曹瑞峰

摘要：在缺少電網支撐的區(qū)域，石化工業(yè)園區(qū)的配套電站必須具備孤網運行的能力。由于石化工藝流程的停電損失特別巨大，孤網運行的策略應充分考慮石化工藝的負荷特性，設計完善的控制策略。本文以恒逸（文萊）項目為例，介紹了項目的配置方案，分析了孤網運行的問題，設計了以五道防線為基礎的控制策略。

關鍵詞：石化;孤網運行;五道防線

1.項目綜述

恒逸（文萊）石化工業(yè)園區(qū)二期工程規(guī)劃建設8臺670t/h 高溫超高壓循環(huán)流化床鍋爐，8臺100MW高溫超高壓雙抽凝式汽輪發(fā)電機組，發(fā)電機組并入內部220kV雙母線，為石化工藝供電。

文萊當?shù)仉娋W有3座發(fā)電廠，總容量約為400MW。當?shù)仉娋W運行不穩(wěn)定，有較多的停電事故。因此，該石化工業(yè)園區(qū)的供電依賴于配套電站的孤網運行，當?shù)仉娋W只能作為啟動電源。

2.問題分析

電網運行的三個主要技術指標為電壓、頻率和功角。在大電網中，由于單臺機組占電網總容量的比重比較小，機組甩負荷時不會影響大電網的正常運行。單一負荷占總負荷的比例比較小，負荷非常穩(wěn)定，不會對大電網造成大的影響。

而在本項目孤網運行中，由于缺少外部電網的支撐，發(fā)電機組數(shù)量較少，石化負荷對于供電供熱的可靠性要求很高，存在下列問題：

（1）孤網運行過程中，一旦電機出現(xiàn)問題，那么其他電機便會受到影響，進而影響電網運行的效果。

（2）一般發(fā)電機組數(shù)量需要與電網實際運行所需相匹配，一旦出現(xiàn)數(shù)量過少，其動能與熱能都會變小，進而也就對電網電壓造成影響。

（3）如果發(fā)電機個數(shù)較少，鍋爐和汽輪機的故障對孤網的供電供熱會產生重大影響。石化裝置對用電和用汽的要求都很高，一旦供電或者供汽中斷，都將造成重大損失。

（4）發(fā)電機組供電和供汽能力相互影響，存在耦合關系。

（5）當?shù)仉娋W是工業(yè)園的啟動電源。在啟動過程中，工業(yè)園并網運行。啟動完成之后，為了避免受到當?shù)仉娋W的影響，切換到孤網運行。

3.控制策略

根據(jù)并網機組的發(fā)電機組特性和石化負荷特性，如果出現(xiàn)一臺發(fā)電機組的故障，將會造成較大的供電和供熱缺額，將不得不切除部分石化負荷。能夠獨立切除的石化負荷較少，大部分的石化負荷之間存在密切的關聯(lián)性，重要的關聯(lián)性負荷一旦被切除，將會引起大量有工藝聯(lián)鎖關系的石化裝置相繼被切除，進而引起整個石化工業(yè)園停車，引發(fā)特別巨大的損失。

因此，我們認為石化工業(yè)園的一次系統(tǒng)顯然是不穩(wěn)定的，必須在二次系統(tǒng)中通過合理的解決辦法來控制孤網系統(tǒng)，進而保證其內部各個參數(shù)的穩(wěn)定性。

3.1常規(guī)電網的控制策略

根據(jù)電網運行相關規(guī)定可知，想要確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，就要做好電網工作的預防措施?；诖?，下文結合《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導則》規(guī)定并根據(jù)常規(guī)電網的控制建立了保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的三道防線，以此來保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

第一道：該防線主要是針對電網運行的正常狀態(tài)而設立的防線，其不僅能通過預防手段保障電網的安全，還能保障電網的穩(wěn)定運行。而且即便電網出現(xiàn)故障，也可以及時準確的處理和解決故障問題。

第二道：該防線主要是針對電網運行的緊急狀態(tài)而設立的防線，其通過對電網的運行情況和故障情況予以判斷，然后再按照預定策略采取局部解列的控制處理故障問我呢提，進而確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

