邱曉娜

摘 要：某鋼鐵廠余熱廢氣回收發(fā)電二期項(xiàng)目在初設(shè)階段發(fā)現(xiàn)并網(wǎng)路徑長(zhǎng)，施工難度大，并網(wǎng)后產(chǎn)生大量的并網(wǎng)過(guò)網(wǎng)費(fèi)。因此該項(xiàng)目采用孤網(wǎng)運(yùn)行方式，孤網(wǎng)運(yùn)行帶來(lái)一系列問(wèn)題如何解決在本文中詳細(xì)描述。

關(guān)鍵詞：孤網(wǎng)運(yùn)行，鋼鐵余熱廢氣，勵(lì)磁方式，負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置

引言

邢臺(tái)德龍二期余熱發(fā)電項(xiàng)目原設(shè)計(jì)方案為發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行，施工圖前期業(yè)主提出并網(wǎng)手續(xù)辦理困難，并網(wǎng)電纜較長(zhǎng)，電纜敷設(shè)難度大，后向我司提出希望讓該項(xiàng)目孤網(wǎng)運(yùn)行。在2013年2月陪同業(yè)主對(duì)沁源沁新熱電、靈石、河北敬業(yè)集團(tuán)等多個(gè)孤網(wǎng)運(yùn)行廠家實(shí)地考察后，提出該發(fā)電廠孤網(wǎng)運(yùn)行切實(shí)方案并且實(shí)施。該項(xiàng)目業(yè)主在2014年4月已經(jīng)開(kāi)始發(fā)電，目前運(yùn)行良好。

一、項(xiàng)目概況

德龍公司是一家集燒結(jié)、煉鐵、煉鋼、軋材為一體的大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)?，F(xiàn)有1080立方米高爐三座，132m2、156m2燒結(jié)機(jī)各一座，120噸頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐兩座與其配套LF精煉爐和兩機(jī)兩流板坯連鑄機(jī)，850mm、1250mm軋機(jī)生產(chǎn)線各一條，工藝裝備具同行業(yè)先進(jìn)水平。鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生大量的煤氣，為了合理回收利用高爐煤氣及燒結(jié)余熱資源，公司配套擴(kuò)建原余熱發(fā)電項(xiàng)目，建設(shè)德龍二期余熱發(fā)電項(xiàng)目，裝機(jī)容量為20MW，所發(fā)電量供鋼廠自用。

余熱電站與并網(wǎng)變電站距離約900m，該項(xiàng)目原計(jì)劃利用一期項(xiàng)目的并網(wǎng)路徑并網(wǎng)至鋼廠110kV總變電站的10kV母線段。后鑒于以下原因：一、并網(wǎng)電纜較多；二、并網(wǎng)路徑遠(yuǎn)，原電纜通道上再次敷設(shè)電困難；三、并網(wǎng)手續(xù)難以辦理，即便辦理通過(guò)后，需給當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)繳納一定量的過(guò)網(wǎng)費(fèi)。后業(yè)主提出本工程20MW汽輪發(fā)電機(jī)組孤網(wǎng)運(yùn)行的思路，希望我設(shè)計(jì)院能在原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行最經(jīng)濟(jì)的改造，達(dá)到該汽輪發(fā)電機(jī)組能孤網(wǎng)運(yùn)行的要求。

二、孤網(wǎng)特點(diǎn)

孤網(wǎng)一般指脫離大電網(wǎng)的小容量電網(wǎng)，是孤立電網(wǎng)。電力建設(shè)規(guī)程曾有規(guī)定，電網(wǎng)中單機(jī)容量為電網(wǎng)總?cè)萘康?%，以保證當(dāng)該機(jī)發(fā)生甩負(fù)荷時(shí)，不影響電網(wǎng)的正常運(yùn)行。電網(wǎng)中的各機(jī)組，一般都有10%—15%的過(guò)載余量，如果電網(wǎng)中的機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)都正常投入，一旦某機(jī)組發(fā)生甩負(fù)荷，則電網(wǎng)所失去的功率可以暫時(shí)由網(wǎng)中其他機(jī)組過(guò)載余量負(fù)擔(dān)，對(duì)供電質(zhì)量的影響仍在運(yùn)行規(guī)程規(guī)定的范圍內(nèi)。

孤網(wǎng)可分為以下幾種情況：網(wǎng)中有幾臺(tái)機(jī)組并列運(yùn)行，單機(jī)與電網(wǎng)容量之比超過(guò)8%，稱(chēng)為小網(wǎng)。網(wǎng)中只有一臺(tái)機(jī)組供電，稱(chēng)為單機(jī)帶負(fù)荷孤網(wǎng)。甩負(fù)荷帶廠用電，也稱(chēng)為孤島運(yùn)行工況，是單機(jī)帶負(fù)荷的一種特例。

