陽楚君，程明昊（宜賓天原集團股份有限公司，四川 宜賓644004）

1 概述

1.1離子膜電槽負載概述

整流裝置為電解槽、電解鋁等負荷提供直流電源的裝置，其功能是將普通三相交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能。

目前，新建離子膜電槽裝置以復(fù)極式離子膜電槽為主，復(fù)極式離子膜電槽的膜片面積S多為2.7m2/片，膜電流密度j通常為4.5～5.5 kA/m2，單片膜運行電壓3.2～3.4 V，每只電槽的膜片數(shù)量N=128～156片不等，單臺復(fù)極離子膜槽電壓 Ud＝N×（3.2～3.3），直流電流Id=S×j=12～15 kA。復(fù)極式離子膜模特點是：多片離子膜片的串聯(lián)，單槽能力大可達1～2.5萬t/a，每只槽要單獨供電。單臺單極式離子膜的電壓Ud=1×（3.2～3.3），直流電流 Id=N×S×j=50～60 kA，單槽能力約500 t/a，需要多槽串聯(lián)為一個負載由N臺整流機組并聯(lián)供電。離子膜電解槽是向膜電流密度j高密度，槽直流電壓Ud高電壓，槽直流電流Id小電流，低電耗方向發(fā)展。

1.2 小電網(wǎng)系統(tǒng)概述

電力生產(chǎn)問世以來，發(fā)電機組并網(wǎng)運行便是向用戶提供可靠的、高質(zhì)量的電能的主要方式。隨著公司的發(fā)展，電能需求逐漸增加，使電網(wǎng)的規(guī)模也越來越大。

孤網(wǎng)是孤立電網(wǎng)的簡稱，一般泛指脫離大電網(wǎng)的小容量電網(wǎng)。

電力建設(shè)規(guī)程規(guī)定，電網(wǎng)中單機容量應(yīng)小于電網(wǎng)總?cè)萘康?%，以保證當該機發(fā)生甩負荷時，不影響電網(wǎng)的正常運行。

電網(wǎng)中的各機組，一般都有10%～15%的過載余量，如果電網(wǎng)中的機組調(diào)速系統(tǒng)都正常投入，一旦某機組發(fā)生甩負荷，并且該機組容量小于電網(wǎng)總?cè)萘康?%，則電網(wǎng)所失去的功率可以暫時由網(wǎng)中其他機組的過載余量承擔，電網(wǎng)頻率下降不會超過0.2 HZ，相當于機組轉(zhuǎn)速下降12 r/min，對供電質(zhì)量的影響仍在運行規(guī)程規(guī)定的范圍內(nèi)。

最大單機容量小于電網(wǎng)總?cè)萘?%的電網(wǎng)，可以稱為大電網(wǎng)。

孤網(wǎng)運行最突出的特點，是由負荷控制轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率控制，要求調(diào)速系統(tǒng)具有符合要求的靜態(tài)特性、良好的穩(wěn)定性和動態(tài)響應(yīng)特性，以保證在用戶負荷變化的情況下自動保持電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定。這就是通常所說的一次調(diào)頻功能。運行人員關(guān)注的問題不再是負荷調(diào)整，而是調(diào)整孤網(wǎng)頻率，使之維持在額定頻率的附近。這種調(diào)整通過操作調(diào)速系統(tǒng)的給定機構(gòu)來完成，稱為二次調(diào)頻。由于孤網(wǎng)容量較小，其中旋轉(zhuǎn)慣量儲存的動能和鍋爐群所具備的熱力勢能均較小，要求機組的調(diào)速系統(tǒng)具有更高的靈敏度，更小的遲緩率和更快的動態(tài)響應(yīng)。

對于小網(wǎng)工況，網(wǎng)中各機組存在負荷分配問題，要求各機調(diào)速系統(tǒng)具有相同的調(diào)速不等率（調(diào)速系統(tǒng)不等率是由于各部件的摩擦、卡澀、不靈活以及連桿、絞鏈等結(jié)合處的間隙、錯油門的重疊度等機械原因和信號傳遞延遲等因素造成的動作遲緩使上下調(diào)節(jié)不一致），要求網(wǎng)中有調(diào)度機構(gòu)進行二次調(diào)頻，維持額定頻率。

