水泥生產(chǎn)線中的自備燃煤電廠

王獻(xiàn)煒，尹文杰

1 概述

2 孤島燃煤電廠的要求和特點(diǎn)

水泥廠自用“孤島”燃煤電廠應(yīng)滿足以下幾個(gè)要求：

（1）滿足水泥生產(chǎn)線的負(fù)荷運(yùn)行要求；

（2）滿足水泥生產(chǎn)線大型電動(dòng)機(jī)起動(dòng)沖擊負(fù)荷要求；

（3）滿足穩(wěn)定、連續(xù)、可靠的要求；

（4）滿足水泥廠生產(chǎn)調(diào)度所需負(fù)荷變化的要求；

（5）滿足經(jīng)濟(jì)性要求。

由于“孤島”運(yùn)行電廠不同外部電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，其特點(diǎn)如下：

貴陽(yáng)市開磷集團(tuán)依托開陽(yáng)和息烽豐富的磷礦資源優(yōu)勢(shì)，在開陽(yáng)和息烽的大中型磷礦重點(diǎn)推廣磷石膏制成混凝土回填采礦坑道技術(shù)，在磷化工企業(yè)重點(diǎn)推廣新型石膏磚生產(chǎn)工藝，已形成400萬(wàn)噸/年改性磷石膏混凝土回填采礦坑道能力，年利用磷石膏280萬(wàn)噸以上。

（1）孤立承擔(dān)供電風(fēng)險(xiǎn)；

（2）發(fā)電機(jī)組數(shù)量較少，儲(chǔ)存的旋轉(zhuǎn)慣量單薄，動(dòng)態(tài)穩(wěn)頻效果差，最大升降負(fù)荷的容量?jī)H為5%；

（3）燃煤電廠的煤汽電轉(zhuǎn)換設(shè)備多、途徑長(zhǎng)、效率低、滯后，燃油燃?xì)怆姀S油電或氣電轉(zhuǎn)換快捷，因此孤島燃煤電廠的運(yùn)行調(diào)度難度更大；

（4）水泥生產(chǎn)線單機(jī)大容量設(shè)備多，啟停對(duì)孤島電網(wǎng)沖擊大，易形成電網(wǎng)動(dòng)蕩。

水泥生產(chǎn)設(shè)備中存在大量的大負(fù)荷設(shè)備，比如原料磨機(jī)、水泥磨機(jī)、破碎機(jī)、系統(tǒng)風(fēng)機(jī)等。產(chǎn)量5000/d的水泥項(xiàng)目，此類電機(jī)從400kW到5500kW不等，全壓起動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊電流，常用的解決辦法是采用軟起、變頻或液體電阻啟動(dòng)起動(dòng)等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。從經(jīng)濟(jì)角度考慮，水泥廠項(xiàng)目設(shè)計(jì)采用最多的是液體變阻啟動(dòng)器。比如某5000t/d水泥廠（1臺(tái)630kW石灰石破碎機(jī)、1臺(tái)3600kW原料磨、1臺(tái)4300kW系統(tǒng)風(fēng)機(jī)、1臺(tái)1400kW廢氣風(fēng)機(jī)、1臺(tái)5000kW水泥磨、1臺(tái)3000kW水泥磨風(fēng)機(jī)）設(shè)備裝機(jī)容量大約為47MW，計(jì)算負(fù)荷32MW，電廠裝機(jī)容量為2×25MW汽輪發(fā)電機(jī)組，單臺(tái)大電機(jī)占電網(wǎng)容量10%。大設(shè)備如水泥磨系統(tǒng)電機(jī)5000kW，按照電機(jī)的額定啟動(dòng)容量約為1.8倍，啟動(dòng)容量占電網(wǎng)容量的18%；最大啟動(dòng)容量約為額定容量的2.59倍，最大啟動(dòng)容量占電網(wǎng)容量的25.9%。尤其是水泥廠下游車間如水泥磨車間，磨機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，上游設(shè)備大多數(shù)情況下在滿負(fù)荷運(yùn)行，此時(shí)孤島電廠總輸出達(dá)到65%以上，孤網(wǎng)達(dá)到最大的脆弱度，如果電網(wǎng)不能承載啟動(dòng)沖擊容量18%～25.9%，這就是壓死駱駝的最后一根稻草。能否滿足此時(shí)運(yùn)狀態(tài)下大容量電動(dòng)機(jī)起動(dòng)要求是孤島小網(wǎng)電廠設(shè)計(jì)成敗的重要因素。