孤網(wǎng)電廠運(yùn)行方式由常規(guī)并網(wǎng)發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷控制轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷骸㈩l率控制。提出合理的孤網(wǎng)控制策略，使得負(fù)荷、電壓、頻率及發(fā)電機(jī)組協(xié)調(diào)運(yùn)行，是孤網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。

（1）發(fā)電機(jī)的出力必須隨時(shí)跟隨負(fù)載功率的變化而變化，才能維持供電頻率穩(wěn)定，當(dāng)功率和負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)，會(huì)引起孤網(wǎng)頻率變化，所以發(fā)電機(jī)組采用頻率控制，并要求汽輪機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)具有更高的靈敏度，更小的遲緩率，更快的動(dòng)響應(yīng)和良好的穩(wěn)定特性，以保證在外界負(fù)荷變化的情況下自動(dòng)保持頻率的相對(duì)穩(wěn)定。即維持發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速在3000r/min 附近。

（2）孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，大型用電設(shè)備應(yīng)使用軟起裝置或變頻器以降低啟動(dòng)電流，減少對(duì)發(fā)電機(jī)的影響。當(dāng)設(shè)備采用直接啟動(dòng)方式時(shí)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)其容量盡量不要高于機(jī)組額定容量的10%。

（3）孤網(wǎng)運(yùn)行電壓僅靠發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)，根據(jù)負(fù)荷端對(duì)電能質(zhì)量的要求、電壓穩(wěn)定的要求， 發(fā)電機(jī)的端電壓應(yīng)基本保持不變。對(duì)發(fā)電機(jī)配套勵(lì)磁系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度要求快。

三、有關(guān)孤網(wǎng)設(shè)計(jì)的應(yīng)對(duì)措施

通過(guò)考察部分孤網(wǎng)運(yùn)行電站及分析孤網(wǎng)電站運(yùn)行的特點(diǎn)，我們對(duì)德龍余熱發(fā)電二期項(xiàng)目整體方案做了以下調(diào)整：

1、廠用電電源設(shè)計(jì)

根據(jù)負(fù)荷情況，本工程發(fā)電機(jī)出口電壓等級(jí)采用10kV；高壓廠用電系統(tǒng)采用6kV（由于廠內(nèi)最大變電站低壓側(cè)電壓等級(jí)為6kV），高壓廠用電由鄰近一期并網(wǎng)發(fā)電工程6kV母線引接，即本工程的廠用電系統(tǒng)與發(fā)電機(jī)系統(tǒng)之間沒(méi)有電氣連接。業(yè)主提供的備用廠用電源，正常運(yùn)行電源故障時(shí)自動(dòng)切換至電網(wǎng)電源。據(jù)調(diào)查，德龍一期在2012年運(yùn)行至今比較平穩(wěn)，沒(méi)有發(fā)生過(guò)故障停機(jī)情況，廠用電系統(tǒng)比較安全可靠。

2、孤網(wǎng)所帶負(fù)荷選擇

鋼廠內(nèi)用電負(fù)荷梳理后業(yè)主提出孤網(wǎng)運(yùn)行所帶負(fù)荷有三處：燒結(jié)配電室電負(fù)荷總?cè)萘考s為12000kW；豎爐配電室電負(fù)荷總?cè)萘考s為45000kW及除塵風(fēng)機(jī)容量約2570kW。其中最大直啟動(dòng)電機(jī)為1000kW，滿足“孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)當(dāng)設(shè)備采用直接啟動(dòng)方式時(shí)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)其容量盡量不要高于機(jī)組額定容量的10%”

考察到山西沁新熱電廠采時(shí)，該電廠孤網(wǎng)運(yùn)行采用了某公司的兩項(xiàng)專(zhuān)利技術(shù)：電力負(fù)荷調(diào)節(jié)系統(tǒng)及方法（發(fā)明專(zhuān)利號(hào)：200640065761.0）；電力負(fù)荷調(diào)節(jié)裝置（實(shí)用新型專(zhuān)利號(hào)：200620008044.X）孤網(wǎng)運(yùn)行。并且電能質(zhì)量各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)用電要求。經(jīng)濟(jì)方案比較后業(yè)主決定采用該裝置調(diào)節(jié)本項(xiàng)目用電負(fù)荷。該裝置在檢測(cè)到10kV母線電壓波動(dòng)時(shí)，能夠快速響應(yīng)，自動(dòng)投入或者切除，其負(fù)荷特性屬于電阻性負(fù)載。