1.3 整流負載配小型發(fā)電機獨立電網(wǎng)的條件

整流負載配小型發(fā)電機獨立電網(wǎng)的條件是：發(fā)電機開車特性曲線≈離子膜槽開車特性曲線。

（1）發(fā)電機開車特性

每臺發(fā)電機都有一個最小穩(wěn)定運行功率指標，發(fā)電機在最小穩(wěn)定運行功率至額定功率之間長期運行對汽輪機的設(shè)備壽命無影響，如果發(fā)電機長時間在最小穩(wěn)定運行功率以下運行，將使汽輪機設(shè)備處于不利狀態(tài)的工作環(huán)境。為了避免對汽輪機造成損害，在發(fā)電機并網(wǎng)發(fā)電時，要求發(fā)電機在一定的時間內(nèi)將負荷從零升至最小穩(wěn)定負荷，以此來保證汽輪機的安全。該60 MW發(fā)電機組的最小穩(wěn)定負荷為20MW，從零升至最小穩(wěn)定負荷要求的時間約為4 h。

汽輪機組啟動負荷曲線圖分別見圖1、圖2、圖3和圖4。

圖1 汽機冷態(tài)啟動負荷曲線（汽缸及法蘭溫度＜=200℃）

圖2 汽機溫態(tài)負荷曲線（汽缸及法蘭溫度200～300℃）

圖3 汽機熱態(tài)啟動帶負荷時間表（汽缸及法蘭溫度300～400℃）

圖4 汽機熱態(tài)啟動帶負荷時間表（汽缸及法蘭溫度＞=400℃）

（2）離子膜槽的開車特性

離子膜電槽開車步驟鹽水升溫、循環(huán)堿液升溫→鹽水、循環(huán)堿液進槽→溢流→開啟極化電源→鹽水、循環(huán)堿液繼續(xù)升溫到規(guī)定值→具備搭電開車條件。

具備開車條件，聯(lián)系電氣操作人員，在3 min內(nèi)電流升至3 kA，退極化電源，繼續(xù)升電流到6 kA，此時工藝人員進行槽試驗、檢查。有無漏點、單片槽電壓、物料取樣分析、純度。此過程大概15～30 min，檢測完畢后，無異常，投入單槽相應(yīng)聯(lián)鎖信號，升電流開車，此后負荷升降具有一定彈性空間，單臺槽開車特性曲線圖見圖5。

因發(fā)電機并網(wǎng)發(fā)電特性曲線較為鋼性、變化不大，要匹配發(fā)電機、離子膜槽開車特性曲線，只能通過調(diào)整化工離子膜整流用電負荷組合來接近發(fā)電機開車特性曲線。發(fā)電機并網(wǎng)開車能否成功，關(guān)健是能否最大限度保證汽輪機安全運行的發(fā)電曲線 （發(fā)電機在規(guī)定的時間內(nèi)達到發(fā)電機最小穩(wěn)定負荷）。

圖5 單臺槽開車特性曲線圖

2 系統(tǒng)配置

某化工企業(yè)獨立電網(wǎng)配置2臺60 MW發(fā)電機組，額定電壓10 kV，經(jīng)升壓變?yōu)?5 kV電壓至獨立35 kV母線段。35 kV母線段通過電纜線路向16組離子膜電槽整流負荷供電（每8組離子膜整流負荷為一個化工系統(tǒng)）。發(fā)電機出口經(jīng)電抗器向機組部分自用負荷供電。

發(fā)電系統(tǒng)控制電源、重要設(shè)備電源均來自大電網(wǎng)系統(tǒng)，同時接入安保電源保證系統(tǒng)安全。

3 系統(tǒng)開停車操作

3.1 汽輪機組與整流負荷特性分析

離子膜整流負荷啟動變化曲線圖見圖6。

圖6 離子膜整流負荷啟動變化曲線圖

離子膜單臺負荷啟動與汽輪機組冷態(tài)負荷啟動曲線圖見圖7。

圖7 離子膜單臺負荷啟動與汽輪機組冷態(tài)負荷啟動曲線圖

以上兩個曲線可以看出，單臺電槽負荷曲線與汽輪機組冷態(tài)負荷曲線變化差異較大，在開車時，應(yīng)準備至少2臺電槽按時間差異進行開車操作，同時在1 h內(nèi)，另2臺電槽具備開車條件。

3.2 獨立電網(wǎng)運行前的準備工作

1＃發(fā)電機孤網(wǎng)啟動前運行方式，機組啟動電源由外供10 kV側(cè)電源提供，機組沖轉(zhuǎn)至3 000 r/min后解開1＃機并網(wǎng)信號、機組解列信號至1＃汽機DEH（數(shù)字電液調(diào)節(jié)）系統(tǒng)的接線。由1＃機帶35 kV獨立母線零起升壓至額定，檢查母線帶電正常、二次核相正確、同期電壓回路接線正確。35 kV獨立母線帶電正常后，依次投入整流負荷變壓器，對整流變壓器進行沖擊試驗，沖擊整流變壓器變壓器時應(yīng)監(jiān)測機組電流、電壓、功率顯示無異常且運行穩(wěn)定。