因此，設(shè)計(jì)自用“孤島運(yùn)行”燃煤電廠就要考慮到水泥廠負(fù)荷的諸多特點(diǎn)，有針對(duì)性地加以注意。按照上述水泥廠自備電廠的要求，以下幾個(gè)方面要著重考慮：

（1）水泥生產(chǎn)線大設(shè)備啟動(dòng)；

（2）水泥生產(chǎn)線大設(shè)備或連續(xù)工藝線事故跳閘；

（3）水泥生產(chǎn)線生產(chǎn)量瞬時(shí)波動(dòng)變化；

（4）水泥連續(xù)工藝線事故處理后帶負(fù)載啟動(dòng)；

（5）水泥工藝線操作人員無(wú)預(yù)兆的啟/停。

這些因素往往造成孤島電網(wǎng)電壓、頻率波動(dòng)，如果超過(guò)保護(hù)設(shè)備的設(shè)定值就會(huì)造成更多設(shè)備跳閘，加劇電網(wǎng)波動(dòng)，導(dǎo)致整個(gè)電網(wǎng)崩潰失電，對(duì)水泥廠生產(chǎn)造成損失甚至威脅到設(shè)備和人身的安全。

3 水泥廠配套孤島燃煤電廠的設(shè)計(jì)解決要點(diǎn)

在設(shè)計(jì)配套孤島燃煤電廠時(shí)，要將上述風(fēng)險(xiǎn)削減到設(shè)備能夠承受的標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)，主要解決要點(diǎn)如下：

（1）多機(jī)組發(fā)電機(jī)的控制方式。大電網(wǎng)中發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)考慮的方式以負(fù)荷控制為主（base load model），按照上級(jí)電網(wǎng)調(diào)度給定的有功電量、功率因數(shù)向電網(wǎng)供電，不主動(dòng)參與電網(wǎng)的調(diào)峰和大參數(shù)調(diào)整。孤島電廠最突出的特點(diǎn)就是采用同步模式（ISO model）或者頻率模式（PF model），通過(guò)調(diào)整供電母線的頻率或無(wú)功來(lái)適應(yīng)用戶負(fù)荷的變化，因此要求控制系統(tǒng)具備符合要求的靜態(tài)特性、良好的穩(wěn)定性和可靠的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性，同時(shí)要求發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)具備更高的靈敏度、更小的遲緩率和更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

（2）多機(jī)組發(fā)電機(jī)的運(yùn)行方式。大電網(wǎng)中每一臺(tái)發(fā)電機(jī)組都是一個(gè)孤立的單元，調(diào)速和控制系統(tǒng)具有相對(duì)的獨(dú)立性，維持好孤立機(jī)組的穩(wěn)定就是整個(gè)電網(wǎng)的局部穩(wěn)定。孤島電廠（除了單機(jī)帶負(fù)荷）多機(jī)并網(wǎng)供電，則需要考慮機(jī)組之間的負(fù)荷分配問(wèn)題，硬件方面要求各機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)具有相同的調(diào)速不等率外，各個(gè)機(jī)組間的控制系統(tǒng)要設(shè)置一個(gè)中樞控制系統(tǒng)來(lái)協(xié)調(diào)多機(jī)組的負(fù)荷均衡問(wèn)題（load sharing），此時(shí)各機(jī)組的運(yùn)行模式相同，均為同步模式（ISO model）或者頻率模式（PF model），共同承擔(dān)用戶的負(fù)荷波動(dòng)。

