煤化工系統(tǒng)供電電源突發(fā)脫網(wǎng)下的安全運行技術研究

李 鋒，趙慧勉

（1.浙江浙能溫州發(fā)電有限公司，浙江 溫州 325602；2.浙江省火力發(fā)電高效節(jié)能與污染物控制技術研究重點實驗室，杭州 311121）

0 引言

某煤化工企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)由兩條煤制氣生產(chǎn)線系統(tǒng)組成，其供電電源由3臺自備發(fā)電機組為主，電網(wǎng)系統(tǒng)為輔（通過兩條同桿平行架設的110 kV線路到對側變電所與電網(wǎng)相連接），在各種不同運行工況下，電網(wǎng)供電范圍約在20 MW～100 MW之間。當運行中電網(wǎng)供電一旦失去（自備電廠與電網(wǎng)解列）時，將造成化工系統(tǒng)不同程度的供電缺額現(xiàn)象，如果不采取有效措施，則會引起頻率和電壓迅速下降，嚴重時導致機組跳閘，使生產(chǎn)線不受控制地因停電而停車等聯(lián)鎖反應。另一方面，當電廠與電網(wǎng)解列運行時，一旦機組或負荷跳閘，也將危及孤網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。因此，對于合理解決突發(fā)脫網(wǎng)、孤網(wǎng)下的機組，及化工生產(chǎn)系統(tǒng)的安全問題的研究，具有深遠意義。

本文基于現(xiàn)有的電力系統(tǒng)穩(wěn)控裝置，分析了某煤化工系統(tǒng)電網(wǎng)的多種運行方式下的風險和需求，并對電網(wǎng)穩(wěn)定特性進行研究，為供電電源突發(fā)脫網(wǎng)下的安全運行技術提供了有力支持。

1 電網(wǎng)運行風險及需求分析

基于該煤化工弱聯(lián)網(wǎng)、“大機小網(wǎng)”問題，并結合發(fā)電機組及負荷特性，需構建相比常規(guī)電網(wǎng)要求更高更完善的控制系統(tǒng)，通過合理的控制來保證企業(yè)電網(wǎng)的頻率、電壓、功角等穩(wěn)定。安全運行控制系統(tǒng)包含如下幾個部分：

1）安全運行信息管理系統(tǒng)。

2）能實現(xiàn)機組快速調(diào)節(jié)控制的機網(wǎng)協(xié)調(diào)功能，包括實時二次調(diào)頻、實時二次調(diào)壓、自動潮流控制、帶負荷同期。

3）穩(wěn)控功能包括切機控制、切負荷控制、高頻切機、低頻減載、全廠快切控制、主動解列控制。

安全運行控制系統(tǒng)應包含3個系統(tǒng)主站，即穩(wěn)控裝置主站、實時二次調(diào)頻調(diào)壓主站和供熱母管管理主站。穩(wěn)控裝置主站監(jiān)控并網(wǎng)聯(lián)絡線/發(fā)電機組的各電氣量信息和下游電負荷的用電量，在線路故障、機組故障等情況下，聯(lián)切下游電負荷或發(fā)電機組出力指令。實時二次調(diào)頻調(diào)壓主站通過調(diào)整發(fā)電機組的有功和無功出力，聯(lián)網(wǎng)時自動維持并網(wǎng)聯(lián)絡線潮流在合理范圍、孤網(wǎng)時，自動維持站內(nèi)電網(wǎng)的頻率、電壓和功角穩(wěn)定。

1.1 聯(lián)網(wǎng)運行控制

1）實時監(jiān)測發(fā)電機組出力、并網(wǎng)聯(lián)絡線潮流，以及負荷側用電變化，自動識別機組和電網(wǎng)當前的運行方式。

2）需根據(jù)聯(lián)絡斷面潮流實時調(diào)整發(fā)電機組出力，控制聯(lián)絡斷面潮流在安全范圍內(nèi)；出現(xiàn)機組出力損失、負荷跳閘（包括低壓脫扣損失的負荷）等緊急情況下，系統(tǒng)采取調(diào)機組出力、切機或切負荷措施，確保聯(lián)絡斷面上下網(wǎng)不越限、聯(lián)絡斷面不過載。

