某鋁電集團電廠孤網(wǎng)運行可行性研究

楊志軍

山西兆豐鋁電有限責任公司,山西 陽泉 045200

1 基本情況簡介

某鋁電集團下設自備電廠和鋁廠，電廠裝機容量為3×135 MW超高壓單抽凝汽式汽輪發(fā)電機組，配3×480 t/h循環(huán)流化床鍋爐，總裝機容量為405 MW。鋁廠共有 156 臺300 kA 系列電解槽，電解系列最高瞬時負荷可達到 211.5 MW，廠用電負荷為 6000 kW，計入廠用電負荷最高瞬時負荷為 217.5 MW。 電廠到鋁廠共有兩條220 kV線路。

2 孤網(wǎng)運行的技術(shù)條件

2.1 電氣配置網(wǎng)架系統(tǒng)分析

在電網(wǎng)中單機容量占電網(wǎng)總?cè)萘康谋壤叫?，當單機出現(xiàn)故障時對電網(wǎng)的影響也就越小。根據(jù)《電力系統(tǒng)設計技術(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)，并滿足：（1）負荷備用為2%～5%；（2）事故備用為8%～10%，但不小于系統(tǒng)一臺最大的單機容量；（3）檢修備用應按有關(guān)規(guī)程要求及系統(tǒng)情況確定，不應低于5%。

根據(jù)上述規(guī)定，發(fā)電廠的機組容量除應根據(jù)系統(tǒng)規(guī)劃容量、負荷增長速度和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)等因素進行選擇，最大機組容量以占系統(tǒng)總?cè)萘康?%～10%為宜。如果以自備電廠3×135 MW機組作為電源，鋁廠變電所及其用電負荷作為用戶構(gòu)成一個孤立的電網(wǎng)來運行，假設所有設備均不發(fā)生任何故障，保證可以安全可靠地穩(wěn)態(tài)運行，其發(fā)電、用電負荷達到穩(wěn)態(tài)平衡是可以實現(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)中任何一個元件發(fā)生故障，（由于其單元件供配電負荷占比較大，約占整個系統(tǒng)負荷的35%以上，即便網(wǎng)內(nèi)其他所有負荷及發(fā)電設備均正常且有完善的自動控制系統(tǒng)，一旦該系統(tǒng)內(nèi)某一機組或某條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）都有可能拉垮整個內(nèi)網(wǎng)，其暫態(tài)調(diào)整不能保證能夠過渡到穩(wěn)態(tài)運行。一旦在時間和負荷上調(diào)節(jié)不過來，主保護拒動，將會造成整個系統(tǒng)失電[1]。孤網(wǎng)運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定值，將會造成保護拒動或者延時動作，造成故障穿越，引起全網(wǎng)失電。

為了解決上述問題，應加強主保護配置，最好采用雙重化配置。加強后備保護，提高系統(tǒng)的電源適應性，盡量做到主保護拒動，后備保護正確動作，仍然能夠避免全網(wǎng)失電。根據(jù)孤網(wǎng)運行特點，重新整定電氣保護定值，提高整定的精度，適應區(qū)域電網(wǎng)需求。實現(xiàn)發(fā)電機組的FCB功能，在區(qū)域電網(wǎng)故障條件時，自帶廠用電運行，避免區(qū)域電網(wǎng)全失電。

2.2 電廠機組設備穩(wěn)定運行分析

通過多年的運行經(jīng)驗可知，正常情況下，自備電廠發(fā)電機組年非計劃停機的平均次數(shù)為1.9次/年，其中1.5次為鍋爐非停，0.4次為汽輪發(fā)電機組的非停。對于三臺機組，每年鍋爐非停會有4.5次，汽輪發(fā)電機組的非停會有1.2次。

電廠鍋爐為循環(huán)流化床鍋爐，響應速度滯后，鍋爐的冷態(tài)啟動至少需要12 h才能并網(wǎng)發(fā)電，達到滿負荷至少還需要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，造成相應的發(fā)電機組降出力。在此期間內(nèi)，其他發(fā)電機組升負荷量有限，而且受到最大蒸發(fā)量的限制。因此鍋爐非停必然會造成原動機出力不足，如果不采取措施，將會導致區(qū)域電網(wǎng)的頻率崩潰。

鍋爐非停之后，應該采取的措施有三個：一是通過有功負荷分配，快速增加其他發(fā)電機組的原動機出力，同時避免單臺機組超負荷；二是根據(jù)蒸發(fā)量的變化，切除相應容量的下游負荷，稱之為穩(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，在故障處理過程中，頻率波動范圍較小。根據(jù)頻率的變化，切除相應的下游負荷，稱之為低頻減載。