3、增加DEH孤網(wǎng)專(zhuān)用模塊

DEH （汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)）主要任務(wù)是調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速、功率使其滿足電網(wǎng)要求。該系統(tǒng)具有超速保護(hù)功能OPC ，當(dāng)汽輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速升到103%額定轉(zhuǎn)速時(shí)，通過(guò)快速關(guān)閉調(diào)節(jié)氣閥，使機(jī)組維持在額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，避免轉(zhuǎn)速升高過(guò)快而停機(jī)。孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)的高頻切機(jī)可與汽輪機(jī)OPC 協(xié)調(diào)配合控制發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速過(guò)高，從而控制孤網(wǎng)的頻率過(guò)高。

該專(zhuān)用系統(tǒng)通過(guò)發(fā)電機(jī)組上安裝的轉(zhuǎn)速反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)，即可自動(dòng)根據(jù)實(shí)際轉(zhuǎn)速偏離額定值的程度來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)組生產(chǎn)的有功功率。此轉(zhuǎn)速反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)（即一次調(diào)頻）要求采用比例調(diào)節(jié)方式，且比例系數(shù)基本相等。比例調(diào)節(jié)使轉(zhuǎn)速是有差的。通過(guò)電網(wǎng)中調(diào)的積分調(diào)節(jié)作用，改變調(diào)頻機(jī)組的功率，使供電頻率回到額定值（即二次調(diào)頻）?？s短DEH運(yùn)行時(shí)間，增加轉(zhuǎn)速微分修正，修改超速限制等功能來(lái)更適用于孤網(wǎng)系統(tǒng)。

4、變更發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)

由于原訂貨發(fā)電機(jī)配套勵(lì)磁系統(tǒng)為無(wú)刷勵(lì)磁，現(xiàn)根據(jù)孤網(wǎng)對(duì)勵(lì)磁的響應(yīng)速度調(diào)整為靜止可控硅勵(lì)磁系統(tǒng)。

（1）靜止可控硅勵(lì)磁

可控硅靜止勵(lì)磁系統(tǒng)是發(fā)電機(jī)無(wú)需自身帶勵(lì)磁機(jī)，勵(lì)磁電源從機(jī)端或者廠用電供給，由可控硅直接整流控制，供給轉(zhuǎn)子線圈，這時(shí)必須由碳刷換向才能通入轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子線圈，生磁場(chǎng)切割定子線圈。它所具有以下特點(diǎn)：

1）有碳刷滑環(huán)，但勵(lì)磁響應(yīng)速度快。勵(lì)磁電壓響應(yīng)時(shí)間在0.08s以下。

2）優(yōu)點(diǎn)是發(fā)電機(jī)與勵(lì)磁系統(tǒng)界限明顯，相對(duì)獨(dú)立，直觀明了，而且轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流、勵(lì)磁電壓容易取得，數(shù)值準(zhǔn)確，檢修方便。

3）由于電刷存在磨損，運(yùn)行人員要經(jīng)常巡視、更換電刷。電刷與滑環(huán)接觸易產(chǎn)生環(huán)火和大量發(fā)熱（不易安裝于防爆，防火的地方）。

4）縮短了軸系長(zhǎng)度，可減小廠房和基礎(chǔ)的造價(jià)，調(diào)整容易，故障后維修時(shí)間短，因而可以提高發(fā)電效益。

5）滅磁方式有多種，一般采用直流滅磁開(kāi)關(guān)滅磁，時(shí)間控制不大于40ms。

（2）無(wú)刷勵(lì)磁

機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)是由發(fā)電機(jī)和與發(fā)電機(jī)同軸連接的勵(lì)磁發(fā)電機(jī)組成。這種勵(lì)磁發(fā)電機(jī)不同于和發(fā)電機(jī)同軸的直流發(fā)電機(jī)，這種勵(lì)磁發(fā)電機(jī)實(shí)質(zhì)是交流發(fā)電機(jī)，它所產(chǎn)生三相交流電通過(guò)連接在其軸上的旋轉(zhuǎn)整流器進(jìn)行整流，輸出的直流電直接接在轉(zhuǎn)子的繞組上，用來(lái)產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)。有交流勵(lì)磁機(jī)和旋轉(zhuǎn)硅整流，但無(wú)碳刷，動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢。加上勵(lì)磁機(jī)的時(shí)間常數(shù)，勵(lì)磁電壓響應(yīng)時(shí)間在1S以上。

鑒于孤網(wǎng)運(yùn)行電壓僅靠發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)，因此對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)的響應(yīng)速度要求高，因此本工程發(fā)電機(jī)采用靜止可控硅勵(lì)磁系統(tǒng)。

四、結(jié)論

本工程按照上述原則設(shè)計(jì)方案進(jìn)行調(diào)整以后，經(jīng)過(guò)業(yè)主的確認(rèn)后進(jìn)行工程實(shí)施，該電站在2014年4月投產(chǎn)，投產(chǎn)至今運(yùn)行良好，是孤網(wǎng)運(yùn)行的一個(gè)很好的范例。

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