1＃汽機采用閥控控制方式，一次調(diào)頻由DEH系統(tǒng)完成，應(yīng)滿足以下條件。

（1）將差頻信號疊加在汽機調(diào)門的指令處，以保證一次調(diào)頻的響應(yīng)速度；

（2）各機組的的調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)有相同的不等率；

（3）調(diào)速系統(tǒng)的遲緩率應(yīng)小于0.1%；

（4）2＃號機組的啟動方式。

待2＃號機組空負荷試驗結(jié)束后，正常啟動沖轉(zhuǎn)至3 000 r/min經(jīng)并網(wǎng)開關(guān)與2＃機并列運行，采用負荷控制方式。整流負荷變動時1＃機保證系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定，由2#機調(diào)整負荷輸出。

3.3 系統(tǒng)的開車操作

（1）汽機沖轉(zhuǎn)至3 000 r/min運行正常，通知電氣人員對1#汽機勵磁升壓。

（2）合相應(yīng)開關(guān)，35 kV獨立母線段帶電。

（3）電槽崗位準備好后，將1#槽電流按照 3 kA/2 min速度生到3 kA，同時汽機主控按照1 350 kW/2 min速度發(fā)電負荷升到1 350 kW。

（4）將2#槽電流按照3kA/2min速度生到3 kA，同時通知汽機主控按照1 350 kW/2 min速度發(fā)電負荷升到2 700 kW。

（5）1#槽升電流，將1#槽電流按照0.5 kA/min速度升到6 kA，汽機主控按照450 kW/2 min速度發(fā)電負荷升到4 050 kW。

（6）2#槽升電流，將2#槽電流按照0.5 kA/min速度升到6 kA，同時通知汽機主控按照450 kW/2 min速度發(fā)電負荷升到5 400 kW。

（7）汽機在5 MW負荷下穩(wěn)定30 min后，將3#槽電流按照3 kA/2 min速度生到3 kA，同時汽機主控按照1350kW/2min速度發(fā)電負荷升到6750kW。

（8）將4#槽電流按照3kA/2min速度生到3 kA，汽機主控按照1 350 kW/2 min速度發(fā)電負荷升到8 100 kW。

（9）1#槽升電流，將1#槽電流按照0.5 kA/min速度升到8 kA，汽機主控按照450 kW/2 min速度發(fā)電負荷升到9 000 kW。

（10）2#槽升電流，將2#槽電流按照0.5 kA/min速度升到8 kA，汽機主控按照450 kW/2 min速度發(fā)電負荷升到9 900 kW。

（11）3#槽升電流，將3#槽電流按照0.5 kA/min速度升到6 kA，汽機主控按照450 kW/2 min速度發(fā)電負荷升到11 250 kW。

（12）4#槽升電流，將4#槽電流按照 0.5 kA/min速度升到6 kA，汽機主控按照450 kW/2 min速度發(fā)電負荷升到12 600 kW。

（13）將1#槽電流按照0.5 kA/min速度升到10 kA，汽機主控按照1 350 kW/2 min速度發(fā)電負荷升到13 500 kW。

（14）將2#槽電流按照0.5 kA/min速度升到10 kA，汽機主控按照1 350 kW/2 min速度發(fā)電負荷升到1 4 400 kW。

（15）3#槽升電流，將1#槽電流按照0.5 kA/min速度升到10 kA，汽機主控按照450 kW/2 min速度發(fā)電負荷升到16 200 kW。

（16）4#槽升電流，將4#槽電流按照0.5 kA/min速度升到10 kA，汽機主控按照450 kW/2 min速度發(fā)電負荷升到18 000 kW。

（17）逐步升負荷，將5#—8#電槽升電流，直到機組達到滿負荷。

（18）相同辦法對另一機組進行開車操作，開車時，汽機負荷及電槽電流示意圖見圖8。

圖8 開車時汽機負荷及電槽電流示意圖

3.4 系統(tǒng)的停車操作

按開車相反順序進行停車操作，當負荷低于某一值時，解除電槽與發(fā)電機組安全安所設(shè)置，防止誤動作。

4 1＃、2# 機組帶負荷試驗

4.1 超速試驗

在機組空負荷試驗結(jié)束后，根據(jù)汽機3 000 r/min暖機情況，如汽缸絕對膨脹達到試驗要求，則可以進行機械超速試驗；按規(guī)程要求需帶負荷暖機后進行超速試驗，聯(lián)系協(xié)調(diào)電槽崗位，進行超速試驗。