3）通過對機組勵磁系統(tǒng)的調(diào)節(jié)控制，保證聯(lián)絡線在正常運行下的功率因數(shù)在允許范圍內(nèi)波動。

1.2 聯(lián)網(wǎng)切孤網(wǎng)控制

1）由聯(lián)網(wǎng)主動解列為孤網(wǎng)或由被動跳閘突變?yōu)楣戮W(wǎng)后，系統(tǒng)控制方式需由聯(lián)網(wǎng)模式迅速切換為孤網(wǎng)模式，系統(tǒng)采取調(diào)機組出力，切機或切負荷措施，維持企業(yè)電網(wǎng)孤網(wǎng)頻率電壓穩(wěn)定，不應造成機組保護動作，不觸發(fā)高頻、低頻動作。

2）企業(yè)電網(wǎng)由聯(lián)網(wǎng)突變?yōu)楣戮W(wǎng)，若事故前企業(yè)電網(wǎng)從大電網(wǎng)受電，需采用聯(lián)切負荷措施，維持系統(tǒng)穩(wěn)定運行；若事故前企業(yè)電網(wǎng)給大電網(wǎng)送電，需穩(wěn)控系統(tǒng)和機網(wǎng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)，采用下調(diào)機組出力或聯(lián)切機組相結合措施，維持系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

3）聯(lián)網(wǎng)切孤網(wǎng)后，由于涉網(wǎng)保護等定值均采用大電網(wǎng)給定定值，不能滿足孤網(wǎng)長期運行需求，聯(lián)網(wǎng)運行切孤網(wǎng)后不建議長時間運行[1]。

1.3 孤網(wǎng)運行控制

1）孤網(wǎng)方式下，出現(xiàn)機組出力損失（包括機組故障跳閘、非計劃停機、鍋爐跳閘），應協(xié)調(diào)企業(yè)電網(wǎng)內(nèi)多臺發(fā)電機組的快速變負荷能力，有必要時需快速切除負荷。低頻減載作為第三道防線，控制電網(wǎng)電壓及機組出力滿足下游負荷生產(chǎn)的需求，保證孤網(wǎng)運行穩(wěn)定[2]。

2）孤網(wǎng)方式下，出現(xiàn)甩負荷，穩(wěn)控系統(tǒng)和機網(wǎng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)需結合電網(wǎng)高頻輔助判據(jù)，根據(jù)情況采取快速下壓機組出力，切除部分機組來維持孤網(wǎng)穩(wěn)定運行。

3）在出現(xiàn)嚴重或多重故障的情況下，孤網(wǎng)頻率偏差不應導致企業(yè)電網(wǎng)崩潰，盡可能保證其中一臺機組帶部分重要負荷可靠穩(wěn)定地運行。

4）企業(yè)電網(wǎng)內(nèi)部部分斷面（線路、主變）斷開，會導致企業(yè)電網(wǎng)由整體孤網(wǎng)變?yōu)閹讉€局部孤網(wǎng)，需依靠穩(wěn)定系統(tǒng)和機網(wǎng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)采取必要的措施，使局部孤網(wǎng)功率達到新的平衡，維持穩(wěn)定運行[3]。

5）具備高頻切機、低頻減載功能。

6）穩(wěn)定系統(tǒng)應具備對低壓脫扣損失的負荷進行有效判定，主動采取措施維持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定。

1.4 主動解列控制

聯(lián)網(wǎng)運行時，根據(jù)頻率、電壓和功率信息，結合相關輔助判據(jù)，由穩(wěn)控系統(tǒng)準確判定大電網(wǎng)嚴重故障或地區(qū)電網(wǎng)孤網(wǎng)，并具備主動解列功能，主動解列聯(lián)絡斷面內(nèi)側開關；再由協(xié)調(diào)系統(tǒng)按照聯(lián)網(wǎng)突變?yōu)楣戮W(wǎng)控制，由機網(wǎng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)和穩(wěn)控系統(tǒng)進行穩(wěn)定控制，保證解列后孤網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

