楊志軍

山西兆豐鋁電有限責(zé)任公司,山西 陽(yáng)泉 045200

1 基本情況簡(jiǎn)介

某鋁電集團(tuán)下設(shè)自備電廠和鋁廠，電廠裝機(jī)容量為3×135 MW超高壓?jiǎn)纬槟狡啺l(fā)電機(jī)組，配3×480 t/h循環(huán)流化床鍋爐，總裝機(jī)容量為405 MW。鋁廠共有 156 臺(tái)300 kA 系列電解槽，電解系列最高瞬時(shí)負(fù)荷可達(dá)到 211.5 MW，廠用電負(fù)荷為 6000 kW，計(jì)入廠用電負(fù)荷最高瞬時(shí)負(fù)荷為 217.5 MW。 電廠到鋁廠共有兩條220 kV線路。

2 孤網(wǎng)運(yùn)行的技術(shù)條件

2.1 電氣配置網(wǎng)架系統(tǒng)分析

在電網(wǎng)中單機(jī)容量占電網(wǎng)總?cè)萘康谋壤叫?，?dāng)單機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)對(duì)電網(wǎng)的影響也就越小。根據(jù)《電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》（DL/T5429—2009）第5.2.3條款相關(guān)規(guī)定，系統(tǒng)的總備用容量可按照系統(tǒng)最大發(fā)電負(fù)荷的15%～20%考慮，低值適用于大系統(tǒng)，高值適用于小系統(tǒng)，并滿(mǎn)足：（1）負(fù)荷備用為2%～5%；（2）事故備用為8%～10%，但不小于系統(tǒng)一臺(tái)最大的單機(jī)容量；（3）檢修備用應(yīng)按有關(guān)規(guī)程要求及系統(tǒng)情況確定，不應(yīng)低于5%。

根據(jù)上述規(guī)定，發(fā)電廠的機(jī)組容量除應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)規(guī)劃容量、負(fù)荷增長(zhǎng)速度和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)等因素進(jìn)行選擇，最大機(jī)組容量以占系統(tǒng)總?cè)萘康?%～10%為宜。如果以自備電廠3×135 MW機(jī)組作為電源，鋁廠變電所及其用電負(fù)荷作為用戶(hù)構(gòu)成一個(gè)孤立的電網(wǎng)來(lái)運(yùn)行，假設(shè)所有設(shè)備均不發(fā)生任何故障，保證可以安全可靠地穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，其發(fā)電、用電負(fù)荷達(dá)到穩(wěn)態(tài)平衡是可以實(shí)現(xiàn)的。一旦3×135 MW發(fā)電系統(tǒng)和鋁廠變電站供配電系統(tǒng)中任何一個(gè)元件發(fā)生故障，（由于其單元件供配電負(fù)荷占比較大，約占整個(gè)系統(tǒng)負(fù)荷的35%以上，即便網(wǎng)內(nèi)其他所有負(fù)荷及發(fā)電設(shè)備均正常且有完善的自動(dòng)控制系統(tǒng)，一旦該系統(tǒng)內(nèi)某一機(jī)組或某條220 kV出線，或某組電解槽系統(tǒng)出現(xiàn)任何故障跳閘或振蕩，造成穩(wěn)定破壞）都有可能拉垮整個(gè)內(nèi)網(wǎng)，其暫態(tài)調(diào)整不能保證能夠過(guò)渡到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。一旦在時(shí)間和負(fù)荷上調(diào)節(jié)不過(guò)來(lái)，主保護(hù)拒動(dòng)，將會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)失電[1]。孤網(wǎng)運(yùn)行之后的短路容量與并網(wǎng)情況差異很大，如果不重新整定電氣保護(hù)定值，將會(huì)造成保護(hù)拒動(dòng)或者延時(shí)動(dòng)作，造成故障穿越，引起全網(wǎng)失電。