4.2 機組甩負荷試驗

在機組帶負荷后，根據(jù)機組負荷大小視情況進行50%及100%甩負荷試驗。試驗前應(yīng)與電槽崗位進行溝通，并做好事故預(yù)案。

5 整流負載與發(fā)電機組安全聯(lián)鎖裝置

在系統(tǒng)正常運行時，系統(tǒng)穩(wěn)定，當出現(xiàn)負載突變時，按情況分類，進行不同的安全設(shè)置。

（1）單臺或兩臺離子膜電槽跳閘。此種情況跳閘原因可分為工藝原因、電氣原因、其他故障。此時，發(fā)電機檢測電網(wǎng)頻率，通過二次調(diào)頻，保證系統(tǒng)穩(wěn)定。

（2）其中一組離子膜跳閘，此種情況跳閘原因基本上是發(fā)生系統(tǒng)故障，需要緊急聯(lián)鎖停車。此時1#、2#發(fā)電機組通過快關(guān)閥緊急降負荷，一次調(diào)頻、二次調(diào)頻同時動作，保證系統(tǒng)穩(wěn)定。汽輪機組蒸汽管道相應(yīng)閥門打開，向空排氣。

（3）兩組離子膜同時跳閘，聯(lián)鎖汽輪機組緊急停車。

（4）一臺發(fā)電機組跳閘，聯(lián)鎖停一組離子膜電槽。此時獨立電網(wǎng)由一臺發(fā)電機組向一組離子膜供電，保證系統(tǒng)穩(wěn)定。

（5）兩臺發(fā)電機組同時跳閘，聯(lián)鎖兩組離子膜電槽緊急停車。

6 其他安全裝置

（1）消弧線圈的設(shè)置。35 kV電網(wǎng)系統(tǒng)屬于小電流接地系統(tǒng)，發(fā)電機組和輸電和整流裝置配電均采用電纜配電， 接地電流超國標，采用消弧線圈自動跟蹤補償解決接地弧光短路故障。

分別在1#、2#升壓變中性點各安裝一條消弧線圈，2臺采用聯(lián)動補償，即其中一臺自動跟蹤補償（主），另一臺固定補償（輔）。兩臺裝置運行方式可互換。

（2）系統(tǒng)諧波問題。整流系統(tǒng)采用延邊三角形接線方式移相整流，單機組6脈波整流，組合48脈波整流，降低系統(tǒng)諧波分量。實際運行中若諧波超標，增設(shè)濾波裝置。運行后檢測，48脈波整流產(chǎn)生諧波滿足國標。

（3）控制電源。發(fā)電機組和電力設(shè)備控制電源通常采用直流控制，有效確保系統(tǒng)工作可靠性，在整流控制柜采用直流220 V控制，提高控制系統(tǒng)穩(wěn)定性。

（4）緊急停車。除了設(shè)置自動聯(lián)鎖停車，在中央控制室分別設(shè)置緊急停止按鈕，分別控制1組離子膜、2組離子膜、1#發(fā)電機組、2#發(fā)電機組，當遇到緊急情況或聯(lián)鎖裝置失效情況下，及時將系統(tǒng)停下，確保設(shè)備安全。

（5）事故應(yīng)急電源。獨立電網(wǎng)系統(tǒng)控制電源來自于大電網(wǎng)，同時再引入一路安保電源做備用電源，設(shè)置自動切換裝置，在系統(tǒng)失電情況下，保證設(shè)備安全。

7 結(jié)語

目前，在出現(xiàn)1組離子膜甩負荷或1臺發(fā)電機組故障停車時，系統(tǒng)安全聯(lián)鎖裝置能正確動作，發(fā)電機組能控制系統(tǒng)能及時準確調(diào)整，系統(tǒng)可以繼續(xù)穩(wěn)定運行。當出現(xiàn)2組離子膜同時甩負荷時，汽輪機組能安全準確停車，未出現(xiàn)飛車事故。當出現(xiàn)電氣故障時，保護能準確及時切斷故障。

獨立電網(wǎng)運行穩(wěn)定性和可靠性不如大電網(wǎng)，在今后的運行中，還需不斷總結(jié)，不斷完善，提高獨立電網(wǎng)運行穩(wěn)定性。