撐鍋爐啟動；長時間斷電會造成鍋爐嚴重缺水，最終無法啟動。因此需要尋求快速的外部電源支援來恢復機組啟動并恢復電網(wǎng)對用戶供電，或者通過內(nèi)部自救自保，故障狀態(tài)下部分機組和系統(tǒng)快速與大系統(tǒng)解列，建立獨立、穩(wěn)定的小系統(tǒng)，在確保熱電部自身的廠用電外，對部分用戶繼續(xù)供電。

利用外來電快速恢復自產(chǎn)蒸汽啟動即為黑啟動。由于電網(wǎng)依靠發(fā)電廠支撐，因此比電網(wǎng)垮掉更可怕的是電廠垮掉，因此電廠的應對電災能力決定著電網(wǎng)的命運。2005年通過上海電力公司組織的上海電網(wǎng)電災能力調(diào)查，上海電網(wǎng)內(nèi)只有閘北燃機完全具備黑啟動條件，而熱電部自測結果為D2級：即本廠(熱電二站)既需要外來電源又需要外來汽源，且支持時間須在0.5～1 h內(nèi)，才能確保機組啟動?？紤]到熱電部5#、6#機組(循環(huán)流化床鍋爐)已相繼投產(chǎn)，且5#、6#爐蓄熱能力相對較強，在短時間內(nèi)汽源問題應能自行解決(2005年6月進行過試驗，在爐5A模擬失水情況下5#機組在5 MW情況下可維持15 min)。隨著2010年6月25日浙江全塘站石塘891線路恢復運行，考慮到一次結線、操作方便，調(diào)度流程等情況，當石化電網(wǎng)發(fā)生崩潰時，可選擇石塘891作為石化電網(wǎng)外部啟動電源(電源切換操作估計需要1 h)，也即熱電部內(nèi)部具備黑啟動條件。

3 石化電網(wǎng)黑啟動的可行性和啟動要點

由于熱電部沒有大功率柴油發(fā)電機和具有自啟動能力的機組，只能通過外來電源帶動機組的啟動。

3.1 石化電網(wǎng)黑啟動目標網(wǎng)架

當石化電網(wǎng)發(fā)生電災事故，判明系主網(wǎng)全黑引起時，優(yōu)先選擇石塘891線路作為外部啟動電源，并按事先設定的恢復送電路徑對石化電網(wǎng)實施恢復送電(圖3)，這需要上海石化電調(diào)與平湖供電局事先協(xié)調(diào)并建立預案。

圖3 外來啟動電源接線簡圖

需要協(xié)調(diào)的內(nèi)容包括：

(1)35 kV系統(tǒng)。如圖3中所示線路，向熱電二站方向包括石塘891→石化變35 kV付母線→煤石343/354→熱電二站35kV付母線→廠總變29/30(最大負荷電流300 A)。

(2)35 kV系統(tǒng)。如圖3中所示線路，向熱電一站方向包括石塘891→石化變35 kV付母線→石水881→水廠總降。

(3)廠用電系統(tǒng)優(yōu)先恢復6 kV二段，若無條件再考慮6 kV一段為原則：廠總變29/30→6 kV二段備用開關→廠變49 6 kV開關→380 V一/二段備用開關，優(yōu)先恢復硅整流和直流電源。

3.2 保證廠用汽源的措施

熱電部機爐全停后應利用鍋爐余汽維持廠用汽，開足汽108，各跳閘機組立即手動關閉汽48,并關閉減壓11、21/汽48、減壓1、2/汽4及其他對外供熱閥門，利用5#A/B、6#鍋爐余汽經(jīng)減壓11/汽4供應除氧器系統(tǒng)用汽，停用所有外供汽(包括采暖及生活用汽)，以維持5#A/B、6爐汽包壓力和水位；煤粉鍋爐鍋爐熄火后維持汽3、4處于開足狀態(tài)。

3.3 全廠黑啟動時的注意事項

(1)加強與各級調(diào)度間的聯(lián)系，并在上海市電力調(diào)度(簡稱市調(diào))及上海石化總調(diào)的統(tǒng)一領導指揮下進行事故處理。

