某大型化工企业供电系统优化方案浅析

黄文炯

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

化工企业在我国国民经济中占有举足轻重的地位，是国家经济实力和科技水平的重要标志，化工企业的长周期运行还关系到能源保障的安全。随着化工企业向大型化、服役环境极端化与长周期运行发展，对供电可靠性的要求也越来越高，这就需要结合现状对供电系统主接线、电气设施等进行优化，以确保其合理、安全地运行。

1 供电系统现状

化工企业的装置内一般都有易燃、易爆危险物质，因此供电、供水和供气等每个生产环节的正常运转都十分重要。就供电而言，如果发生突然停电事故，在处理不当的情况下很可能导致化工装置停车，且带来较大的经济损失，严重时甚至会导致人员伤亡、环境污染、危及社会公共安全。化工企业生产工艺连续性强，自动化程度高，技术复杂，生产工艺控制精度高，对电网扰动敏感，其供电系统同电网一样具有发电机、传输线路、变压器等供配电设备，以及各种用电设施。

化工企业供电系统一般具有如下特征：

（1）负荷容量大，可达几百兆瓦甚至几千兆瓦；

（2）负荷密度大，不同的化工装置相对集中布置；

（3）负荷性质复杂，包含了机泵、阀、仪表、程控器、照明、通讯、消防系统等；

（4）负荷等级高，一般为一级负荷和二级负荷，还有部分一级负荷中特别重要的负荷；

（5）自备热电厂成一定规模，一般设有一台或多台发电机组，单机容量可达数十或数百MW，总发电量可达系统负荷总量。

随着化工企业的不断发展，不可避免要对装置进行扩能改造，这样就必须对原有企业的电气设施进行规划发展，相应的供电系统也就必须同步进行扩容改造，但由于所带负荷被不合理地增加和安排，电网的系统性和完整性遭到破坏，供电系统成积木式堆砌形式，稳定性和可靠性也大受影响。

目前，化工企业的现状为各时期供电系统发展不尽相同，早期使用的电气设备技术陈旧，故障率较高，供电系统结构与企业发展不适应；随着企业的发展，逐步开始进行隐患治理，电网可靠性得到了提升；对于有着较长历史的化工企业，各种供电情况积累到现在，则更需要进行深层次的供电系统优化，使其与企业增长和安全生产同步发展。

2 优化标准和原则

化工企业电网为企业生产提供基础能源，供电系统安全运行是化工装置长周期运行的根本保障。目前化工企业的供电系统虽比较完善，但还需考虑对未来规划容量和实现途径的要求，做到供电系统主接线和电气设施满足可靠性和灵活性的要求。

供电系统优化目前比较常见的就是满足N-1原则，按照这一准则，供电系统的N个元件中的任一独立元件（发电机、输电线路、变压器等）发生故障而被切除后，应不造成因其他线路过负荷跳闸而导致用户停电；不破坏系统的稳定性，不出现电压崩溃等事故。

供电系统优化内容涉及下列几个方面：

（1）供电系统安全稳定的一般要求：

a. 能够满足各种运行方式下潮流变化的需要，具有一定的灵活性，并能适应系统发展的要求[1]；

b. 任一元件无故障断开，应能保持电力系统的稳定运行，且不致使其它元件超过规定的事故过负荷和电压允许偏差的要求；

c. 应有较大的抗扰动能力，并满足有关各项安全稳定标准[1]；

d. 满足分层和分区原则；

e. 合理控制系统短路电流。

上述这几点表述了一个对供电系统的评价原则，包括其结构合理性、控制灵活性和系统发展性等；同时，除了过负荷跳闸外，还明确了电压允许偏差的规定（一般不超过额定电压的5%），即稳定性和安全性的要求；另外在保证有一定的短路电流水平的同时，还必须限制短路电流，在技术允许的前提下满足经济性。

（2）供电系统的安全稳定对其布局也有明确的要求：

a. 供电能力是否满足现有负荷的需要，及其可能适应负荷增长的程度；

b. 供电可靠性；

c. 正常运行时各枢纽点的电压水平及主要线路的电压损失[2]；

d. 各级电压电网的电能损失[2]；

e. 供电设备更新的必要性和可能性。

上述这几点表述了一个对供电系统的负荷分布原则，包括负荷预测、各阶段的目标等；同时对变电所的地理位置、线路路径也需考虑。

（3）供电系统的安全稳定对其主网结构的技术要求也有相关规定[3]：

a. 供电系统主接线一般采用双母线分段、单母线分段等形式，不建议采用内桥、外桥、主母线加旁路母线等方式，发电机组的接入系统建议采用双母线或双母线分段；

b. 自备热电厂发电机组的发电负荷大于企业总用电负荷80%，且发电机组年平均利用小时数大于7 500 h，可作为电源考虑，其他方式的发电机组则不按电源考虑[3]；

c. 自备热电厂发电机组的接入系统，应经110 kV或35 kV供电系统并网，相关其他变电站的联络变压器的容量按N-1原则选取[3]；

d. 220 kV单台变压器最大容量一般不超过240 MVA，110 kV单台变压器最大容量一般不超过63 MVA，35 kV单台变压器最大容量一般不超过25 MVA。