為了解決上述問(wèn)題，應(yīng)加強(qiáng)主保護(hù)配置，最好采用雙重化配置。加強(qiáng)后備保護(hù)，提高系統(tǒng)的電源適應(yīng)性，盡量做到主保護(hù)拒動(dòng)，后備保護(hù)正確動(dòng)作，仍然能夠避免全網(wǎng)失電。根據(jù)孤網(wǎng)運(yùn)行特點(diǎn)，重新整定電氣保護(hù)定值，提高整定的精度，適應(yīng)區(qū)域電網(wǎng)需求。實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組的FCB功能，在區(qū)域電網(wǎng)故障條件時(shí)，自帶廠用電運(yùn)行，避免區(qū)域電網(wǎng)全失電。

2.2 電廠機(jī)組設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行分析

通過(guò)多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)可知，正常情況下，自備電廠發(fā)電機(jī)組年非計(jì)劃停機(jī)的平均次數(shù)為1.9次/年，其中1.5次為鍋爐非停，0.4次為汽輪發(fā)電機(jī)組的非停。對(duì)于三臺(tái)機(jī)組，每年鍋爐非停會(huì)有4.5次，汽輪發(fā)電機(jī)組的非停會(huì)有1.2次。

電廠鍋爐為循環(huán)流化床鍋爐，響應(yīng)速度滯后，鍋爐的冷態(tài)啟動(dòng)至少需要12 h才能并網(wǎng)發(fā)電，達(dá)到滿(mǎn)負(fù)荷至少還需要10 h，鍋爐非停的影響較為緩慢，一般在2～5 min內(nèi)失去蒸汽蒸發(fā)量，造成相應(yīng)的發(fā)電機(jī)組降出力。在此期間內(nèi)，其他發(fā)電機(jī)組升負(fù)荷量有限，而且受到最大蒸發(fā)量的限制。因此鍋爐非停必然會(huì)造成原動(dòng)機(jī)出力不足，如果不采取措施，將會(huì)導(dǎo)致區(qū)域電網(wǎng)的頻率崩潰。

鍋爐非停之后，應(yīng)該采取的措施有三個(gè)：一是通過(guò)有功負(fù)荷分配，快速增加其他發(fā)電機(jī)組的原動(dòng)機(jī)出力，同時(shí)避免單臺(tái)機(jī)組超負(fù)荷；二是根據(jù)蒸發(fā)量的變化，切除相應(yīng)容量的下游負(fù)荷，稱(chēng)之為穩(wěn)控系統(tǒng)；與低頻減載不同，穩(wěn)控系統(tǒng)是根據(jù)故障情況，快速精確切除，在故障處理過(guò)程中，頻率波動(dòng)范圍較小。根據(jù)頻率的變化，切除相應(yīng)的下游負(fù)荷，稱(chēng)之為低頻減載。

為了應(yīng)對(duì)發(fā)電機(jī)組的非計(jì)劃停機(jī)，通過(guò)機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)來(lái)快速調(diào)整其他發(fā)電機(jī)組的出力，通過(guò)穩(wěn)控系統(tǒng)來(lái)快速精確切除下游負(fù)荷，低頻減載作為后備保護(hù)。完成改造之后，發(fā)電機(jī)組的非計(jì)劃停機(jī)不會(huì)造成區(qū)域電網(wǎng)全停。在可控硅整流技術(shù)成熟之后，可以考慮某一條電解系列改造為可控硅，可控硅整流能夠通過(guò)快速降系列電流來(lái)代替切除整流變。