2 電網(wǎng)穩(wěn)定特性研究

根據(jù)當前電網(wǎng)網(wǎng)架、規(guī)劃網(wǎng)架，以及考慮負荷特性、機組運行方式等情況，來詳細分析電網(wǎng)穩(wěn)定特性[4,5]。

2.1 潮流分析

2.1.1 四爐兩機兩套生產(chǎn)線聯(lián)網(wǎng)方式

110 kV煤化工電網(wǎng)對外與220 kV巴彥岱變雙線連接，煤化工近區(qū)電網(wǎng)潮流與大電網(wǎng)相連接，雙回110 kV架空線情況下，不考慮斷面潮流，屬正常供電，本文不做過多研究。

2.1.2 三爐兩機兩套生產(chǎn)線聯(lián)網(wǎng)方式

新天變對外聯(lián)絡斷面功率接近于0，潮流圖如圖1所示。

2.1.3 三爐兩機兩套生產(chǎn)線孤網(wǎng)方式

自備電廠開兩機，電網(wǎng)孤網(wǎng)運行。潮流圖如圖2所示。

圖1 三爐兩機兩套生產(chǎn)線聯(lián)網(wǎng)方式潮流Fig.1 Trend of networking mode of three furnaces, two machines and two sets of production lines

圖2 三爐兩機兩套生產(chǎn)線孤網(wǎng)方式潮流Fig.2 Trend of isolated network mode of three furnaces, two machines and two sets of production line

圖3 110kV彥新線有功功率Fig.3 Active power of 110kV Yanxin line

圖4 新天110kV母線電壓Fig.4 Voltage of 110kV bus in Xintian

圖5 自備電廠機組功角曲線Fig.5 Power angle curve of self provided power plant unit

圖6 自備電廠機組頻率曲線Fig.6 Unit frequency curve of self provided power plant

表1 不同開機方式下某煤化工三相短路電流水平（kA）Table 1 Three phase short circuit current level (kA) of a coal chemical plant under different startup modes

2.2 三相短路電流分析

煤化工電網(wǎng)在不同方式下的母線三相短路電流水平見表1。

2.3 暫態(tài)穩(wěn)定研究

對于該煤化工電網(wǎng)，基于實際運行情況選擇聯(lián)網(wǎng)方式、孤網(wǎng)方式下的穩(wěn)定特性分析。考慮企業(yè)電網(wǎng)內(nèi)部機組跳閘、負荷跳閘、對外聯(lián)絡斷面N-1跳閘、對外聯(lián)絡斷面斷開等各類故障形式，進行仿真模擬[6]。

2.3.1 機組跳閘

1）在聯(lián)網(wǎng)方式、四爐兩機兩套生產(chǎn)線方式下，自備電廠#1機組N-1跳閘后，系統(tǒng)損失機組出力45.6 MW，不采取措施，企業(yè)電網(wǎng)出現(xiàn)功率缺額。由于功率重新分配后，新疆電網(wǎng)對本企業(yè)電網(wǎng)來說等同于無窮大容量機組，最終穩(wěn)態(tài)下功率缺額絕大部分分配到大電網(wǎng)，即聯(lián)絡線分擔功率缺額的絕大部分功率。110 kV彥新線有功功率由之前的下網(wǎng)12.7 MW變?yōu)橄戮W(wǎng)57.51 MW，自備電廠無電壓問題，#2機組未出現(xiàn)功角失穩(wěn)，煤化工電網(wǎng)能維持穩(wěn)定運行，各曲線如圖3～圖6所示。