上述这几点表述了一个对主接线方式、自备发电机组和其接入系统的选择原则，同时对下属变电站变压器容量的确定也作了原则性的规定。

（4）供电系统的安全稳定需对其优化方案进行计算分析，包括N-1原则校验、潮流计算、电压偏差计算和短路计算等：

a. N-1原则校验，即变电站负载率和停一台变压器（按停单台最大容量变压器考虑）时负载率均满足要求；

b. 规划系统合理的潮流分布，220 kV变电站功率因数均应达到0.9以上；

c. 母线电压需符合国家标准对电压偏差的要求，控制在5%以内[4]；

d. 短路电流满足设备选型需求。

3 应用分析及方案优化

3.1 某化工企业的供电现状

（1）该企业是一个拥有发、供、用电设备的完整供电系统的老企业，其中自备热电厂一座，已建成投运共6台发电机组，总装机容量为360 MW（6×60 MW），最大允许发电量为300 MW（容量按N-1原则选取），自备热电厂供电系统主接线参见附图1；220 kV变电站一座，与外电网相联，装有两台150 MVA（220/115/10.5 kV）联网变压器, 两台150 MVA（115/35 kV）有载调压变压器，最大允许受电量为135 MW（功率因素为0.9，容量按N-1原则选取），220 kV变电站供电系统主接线参见图1。企业总供电能力435 MW（最大允许发电量＋最大允许受电功率）。

（2）目前该企业发电机组装机容量为360 MW，而最大用电负荷为346 MW，理论上当所有发电机全部运行时，企业的电力生产和需求基本能够达到自足，而实际上由于热负荷的波动、机组检修（容量按N-1原则选取）需要，电力生产量仅能保证企业主要的用电负荷需求，正常需要外电网补充一定的电量才能满足企业正常生产需要，近两年电力平衡分析参见表1。

（3）对照2013年情况，自备热电厂为满负荷运行，最大负荷为346 MW，其中35 kV负荷为293 MW左右、6 kV负荷为53 MW左右，整个企业电气运行风险高度集中；自备热电厂虽有发供合一的母线、但同时也存在母线短路容量大、动热稳定性差等不利因素；另外发、供系统相互影响大，馈线短路故障以及区内故障对发电机冲击也大，容易导致其发生震荡、解列等事故，一旦发生事故，可能对企业生产造成大面积的影响。

图1 自备热电厂供电系统主接线

表1 供电系统电力平衡表（一） （单位：MW）

3.2 针对上述情况进行优化

3.2.1 用电负荷预测

在国家整个十二五发展规划期间，该企业将进行产品质量升级项目和劣质化改造及配套工程项目，但项目的实施进展时间不同，分为两个阶段，相关新增用电负荷预测参见表2。

3.2.2 建议增建配套机炉工程

由于原有自备热电厂的发电容量和220 kV变电站的受电容量均已受到限制，根据该企业的发展和对汽、电的需求，同时考虑单台机组容量的限制和兼顾其各类项目的改造实施，拟增建2台容量为50 MW的抽背式汽轮发电机组，总装机容量为100 MW（2×50 MW）。增建后，该企业将拥有8台发电机组的热电规模，满发发电量达460 MW，满足了第一阶段的负荷增长需要，具体参见表3。

表2 新增用电负荷预测 （单位：MW）

表3 供电系统电力平衡表（二） （单位：MW）

根据表3统计数据，当一台机组检修时，截至第一阶段，该企业预计外购电约为105 MW，可由220 kV变电站供给；至第二阶段，该企业预计外购电约为252 MW，220 kV变电站已不能完全供给，需另考虑其他方案。