2.3 鋁廠負(fù)荷對(duì)供配電系統(tǒng)影響的分析

自備電廠自投運(yùn)以來(lái)，一直存在因鋁廠效應(yīng)問(wèn)題引起機(jī)組有功出力波動(dòng)情況，次數(shù)頻繁，波動(dòng)范圍為正負(fù)20%，最大能達(dá)到160 MW，且沒(méi)有規(guī)律。目前沒(méi)有出現(xiàn)機(jī)組故障是因?yàn)闄C(jī)組和電網(wǎng)連接，陽(yáng)極效應(yīng)產(chǎn)生的波動(dòng)能夠在短時(shí)間內(nèi)被電網(wǎng)吸收，如果采取孤網(wǎng)運(yùn)行方式，該波動(dòng)需要機(jī)組全部承擔(dān)，必然會(huì)發(fā)生電網(wǎng)受波動(dòng)。

電解鋁對(duì)負(fù)荷要求高。目前國(guó)內(nèi)已采用孤網(wǎng)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)為多個(gè)產(chǎn)業(yè)企業(yè)互聯(lián)方式，尚無(wú)獨(dú)立對(duì)電解鋁供電的案例。在多個(gè)企業(yè)互聯(lián)方式孤立運(yùn)行的電網(wǎng)故障情況下，通過(guò)低頻減載設(shè)備迅速甩減負(fù)荷。目前電解鋁故障停電保溫運(yùn)行方式冬季只能維持3 h，超過(guò)3 h會(huì)發(fā)生事故，造成設(shè)備損壞。

電解鋁廠目前負(fù)荷極不穩(wěn)定，鋁廠設(shè)備也不夠穩(wěn)定，據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅2017年鋁廠瞬間全部甩負(fù)荷多次，鋁廠一旦發(fā)生全甩負(fù)荷，電廠必須立即降負(fù)荷運(yùn)行至帶廠用電運(yùn)行甚至停機(jī)，鍋爐超壓、超溫對(duì)機(jī)組造成很大影響，可能導(dǎo)致事故。同時(shí)，機(jī)組故障后機(jī)組帶負(fù)荷慢，不能迅速滿(mǎn)足鋁廠需求，如果造成停機(jī)，事故應(yīng)急處理不及預(yù)期，會(huì)造成較大的事故，存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

鋁廠的生產(chǎn)均采用二極管整流，負(fù)荷難以靈活切除，當(dāng)切除一臺(tái)整流變時(shí)，其他整流機(jī)組會(huì)分擔(dān)其電流，再切除一臺(tái)整流變時(shí)，剩下整流機(jī)組會(huì)因過(guò)流而跳閘，造成整個(gè)生產(chǎn)系列停運(yùn)[2]。一般情況下，二極管整流機(jī)組，只能實(shí)現(xiàn)兩檔減負(fù)荷，即減10%或者減100%的電解系列負(fù)荷。用電負(fù)荷不能靈活切除，對(duì)于電解鋁區(qū)域電網(wǎng)的安全穩(wěn)定造成了重大影響。

電解鋁生產(chǎn)中，正常運(yùn)行時(shí)負(fù)荷平穩(wěn)，即使在陽(yáng)極效應(yīng)下，陽(yáng)極效應(yīng)產(chǎn)生的負(fù)荷沖擊一般不超過(guò)滿(mǎn)負(fù)荷的3%～5%。某些電解鋁生產(chǎn)系列運(yùn)行不太穩(wěn)定，陽(yáng)極效應(yīng)產(chǎn)生的負(fù)荷沖擊可能達(dá)到10%。

一般情況下，汽輪發(fā)電機(jī)組的瞬時(shí)變負(fù)荷能力為5%左右，即5%左右的負(fù)荷沖擊，將造成汽輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速波動(dòng)達(dá)到30 rpm。循環(huán)流化床機(jī)組的變負(fù)荷能力一般小于2%。因此，發(fā)電機(jī)組的變負(fù)荷能力不能滿(mǎn)足電解鋁生產(chǎn)系列的變負(fù)荷要求。