若需維持系統(tǒng)對外潮流斷面零功率，需采取以下措施：梳理出可切負荷進行切除，進行減負荷操作或進行機組增出力操作。

圖7 自備電廠母線電壓曲線Fig.7 Bus voltage curve of self provided power plant

圖8 自備電廠機組功角曲線Fig.8 Power angle curve of self provided power plant unit

圖9 彥新線功率曲線Fig.9 Power curve of Yanxin line

圖10 自備機組頻率曲線Fig.10 Frequency curve of self-contained unit

圖11 自備電廠母線電壓曲線Fig.11 Bus voltage curve of self-contained power plant

圖12 自備電廠機組頻率曲線Fig.12 Unit frequency curve of self provided power plant

圖13 自備電廠機組功率曲線Fig.13 Unit power curve of self provided power plant

圖14 自備電廠機組轉速曲線Fig.14 Speed curve of self-contained power plant

圖15 110kV母線電壓曲線Fig.15 Voltage curve of 110kV bus

圖16 系統(tǒng)頻率曲線Fig.16 System frequency curve

2）在聯(lián)網(wǎng)方式、三爐兩機兩套生產(chǎn)線方式下，自備電廠#2機組N-1跳閘后，系統(tǒng)損失機組出力44.3 MW，不采取措施，企業(yè)電網(wǎng)出現(xiàn)功率缺額。由于功率重新分配后，新疆電網(wǎng)對本企業(yè)電網(wǎng)來說，等同于無窮大容量機組，最終穩(wěn)態(tài)下功率缺額絕大部分分配到大電網(wǎng)，即聯(lián)絡線分擔功率缺額的絕大部分功率。110 kV彥新線有功功率由之前的0MW變?yōu)橄戮W(wǎng)43.7 MW，自備電廠無電壓問題，自備電廠#1機組未出現(xiàn)功角失穩(wěn)，煤化工電網(wǎng)能維持穩(wěn)定運行，各曲線如圖7～圖10所示。

3）在孤網(wǎng)方式下，自備電廠開兩臺機組（#1、#2機），#1機組N-1跳閘后，系統(tǒng)損失電源出力32.4 MW，由穩(wěn)控切除負荷32.7 MW，自備電廠無電壓問題，#1機組未出現(xiàn)功角失穩(wěn)，頻率最終穩(wěn)定在50.04 Hz。自備電廠電網(wǎng)能維持穩(wěn)定運行，各曲線如圖11～圖13所示。

2.3.2 化工負荷跳閘

1）在聯(lián)網(wǎng)方式、四爐兩機兩套生產(chǎn)線下，負荷損失20 MW，不采取措施，企業(yè)電網(wǎng)出現(xiàn)的負荷功率缺額同樣基本都由大電網(wǎng)承擔。110 kV匯新線有功功率由之前的下網(wǎng)12.8 MW變?yōu)樯暇W(wǎng)5.8 MW，無電壓問題，機組未出現(xiàn)功角失穩(wěn)，電網(wǎng)能維持穩(wěn)定運行。

若對外聯(lián)絡斷面需保持零功率，可考慮由調(diào)度下發(fā)機組出力命令，使對外斷面潮流維持零功率即可。

2）在聯(lián)網(wǎng)方式、三爐兩機兩套生產(chǎn)線下，負荷損失20 MW，不采取措施，企業(yè)電網(wǎng)出現(xiàn)的功率缺額同樣基本都由大電網(wǎng)承擔。110 kV匯新線有功功率由之前的0 MW變?yōu)樯暇W(wǎng)19.8 MW，新自備電廠機組未出現(xiàn)功角失穩(wěn)，煤化工電網(wǎng)無電壓問題，能維持穩(wěn)定運行。

3）在孤網(wǎng)方式下，自備電廠開兩臺機組，煤化工損失20 MW負荷。

①切除#1機組（故障前出力32.4 MW），存在功率不平衡12.4 MW，系統(tǒng)出現(xiàn)低頻問題。

②切除#1發(fā)電機組，同時切除負荷12.43 MW，站內(nèi)孤網(wǎng)無電壓問題，#2機組未出現(xiàn)功角失穩(wěn)，電網(wǎng)能維持穩(wěn)定運行，頻率最終穩(wěn)定在49.97 Hz。