3.2.3 优化方案

方案将遵循规范和标准的相关要求，按照统一规划、分布实施、统筹考虑的原则，提高供电的可靠性和运行安全稳定性，同时满足负荷的增长需求。

结合某化工企业的供电现状，提出一些优化方案的规划、分析和计算过程供参考。

（1）方案规划

由于现有220 kV变电站仅能满足第一阶段劣质化改造及配套项目的负荷需要，但不能满足第二阶段所涉及项目的负荷增长，因此本方案考虑再增建220 kV变电站一座，主要供第二阶段负荷用，同时增建220 kV变电站与原有220 kV变电站建设联络线，以保证供电可靠性、灵活性。现有的220 kV变电站和自备热电厂（包括增建2台发电机组）主要供现有企业负荷和劣质化改造及配套项目新增的负荷，具体参见表4；增建的220 kV变电站将主要供给第二阶段所涉及项目的负荷，具体参见表5。

从表4、表5计算结果可以看出，增建220 kV变电站一座，解决了负荷增长问题，可靠性好，不会对生产带来压力，同时有利于系统的发展。

表4 变压器负载率表（一）

表5 变压器负载率表（二）

（2）方案分析

a. 结合第一阶段劣质化改造及配套项目，自备热电厂同步配套增建2台50 MW发电机组，采用发电机-变压器组单元接线（发电机与变压器之间装设断路器），经2 回35 kV电缆线路接至220 kV变电站35 kV系统，考虑其年平均利用小时数大于7 500 h，且发电机组的发电负荷大于总用电负荷的80%，因此可以作为企业供电电源考虑；220 kV变电站110 kV GIS新增两个变压器馈线间隔用于其改造新增负荷；35 kV GIS新增四个馈线间隔，两个用于自备热电厂发电机组的接入，另两个用于与增建220 kV变电站联络，满足了35 kV供电系统联网变压器的容量按N-1原则选取的要求，优化后的220 kV变电站供电系统主接线参见图2。

b. 结合第二阶段所涉及项目，增建220 kV变电站的电源由外电网引来，与220 kV变电站电源接入点为不同电源点，并且按照不同杆架设敷设考虑；其变压器容量设置为3×180 MVA（其中一台备用），总容量为360 MVA（系统再发展时可扩大到540 MVA），220 kV主接线采用单母线分段形式，满足了供电系统的安全稳定对其主网结构的技术要求，另外35 kV GIS中有两个馈线间隔用于与220 kV变电站联络，优化后的增建220 kV变电站供电系统主接线参见图3。

c. 鉴于自备热电厂已基本处于发供平衡状态，220 kV变电站也已无法扩展，考虑到提前于生产装置的发展，增建220 kV变电站已是势在必行，且更具前瞻性；另外，自备热电厂、220 kV变电站和增建220 kV变电站三者之间均通过35 kV作联络，一旦一处电源发生故障，其他两处仍可通过调度联络，保证重要负荷的供电，灵活性和可靠性均较高。

（3）辅助计算分析

一般方案还需进行几种运行方式（如：大方式、正常小方式、特殊小方式等）下的N-1原则校验、潮流计算、电压偏差计算和短路计算，以确认整个供电系统是否满足安全稳定的相关要求，由于计算需通过相关软件进行详细分析（另文相授），本处仅列出几种运行方式的要求：

a. 大方式按照自备热电厂1台发电机组检修和停单台最大容量的变压器计算；

b. 正常小方式按照自备热电厂1台发电机组检修、1台发电机组故障计算和停单台最大容量的变压器计算；

c. 特殊小方式按照自备热电厂1台发电机组检修、2台发电机组故障计算和停单台最大容量的变压器计算。

图2 220 kV变电站供电系统主接线（点划线框内为优化增建部分）

图3 优化后的增建220 kV变电站供电系统主接线（全为优化增建部分）

4 探讨总结

供电系统优化除了能够满足近期负荷的增长需求外，还应保证近期规划向远景规划的过渡性。优化标准和原则应遵循国家标准、电力行业标准和化工企业标准的相关要求，有较强的适应性，既要保证已有系统的稳定运行，又要保证过渡方案的可实施性；同时还能起到加强主网结构，提高供电可靠性、运行安全稳定性的效果。

另外，孤网运行也是防患于未然的积极预防措施，即自备热电厂与主系统分离的一部分配电网络由一台或多台发电机组独立供电，以一定的电压频率继续运行，这样发电机组具有抵抗电网事故的能力，在电网出现事故的情况下，可利用这些机组立即带负荷，减少停电损失；更为重要的是可以保住发电机组，避免企业停电，不仅能够保证重要负荷的供电，避免次生安全事故，而且可以大大缩短重新恢复生产的时间。

[1] DL755-2001, 电力系统安全稳定导则[S].

[2] Q/GDW156-2006, 城市电力网规划设计导则[S].

[3] 中国石化电力系统主网结构技术管理规定[Z]. 2011.

[4] GB/T 12325-2008, 电能质量供电电压偏差[S].