(2)各跳閘機組在動力電源未恢復之前采用間隔啟動直流油泵投盤車，同時密切監(jiān)視大軸軸彎情況。

(3)考慮到時間緊迫，應優(yōu)先通過事先選擇好的送電路徑對失電母線進行手動清排，并合上或保留選擇好的電源開關，盡量減少直流及不間斷電源(UPS)損耗，確保通訊電源暢通。

(4)待6 kV二段或一段電源恢復，盡快恢復其他公用系統(tǒng)電源，并盡快投入工業(yè)水、海水、化學制水、給泵除氧系統(tǒng)及燃油系統(tǒng)；跳閘機組由間斷盤車改連續(xù)盤車。

(5)待水廠總降恢復送電，盡快恢復對外供水。

(6)鍋爐進水前應注意檢查是否有缺水現(xiàn)象，缺水鍋爐進水須得到熱電部總工程師同意。

(7)對所有失電母線繼續(xù)清排。

3.4 機組啟動和并網(wǎng)

(1)由值班長發(fā)令，選擇2#爐帶主蒸汽母管啟動，升壓后關閉其他煤粉鍋爐汽3、4閥門，蒸汽投入2#減溫減壓器，通過減壓1、2/汽4供除氧器用汽母管。

(2)待汽溫、汽壓達沖轉(zhuǎn)條件，選擇2#機沖轉(zhuǎn)，3 000 r/min帶主變2-220 kV付母線零升，正常后，與35 kV付母線合環(huán)；通過35 kV母聯(lián)恢復其他35 kV母線送電。

(3)按上海石化調(diào)度和石化電網(wǎng)管理中心指令，恢復部分35 kV重要饋線送電。

(4)得到市調(diào)授權后，盡快恢復石化電網(wǎng)三角環(huán)網(wǎng)方式，并拉開煤石343或354開關(避免引起環(huán)流)；恢復一站、石化變主變送電，恢復35，10 kV母線、饋線送電。

(5)安排其他機組啟動、并網(wǎng)，注意石塘891電流不超限(≤600 A)。

(6)將運行機組抽汽投入，盡快恢復對外供熱。

(7)待外網(wǎng)啟動正常，聯(lián)系市調(diào)恢復石化電網(wǎng)雙聯(lián)絡線方式(注意石化電網(wǎng)不直接用陽金2119和陽石2110對外送電)。

3.5 后果預測及應對措施

(1)熱電二站目前主要有4套UPS，分別放置在1#機爐電子室、5#機爐電子室、6#機爐電子室及電氣繼電器室。1#機爐UPS的負載為1#機爐的分散控制系統(tǒng)(DCS)、汽輪機的數(shù)字化電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)(DEH)，直流電源接入電氣控制室直流母線，直流母線上有1 400 AH的蓄電池。5#、6#機爐UPS負載為5#機爐的DCS、DEH，直流電源接入5#、6#機爐控制室直流母線，直流母線上有1 500 AH的蓄電池。電氣主控制室UPS負載為48 V交流事故信號電源、35 kV線路閘刀交流電源及有關保護的交流電源，直流電源接入20個蓄電池(單獨)。煤粉機組直流電源容量配備2組1 400 AH蓄電池，不能滿足全開機情況下機組安全滑停時的需求。因此在事故處理時一方面機組盤車需安排間斷、間隔方式；另一方面母線、開關清排盡量采用手動方式，不必要操作可暫緩執(zhí)行，原則上盡量減少直流消耗。5#、6#機組由于蓄電池設計容量按單元機組設計，故能夠滿足5#、6#機組滑參數(shù)停機。

(2)考慮到從機組啟動到恢復外送電過程時間相對較長，熱態(tài)煤粉鍋爐一般需要2 h，熱態(tài)機組需10 min。由于上海石化生產(chǎn)裝置的特殊性，如無法保證在2 h內(nèi)滿足用戶要求，屆時現(xiàn)場環(huán)境和空氣質(zhì)量可能會極其惡化。

(3)通信、遠動、保護影響程度及涉及機組啟動和運行方面。通信系統(tǒng)分程控行政電話交換機和調(diào)度電話交換機兩種，全部裝置有UPS系統(tǒng)，在斷電情況下，可維持2 h的運行時間。如果2 h內(nèi)不能恢復外來電源，將導致通信中斷、遠動裝置停機、微機保護及自動裝置失電停用、蓄電池無法維持機組啟動及運行所需，產(chǎn)生不可預計的結果。