（3）用電饋線的等級(jí)脫網(wǎng)功能。在孤島電廠運(yùn)行中出現(xiàn)較強(qiáng)動(dòng)蕩時(shí)，控制系統(tǒng)按照設(shè)定好的負(fù)荷種類順序，將附屬用電系統(tǒng)、非連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)逐步強(qiáng)制甩除，以拯救供電系統(tǒng)，即饋線的等級(jí)脫網(wǎng)功能（load shedding），因此設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮用電負(fù)荷的類別和跳脫次序。

（4）用電設(shè)備的選擇。孤島電廠供電質(zhì)量波動(dòng)大，用電設(shè)備的耐受電壓和耐受頻率必須按照大范圍來(lái)選型，比如電壓為±10%、頻率為±4%，不僅僅是電廠設(shè)備，水泥廠設(shè)備也要如此。

（5）孤島電廠的黑啟動(dòng)（Black Start）選擇。黑啟動(dòng)是在全黑狀態(tài)（無(wú)電）下的啟動(dòng)，可以理解為首次啟動(dòng)。電廠運(yùn)行所需的控制系統(tǒng)電源、水油泵電源、發(fā)電機(jī)組開機(jī)的條件具備，都需要黑啟動(dòng)電源的存在。黑啟動(dòng)電源是一個(gè)自給自足的微型發(fā)電機(jī)組構(gòu)成，通過(guò)蓄電池提供啟動(dòng)能量進(jìn)行開機(jī)，向母線（此時(shí)的母線為Dead BUS）提供電能，然后孤島發(fā)電機(jī)組的輔機(jī)在黑啟動(dòng)電源下逐步運(yùn)行，進(jìn)而啟動(dòng)孤島第一臺(tái)機(jī)組同母線并網(wǎng)。因而，黑啟動(dòng)容量的選擇一定要滿足孤島電廠首臺(tái)機(jī)組輔機(jī)的容量和啟動(dòng)沖擊。

（6）水泥生產(chǎn)線大負(fù)荷單機(jī)的啟動(dòng)和停機(jī)。計(jì)劃啟動(dòng)時(shí)最好的辦法有兩個(gè)：第一，啟動(dòng)前的孤島電廠備用容量?jī)?chǔ)備最少要大于啟動(dòng)電機(jī)容量的2倍，同時(shí)使母線電壓和頻率適當(dāng)提高接近于上限；第二就是采用多臺(tái)機(jī)組共同承擔(dān)大電機(jī)啟動(dòng)的沖擊。在大電機(jī)啟動(dòng)瞬間，孤島母線的電壓和頻率都會(huì)下降對(duì)發(fā)電機(jī)組的調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行考驗(yàn)，完善的系統(tǒng)會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)震蕩趨于穩(wěn)定。計(jì)劃停機(jī)時(shí)，正好相反，措施是降低電網(wǎng)頻率和電壓。在其他分段運(yùn)行工藝線停運(yùn)或備用時(shí)，孤島小網(wǎng)具備較大的富余容量?jī)?chǔ)備，啟停大設(shè)備的條件比起最大狀態(tài)時(shí)要安全得多?；痣姀S工藝具備熱能增速時(shí)間遠(yuǎn)大于減速時(shí)間的特性，對(duì)于水泥生產(chǎn)線大設(shè)備的無(wú)計(jì)劃驟啟，任何運(yùn)行工況下都有可能導(dǎo)致孤島電網(wǎng)崩潰；對(duì)于大設(shè)備驟停，設(shè)計(jì)時(shí)一定要考慮系統(tǒng)和操作機(jī)構(gòu)的選型，來(lái)滿足控制的反應(yīng)速度、遲滯性要求；設(shè)備驟停相比啟動(dòng)對(duì)電網(wǎng)沖擊要小得多。為避免鍋爐蒸氣在減載時(shí)浪費(fèi)，建議采用汽輪機(jī)組蒸氣旁路系統(tǒng)。

其他方面按照大電網(wǎng)設(shè)計(jì)孤島燃煤電廠是能夠滿足水泥生產(chǎn)線要求的。■