可行的解決方案是提高汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的性能，合理配置汽機(jī)旁路或者鍋爐PCV閥，提高勵(lì)磁系統(tǒng)的性能，使得單臺(tái)發(fā)電機(jī)組能夠?qū)崿F(xiàn)瞬時(shí)增加10%負(fù)荷或者甩全部負(fù)荷的能力。即，在增加10%負(fù)荷時(shí)，系統(tǒng)頻率波動(dòng)小于0.5 Hz，電壓波動(dòng)小于5%。在甩全部負(fù)荷帶廠用電時(shí)，系統(tǒng)頻率的最大偏差小于3 Hz，電壓波動(dòng)小于10%，發(fā)電機(jī)組能夠維持廠用電，不造成停電。

在此基礎(chǔ)上，對(duì)于多臺(tái)機(jī)組增加實(shí)時(shí)二次調(diào)頻，快速分配有功負(fù)荷，自動(dòng)維持頻率在50 Hz；增加實(shí)時(shí)二次調(diào)壓，快速分配無(wú)功負(fù)荷，自動(dòng)穩(wěn)定母線電壓；增加功角調(diào)平功能，提高機(jī)組在大負(fù)荷沖擊下暫態(tài)穩(wěn)定性能。這樣使得多臺(tái)發(fā)電機(jī)組組成的區(qū)域電網(wǎng)，能夠承受±10%的負(fù)荷波動(dòng)，頻率波動(dòng)小于0.5 Hz，電壓波動(dòng)小于5%；即使出現(xiàn)30%以上的甩負(fù)荷沖擊，頻率波動(dòng)仍然小于1 Hz，電壓波動(dòng)小于10%。實(shí)時(shí)二次調(diào)頻、實(shí)時(shí)二次調(diào)壓、功角調(diào)平功能是機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)的一部分。

上述的技術(shù)措施能夠機(jī)組性能，增加機(jī)組之間的協(xié)調(diào)分配能力，將發(fā)電機(jī)組負(fù)荷適應(yīng)能力最大化。

2.4 自建黑啟動(dòng)電源防止電網(wǎng)整體斷電

在孤網(wǎng)運(yùn)行條件下，如果FCB失敗，區(qū)域電網(wǎng)將全網(wǎng)斷電。根據(jù)供電可靠性的計(jì)算，區(qū)域電網(wǎng)全部斷電的概率約為0.17%。但是由于原系統(tǒng)并非按照區(qū)域電網(wǎng)要求來(lái)設(shè)計(jì)建設(shè)，存在大量的公用系統(tǒng)，可能引起共性故障，也可能導(dǎo)致區(qū)域電網(wǎng)整體斷電。因此，建議增設(shè)黑啟動(dòng)相關(guān)配套裝置。

常規(guī)的黑啟動(dòng)措施是柴油機(jī)，按照單臺(tái)135 MW機(jī)組12.96 MW的廠用電要求，應(yīng)配置12～13 MW的柴油機(jī)。配置柴油機(jī)之后，必須進(jìn)行定期維護(hù)和啟動(dòng)試驗(yàn)。在實(shí)際運(yùn)行中，用到柴油機(jī)的概率并不高，這是為了安全性而不得不采取的技術(shù)手段。

3 結(jié)論

目前，在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有純電解鋁負(fù)荷的孤網(wǎng)運(yùn)行電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，孤網(wǎng)運(yùn)行的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)要考慮效益性和安全性，通行的做法是一級(jí)負(fù)荷和二級(jí)負(fù)荷要搭配，在電廠某臺(tái)組出現(xiàn)故障的情況下，迅速切除二級(jí)負(fù)荷，來(lái)保障一級(jí)負(fù)荷的用電需求，從而實(shí)現(xiàn)一級(jí)負(fù)荷的穩(wěn)定并兼顧效益的最大化?，F(xiàn)有電廠和電解鋁實(shí)現(xiàn)孤網(wǎng)運(yùn)行較為科學(xué)的方式為四臺(tái)135 MW機(jī)組，同時(shí)再匹配至少100 MW的二類(lèi)負(fù)荷，才具備區(qū)域電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行的最低條件。