為了應對發(fā)電機組的非計劃停機，通過機網(wǎng)協(xié)調(diào)來快速調(diào)整其他發(fā)電機組的出力，通過穩(wěn)控系統(tǒng)來快速精確切除下游負荷，低頻減載作為后備保護。完成改造之后，發(fā)電機組的非計劃停機不會造成區(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快速降系列電流來代替切除整流變。

2.3 鋁廠負荷對供配電系統(tǒng)影響的分析

自備電廠自投運以來，一直存在因鋁廠效應問題引起機組有功出力波動情況，次數(shù)頻繁，波動范圍為正負20%，最大能達到160 MW，且沒有規(guī)律。目前沒有出現(xiàn)機組故障是因為機組和電網(wǎng)連接，陽極效應產(chǎn)生的波動能夠在短時間內(nèi)被電網(wǎng)吸收，如果采取孤網(wǎng)運行方式，該波動需要機組全部承擔，必然會發(fā)生電網(wǎng)受波動。

電解鋁對負荷要求高。目前國內(nèi)已采用孤網(wǎng)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡為多個產(chǎn)業(yè)企業(yè)互聯(lián)方式，尚無獨立對電解鋁供電的案例。在多個企業(yè)互聯(lián)方式孤立運行的電網(wǎng)故障情況下，通過低頻減載設備迅速甩減負荷。目前電解鋁故障停電保溫運行方式冬季只能維持3 h，超過3 h會發(fā)生事故，造成設備損壞。

電解鋁廠目前負荷極不穩(wěn)定，鋁廠設備也不夠穩(wěn)定，據(jù)統(tǒng)計，僅2017年鋁廠瞬間全部甩負荷多次，鋁廠一旦發(fā)生全甩負荷，電廠必須立即降負荷運行至帶廠用電運行甚至停機，鍋爐超壓、超溫對機組造成很大影響，可能導致事故。同時，機組故障后機組帶負荷慢，不能迅速滿足鋁廠需求，如果造成停機，事故應急處理不及預期，會造成較大的事故，存在較大的安全風險。

鋁廠的生產(chǎn)均采用二極管整流，負荷難以靈活切除，當切除一臺整流變時，其他整流機組會分擔其電流，再切除一臺整流變時，剩下整流機組會因過流而跳閘，造成整個生產(chǎn)系列停運[2]。一般情況下，二極管整流機組，只能實現(xiàn)兩檔減負荷，即減10%或者減100%的電解系列負荷。用電負荷不能靈活切除，對于電解鋁區(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，正常運行時負荷平穩(wěn)，即使在陽極效應下，陽極效應產(chǎn)生的負荷沖擊一般不超過滿負荷的3%～5%。某些電解鋁生產(chǎn)系列運行不太穩(wěn)定，陽極效應產(chǎn)生的負荷沖擊可能達到10%。

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

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

在此基礎(chǔ)上，對于多臺機組增加實時二次調(diào)頻，快速分配有功負荷，自動維持頻率在50 Hz；增加實時二次調(diào)壓，快速分配無功負荷，自動穩(wěn)定母線電壓；增加功角調(diào)平功能，提高機組在大負荷沖擊下暫態(tài)穩(wěn)定性能。這樣使得多臺發(fā)電機組組成的區(qū)域電網(wǎng)，能夠承受±10%的負荷波動，頻率波動小于0.5 Hz，電壓波動小于5%；即使出現(xiàn)30%以上的甩負荷沖擊，頻率波動仍然小于1 Hz，電壓波動小于10%。實時二次調(diào)頻、實時二次調(diào)壓、功角調(diào)平功能是機網(wǎng)協(xié)調(diào)的一部分。

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

2.4 自建黑啟動電源防止電網(wǎng)整體斷電

在孤網(wǎng)運行條件下，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)要求來設計建設，存在大量的公用系統(tǒng)，可能引起共性故障，也可能導致區(qū)域電網(wǎng)整體斷電。因此，建議增設黑啟動相關(guān)配套裝置。

常規(guī)的黑啟動措施是柴油機，按照單臺135 MW機組12.96 MW的廠用電要求，應配置12～13 MW的柴油機。配置柴油機之后，必須進行定期維護和啟動試驗。在實際運行中，用到柴油機的概率并不高，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，在國內(nèi)還沒有純電解鋁負荷的孤網(wǎng)運行電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，孤網(wǎng)運行的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)要考慮效益性和安全性，通行的做法是一級負荷和二級負荷要搭配，在電廠某臺組出現(xiàn)故障的情況下，迅速切除二級負荷，來保障一級負荷的用電需求，從而實現(xiàn)一級負荷的穩(wěn)定并兼顧效益的最大化?，F(xiàn)有電廠和電解鋁實現(xiàn)孤網(wǎng)運行較為科學的方式為四臺135 MW機組，同時再匹配至少100 MW的二類負荷，才具備區(qū)域電網(wǎng)獨立運行的最低條件。