2.3.3 110kV 彥新雙線N-1跳閘

1）在聯(lián)網(wǎng)方式、四爐兩機兩套生產(chǎn)線下，110 kV彥新一線三相永久性故障N-1跳閘后，110 kV彥新二線功率由事故前的下網(wǎng)6.33 MW變?yōu)橄戮W(wǎng)12.8 MW；自備電廠機組未出現(xiàn)明顯的振蕩，最終穩(wěn)定運行。

2）在聯(lián)網(wǎng)方式、三爐兩機兩套生產(chǎn)線下，110 kV彥新一線三相永久性故障N-1跳閘后，110 kV彥新二線功率由事故前的 0MW變?yōu)橄戮W(wǎng)0.1 MW，斷面維持零功率不變；自備電廠機組未出現(xiàn)明顯的振蕩，最終穩(wěn)定運行。

2.3.4 110 kV彥新雙線N-2跳閘

1）在聯(lián)網(wǎng)方式、四爐兩機兩套生產(chǎn)線下，110 kV彥新斷面下網(wǎng)12.8 MW，發(fā)生110 kV彥新雙線N-2跳閘。若不采取措施，企業(yè)電網(wǎng)將低頻。企業(yè)電網(wǎng)系統(tǒng)頻率曲線如圖16所示。

2 s彥新I線三相永跳，2.12 s彥新二線N-2跳閘。在2.42 s采取切除負荷11 MW，電網(wǎng)在事故前下網(wǎng)12.8 MW，事故后系統(tǒng)頻率最終為49.94 Hz，能維持電網(wǎng)穩(wěn)定運行。

2）在聯(lián)網(wǎng)方式、三爐兩機兩套生產(chǎn)線下，110 kV彥新斷面0 MW，發(fā)生110 kV彥新斷面斷開故障，不采取措施，該煤化工電網(wǎng)穩(wěn)定運行。

3 結語

本文介紹了安全運行控制系統(tǒng)，對系統(tǒng)功能需求進行分析，繪制了四爐兩機兩套生產(chǎn)線聯(lián)網(wǎng)、三爐兩機兩套生產(chǎn)線聯(lián)網(wǎng)和三爐兩機兩套生產(chǎn)線孤網(wǎng)3種運行方式下的潮流圖，并基于實際運行情況，在企業(yè)電網(wǎng)內(nèi)部機組跳閘、負荷跳閘、對外聯(lián)絡斷面斷開等多種故障狀況下，對該煤化工電網(wǎng)進行暫態(tài)穩(wěn)定分析。

研究表明，該煤化工電網(wǎng)存在較大概率的孤網(wǎng)風險。電網(wǎng)在針對下列不同運行方式下企業(yè)電網(wǎng)或外部發(fā)生的不同故障，還需穩(wěn)控，及時采取措施，才能維持系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

1）在孤網(wǎng)方式下，自備電廠開兩臺機組，其中一臺機組跳閘后，通過穩(wěn)控系統(tǒng)切除相應負荷，使企業(yè)電網(wǎng)無電壓問題，運行機組未出現(xiàn)功角失穩(wěn)。

2）在孤網(wǎng)方式下，自備電廠開兩臺機組，系統(tǒng)負荷損失20 MW：通過切除一臺機組，同時切除部分負荷，使企業(yè)電網(wǎng)無電壓問題，運行機組未出現(xiàn)功角失穩(wěn)，電網(wǎng)能維持穩(wěn)定運行。

3）在聯(lián)網(wǎng)方式、四爐兩機兩套生產(chǎn)線下，110 kV彥新斷面下網(wǎng)12.8MW：發(fā)生110 kV彥新雙線N-2跳閘，若不采取措施，該煤化工企業(yè)電網(wǎng)將低頻。

4）在聯(lián)網(wǎng)方式，N-1機組跳閘或負荷跳閘，該煤化工電網(wǎng)無穩(wěn)定問題。

該煤化工電網(wǎng)正常時的運行方式，應盡量保證對外斷面零功率或者不超過機組向上一次調(diào)頻能量的下網(wǎng)潮流；應盡量避免長期孤網(wǎng)方式運行，以提高供電安全穩(wěn)定可靠性。