(4)為避免電網(wǎng)電災引起下級電網(wǎng)崩潰，建議熱電部機組增加FCB功能(當電網(wǎng)或發(fā)電機故障時，負荷快速降至僅帶廠用電水平或維持汽輪機空轉(zhuǎn)或鍋爐低負荷運行水平功能)。

(5)建議熱電部有條件時增加柴油發(fā)電機組或啟動鍋爐，以備不時之需，從而減少對外依賴。

4 廠用電自保方案

4.1 廠用電自保方案的可行性

上海石化熱電部熱電二站電氣主接線方式如下(圖4)。

圖4 熱電部熱電二站電氣主接線圖

按保護形式自動斷開聯(lián)絡主變壓器的220 kV開關，使得主變壓器與對應的35 kV和所帶廠用電形成小系統(tǒng)運行，這樣可以避免熱電部失去所有電源而造成的啟動困難或無法盡快給用戶供電、供汽。

在選擇聯(lián)絡主變壓器的電壓時，既要使小系統(tǒng)內(nèi)窩電不宜過多，又不能使得小系統(tǒng)內(nèi)缺電，因此選擇220 kV側。從熱電部熱電二站的35 kV系統(tǒng)各段母線負荷情況(見表1)來看，在正常方式時，自動斷開主變壓器3#220 kV開關是最合適的，這樣既考慮了35 kV正二段及其廠用電系統(tǒng)不缺電，也考慮了可能的故障狀態(tài)下，用戶側負荷轉(zhuǎn)移所增加的負荷。35 kV各段母線負荷見表1。

表1 35 kV各段母線負荷 MW

從上述分析來看，廠用電自保方案是完全可行的。

從表1可以看出：3#主變壓器220 kV解列后，機組發(fā)電能力100 MW大于小系統(tǒng)內(nèi)的用電負荷68 MW，在小系統(tǒng)經(jīng)一定的震蕩后能夠達到穩(wěn)定；兩臺機組分別可以帶動大于30MW的負荷，即機組能夠帶抽汽保自用和部分外供；由于鍋爐設計蒸發(fā)量大于機組最大進汽量，富裕部分可以通過減溫減壓器對外供熱。因此選擇3#主變壓器220 kV作為解列點，熱力系統(tǒng)不會有問題。

綜上分析，廠用電自?？梢允故娋W(wǎng)系統(tǒng)不會徹底垮掉，同時還可以對部分用戶供熱、供電，關鍵是可以快速恢復對用戶的供電、供熱，大大降低故障擴大的可能性。

4.2 廠用電自保需要解決的問題

廠用電自保需要對自動斷開聯(lián)絡主變壓器的220 kV在不同的運行方式下進行計算和選擇；需要確定自動斷開聯(lián)絡主變壓器220 kV的保護方式，即以35 kV電壓作為斷開依據(jù)還是以系統(tǒng)周波為斷開依據(jù)，同時要考慮如何區(qū)分系統(tǒng)震蕩與上述選擇。

以上所述只是在熱電部全方式運行下的自保廠用電的解決方案，對于不同的運行方式，有不同的解列點，需要通過計算和平衡得出。

5 結語

當上海石化電網(wǎng)發(fā)生電災時，無論是采用黑啟動，即機組從最初啟動電源→帶動輔機→機組運轉(zhuǎn)→拾取負荷→恢復電網(wǎng)→啟動其他機組→系統(tǒng)并列等；還是建立上海石化熱電部廠用電自保方案，都可以使得上海石化電網(wǎng)得以恢復。借助外來電源的黑啟動，過程看似簡單，但在實際操作中外來電源的恢復時間不能自主控制，所以整個石化電網(wǎng)恢復可能需要相對較長的時間，包括恢復策略、系統(tǒng)實戰(zhàn)試驗、典型應急預案制定、預警預報規(guī)則、救災體系建立等，需要各個方面協(xié)調(diào)指揮，如果鍋爐由于補水不及時造成干鍋，則恢復時間會更長。而采用廠用電自保方案，可能上海石化電網(wǎng)系統(tǒng)恢復時間相對要短的多，但對保護方案、定值的確認相對比較困難。由于上海石化是易燃易爆的大型煉油化工企業(yè)，因此采用廠用電自保方案更符合需要。