第三道：該防線主要是針對極端緊急狀態(tài)下設立防線，其在電力系統(tǒng)出現(xiàn)異常問題的時候可以及時采取切機和解列等措施處理故障，進而防止系統(tǒng)崩潰。

3.2孤網的機網協(xié)調控制策略

在孤網中，除了常規(guī)的三道防線，還需要增加第四和第五道防線。

第四道防線，電網全部故障時，發(fā)電機組甩負荷帶廠用電。這是一種小概率的極端工況，即使電網崩潰，發(fā)電機組仍然自保安全。

第五道防線，在發(fā)電機廠用電全失時，由保安系統(tǒng)安全停機，避免設備損壞。

孤網的五道防線是一個有機的整體，能夠應對各種故障，保障孤網運行的安全和穩(wěn)定。機網協(xié)調是五道防線的重要組成部分，包括實時二次調頻、實時二次調壓、功角測量調平、特殊控制、低頻減載、負荷管理系統(tǒng)等功能。其可以根據(jù)電網系統(tǒng)內的相關關系對孤網電源和負荷發(fā)布指令并予以控制，進而保證孤網的正常運行。

3.3孤網的分散式保護策略

由于機網協(xié)調及其特殊控制是基于集中式智能設備，即使采取了高可靠性設計，也仍然會存在系統(tǒng)故障的可能性。其故障將造成孤網第一道防線和第二道防線的失效，此時就只能依靠第三道防線來保障孤網的穩(wěn)定了。

第三道防線是由機網協(xié)調之外的分散式低頻低壓減載功能、一次調頻功能、高頻切機功能構成的。其具體執(zhí)行設備是綜保裝置、調速系統(tǒng)、勵磁系統(tǒng)和發(fā)變組保護裝置。

3.4典型工況的控制策略

3.4.1 正常狀態(tài)（第一道防線）

正常狀態(tài)下，石化裝置用電量和用汽量比較穩(wěn)定，電源側與負荷側的設備正常運行，有功和無功需求波動小于孤網額定功率的2%。機網協(xié)調系統(tǒng)合理分配孤網的有功和無功負荷，需要注意的是，孤網頻率需<0.2Hz，電壓波動需<2%，進而保證負荷的平衡性。

鍋爐群供應的蒸汽是石化工業(yè)園的能量源，為了保持鍋爐蒸汽母管的壓力穩(wěn)定，要求鍋爐群具備母管壓力協(xié)調控制功能，由多臺鍋爐共同維持蒸汽母管壓力的穩(wěn)定。

3.4.2 小負荷沖擊（第一道防線）

對于小于孤網8%的額定功率的負荷沖擊，我們稱之為小負荷沖擊。機網協(xié)調系統(tǒng)能夠協(xié)調控制多種有功和無功調節(jié)手段，迅速恢復頻率和電壓的穩(wěn)定。

由于鍋爐變負荷速率較慢，在增加負荷時，有可能造成母管壓力的降低，此時必須切除部分電負荷。

需要注意的是，孤網頻率波動及電壓波動在小負荷沖擊下需要分別<0.5Hz和5%。

3.4.3 大負荷沖擊（三道防線）

大于8%的孤網額定功率的負荷沖擊，被定義為大負荷沖擊。

在負荷沖擊<25%的時候，機網協(xié)調可以通過聯(lián)切用電負荷和快關調門將孤網頻率和電壓波動控制在<1Hz和<10%的范圍。

在大負荷沖擊的條件下，除了通過第一道防線機網有功和無功的調動以外，還要通過第二道防線操控特殊控制功能的快關門和切負荷的操作。另外，如果特殊控制功能出現(xiàn)故障，那么就要利用第三道防線對分散式保護裝置予以保護。但由于分散式保護裝置多是根據(jù)頻率和電壓進行相關動作的，所以其與特殊控制相比是存在較大動態(tài)偏差。

