水泥厂中自备燃煤孤岛电厂大型设备启动突加负荷的应用

刘云飞 杨勇伟

1中材建设有限公司（100176）2河南建筑材料研究设计院有限责任公司（450002）

水泥厂中自备燃煤孤岛电厂大型设备启动突加负荷的应用

刘云飞1杨勇伟2

1中材建设有限公司（100176）2河南建筑材料研究设计院有限责任公司（450002）

在一些电力缺乏的发展中国家，为解决水泥项目的用电，往往采用业主建设自备电源、采用孤岛运行的方式。这里介绍了某水泥厂中自备燃煤孤岛大型设备启动突加负荷及减负荷的应用特点及设计时需要考虑的一些技术要点。

孤岛电厂；突加负荷

0 概述

发展中国家的电力供应是个瓶颈，投资商在规划建设水泥项目时，往往遇到电力稳定足额供应的问题。我公司承建的西亚5 000 TPD水泥生产线距城市260 km，需要配套54 MW电力系统，且附近无大型电网，因此建设自用电厂可以解决电力供应问题。在无外网支持的情况下，自用电厂作为一个“孤岛小网电厂”运行，并且燃煤作为水泥厂烧成系统用燃料，业主往往也会选取煤作为自备电厂用燃料。但是这种自备电厂往往是根据水泥厂的规模来设计配套的，自备电厂的电力能源无法向外输送。这样水泥厂的大型设备启动和发电设备机组的容量需要很好地配置才能满足正常的生产需要。

1 “孤岛”电厂的运行特点

1）孤立承担供电风险，设计者往往只考虑满足水泥生产线的负荷运行要求。

2）燃煤发电机组数量较少，储存的旋转惯量单薄，动态稳频效果差，最大突然加负荷的容量仅为5%～10%。

3）燃煤电厂的煤汽电转换设备多、途径长、效率低、滞后，燃油燃气电厂油电或气电转换快捷，因此孤岛燃煤电厂具有更大的运行调度难度。

4）水泥线单机大容量设备多，启停对孤岛电网冲击大，易形成电网动荡。

要特别提出，水泥厂设备中存在大量的大负荷设备，比如原料磨机、水泥磨机、破碎机、系统风机等。在启动时，这些大负荷设备对于这种孤岛电厂来说就是一次突加负荷的过程，全压起动时会产生较大的冲击电流。解决办法是采用软起、变频或液体电阻启动等方式来实现。从经济角度考虑，水泥厂项目设计采用最多的是液体变阻启动器。比如，5 000 tpd水泥厂设备装机容量大约为47 MW，计算负荷32 MW，电厂装机容量为2×25 MW汽轮发电机组，机网容量比为64%，最大突加负荷的容量仅为5%～10%。

水泥磨系统电机4 500 kW启动容量占电网容量的16.5%;最大启动容量约为额定容量的2.59倍，最大启动容量占电网容量的24.5%。

水泥厂设计配套的孤岛电厂必须要考虑下游车间如水泥磨车间,磨机在启动时，上游设备大多数情况下在满负荷运行，此时孤岛电厂总输出在65%以上,孤网达到最大的脆弱度。如果电网不能够承载启动冲击容量16.5%～25%，这样能否满足此时状态下大容量电动机启动要求成为孤岛电厂设计成败的重要因素。

2 孤岛电厂突加负荷的解决方案

我公司承建的某5 000 TPD项目配套的孤岛电厂使用的燃料分别为煤和柴油，因此孤岛电厂由2×25 MW的汽轮发电机组和4×2 MW柴油发电机组组成。水泥线大负荷单机的启动最好的办法有两个:第一启动前的孤岛电厂备用容量储备最少要大于启动电机容量的1.8倍，同时使母线电压和频率适当提高接近于上限；第二采用多台机组共同承担大电机启动的冲击。在大电机启动瞬间，孤岛母线的电压和频率都会对发电机组的调速系统有影响，完善的系统会在很短的时间内震荡趋于稳定。在水泥厂突加负荷（启动大型设备）运行工况下很有可能会导致孤岛电网崩溃，造成其他设备骤停。对于大设备骤停，设计时一定要考虑系统和操作机构的选型，以满足控制的反应速度、迟滞性要求。孤岛电厂（除了单机带负荷）多机并网供电，必须考虑机组之间的负荷分配问题，硬件方面要求各机组调速系统具有相同的调速不等率外，各个机组间的控制系统要设置一个中枢控制系统来协调多机组的负荷均衡问题（load sharing），此时各机组的运行模式相同，均为同步模式（ISO model）或者频率模式（PF model）,共同承担用户的负荷波动。

图1 项目单线图和DCS控制系统组成

选择配置关键因素是应急发电机的冲击负荷能力58%:4×2 MW×58%=4.6 4MW。

图2 设备参数曲线

按照汽轮机的突然加负荷的能力是5%～10%，并且汽轮机是50%～100%带载的情况下:

设备参数:

综上所述，在磨机启动时，电厂设备突加负荷的能力大概是9.64 MW，而磨机的电机是4 500 kW。在磨机启动时一定要注意汽轮机和柴油机组运行模式的配合,上游设备大多数情况下在满负荷运行，此时孤岛电厂总输出在60%以上。要把整个电厂机组全部运行起来，此时电厂的各个机组的运行模式相同，均为同步模式（ISO model）。以共同承担磨机的突加负荷时对整个电力系统的冲击，使电厂的所有机组不会因突加负荷而引起电网波动导致整个电网崩溃失电，保证孤岛电厂对整个水泥厂供电的安全运行。

3 结语

孤岛电厂设计的目的是保证水泥线供电系统的安全、稳定、可靠。笔者从孤岛电厂的特点和水泥工厂用电的特点出发，将供电系统和用电系统结合在一起进行论述，对可能出现的重要技术风险因素进行分析，提出针对性的解决方案。