大負荷沖擊，有鍋爐跳閘、汽輪發(fā)電機組跳閘、大規(guī)模負荷跳閘三種典型工況。

3.4.3.1鍋爐跳閘

本項目配置了循環(huán)流化床機組，鍋爐跳閘的情況是風機全停，鍋爐會在2～5分鐘內快速失去其蒸發(fā)量。按照最嚴重的情況來估算，單臺鍋爐故障時，在2分鐘左右損失幾乎全部的新蒸汽。即使其它七臺鍋爐還有備用，受限于鍋爐的增負荷速度，在2分鐘之后，七臺670t/h的鍋爐只能夠利用鍋爐蓄熱增加5%的蒸發(fā)量，即增加234t/h的蒸汽。仍然還有很大的新蒸汽缺口，必然會造成原動機功率不足，引發(fā)頻率下滑。同時，供汽量不足，蒸汽母管的壓力也會下滑。

3.4.3.2 汽輪發(fā)電機組跳閘

在單臺汽輪發(fā)電機組跳閘之后，孤網將失去一臺機組的發(fā)電量和抽汽量。孤網頻率和供熱母管的壓力會快速下滑，在此過程中，汽輪機調速系統(tǒng)將快速開大主汽調門，實時二次調頻系統(tǒng)控制多臺發(fā)電機組的共同增加有功出力，由于主蒸汽母管的供汽量充足，孤網頻率能夠在20秒左右迅速恢復到50Hz。供汽母管管理系統(tǒng)會調整多臺汽輪機的抽汽量，恢復供熱母管的壓力。

3.4.3.3大規(guī)模負荷跳閘

由于區(qū)域變故障或生產線的聯(lián)鎖停車，會造成孤網內的用電量和用汽量的大幅度減少，造成孤網頻率和供汽母管壓力的快速上升。

在此過程中，汽輪機調速系統(tǒng)快速關小主汽調門，實時二次調頻系統(tǒng)控制多臺發(fā)電機組共同減少有功負荷，孤網頻率能夠在20秒左右恢復到50Hz。供汽母管管理系統(tǒng)會減少多臺汽輪機的抽汽量，恢復供熱母管的壓力。母管協(xié)調控制系統(tǒng)會降低多臺鍋爐的燃燒率，恢復主蒸汽母管壓力。

3.4.4 母線崩潰（第四道防線）

母線一旦出現(xiàn)故障，不僅所有負荷失電，而且機組也會脫網。

為了保障安全，負荷側應配置保安電源。電源側應維持各臺發(fā)電機組甩負荷帶廠用電，即FCB功能，防止全廠停電，有利于孤網系統(tǒng)的快速恢復。

FCB功能要求在100%負荷狀態(tài)下，甩負荷帶廠用電，轉速維持在+200，-50rpm以內，發(fā)電機出口電壓和鍋爐主汽壓力穩(wěn)定。

3.4.5 并網時外網故障

石化工業(yè)園啟動過程中，依賴于外網的啟動電源，與外網處于并網狀態(tài)。在此情況下，如果出現(xiàn)外網故障，解列保護裝置應及時分斷并網開關，由機網協(xié)調系統(tǒng)快速平衡孤網，避免孤網失穩(wěn)。機網協(xié)調根據(jù)事故前外網的運行方式及聯(lián)絡線送電斷面的潮流大小，向機組側發(fā)送實時二次調頻和實時二次調壓指令，合理分配每臺機組的有功和無功出力，控制電網頻率、電壓和鍋爐主汽壓力等主要參數(shù)快速穩(wěn)定，恢復孤網的穩(wěn)定。

4.結語

中國的工業(yè)化，為中國的工業(yè)技術提供了廣闊的舞臺，以五道防線為基礎的孤網運行技術，正是在這個過程中發(fā)展壯大，目前處于世界先進水平。伴隨著一路一帶的建設，中國的水泥、冶煉、石化、鋼鐵等大工業(yè)將越來越多地向外溢出，我們應充分考慮大工業(yè)的負荷特性，設計完善的控制策略，為中國的大工業(yè)走向世界提供堅實的技術支持。

參考文獻

[1]鄧少平.冶金發(fā)電廠孤網控制系統(tǒng)設計研究[J]. 電力勘測設計. 2018（01）

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