阿联酋某水泥生产线余热发电项目孤网运行研究

李大庆，李广敏，李治强

阿联酋某水泥生产线余热发电项目孤网运行研究

Study on the Isolated Network Running of Waste Heat Power Generation Project in a UAE Cement Line

李大庆1，李广敏2，李治强1

1 前言

阿联酋某项目当地有完备的配电网，但在项目建成之后，当地电力部门不允许余热发电站并网运行，因此只能采取措施，使余热电站带水泥生产线的一部分负荷孤网运行。

根据水泥厂的实际情况，计划用余热电站带水泥磨系统孤网运行。改造生料磨配电站，双母线供电，母线间不连接，余热电站和国家电网分别为一段母线供电，配电负荷可以在两段母线间切换，保证供电可靠性和灵活性。运行方式是先运行水泥生产线，然后启动余热电站，余热电站启动后再逐步将生料磨配电站国家电网母线段部分负荷转移到余热电站母线段，由余热电站发电机供电。余热电站孤网运行，发电机停运不影响水泥生产线正常运行。

余热电站发电机装机容量为7.5MW，估算发电量为5.7MW，其中最大电机为生料磨电机，功率2 800kW。

2 孤网运行电站存在的问题

（1）生料磨电机（2 800kW）相对于发电机容量过大，启动电流冲击会造成低频、低压，使得发电机停机，或者无法启动生料磨电机。

（2）水泥生产线大电机突然甩负荷，此种工况对电厂的冲击很大，汽轮机将超速，发电机端电压升高，严重时汽轮机、发电机保护动作停机。

（3）汽轮发电机的电压、频率和转速不稳定，会随负荷的变化而变化，电源品质差，安全系数低。

（4）在大负荷变动情况下，负荷对汽轮机冲击很大，长期运行会造成汽轮机调速器损坏，甚至冲垮汽轮机正常工作状态。

（5）排汽频繁，噪音大，严重浪费热能和水资源。

（6）余热电站孤网运行的项目几乎没有，缺少余热电站孤网运行经验。

3 水泥厂负荷分析

3.1 生料磨电机（2 800kW）启动曲线（图1）

由图1可见，生料磨电机的启动电流约为额定电流的1.25倍，正常运行时电流约为额定电流的0.8倍。

3.2 生料磨负荷清单（表1）

图1 生料磨电机（2 800kW）启动曲线

表1 生料磨车间负荷清单

3.3 生料磨车间负荷曲线（图2）

由图2可知，生料磨配电站正常运行时最大负荷为6 800kW，最小负荷为3 300kW。最大负荷时发电机没有足够能力提供全部电量，需要将部分负荷转为电网供电。最小负荷时功率较低，余热不能完全利用。

图2 生料磨车间负荷曲线

4 孤网运行方案

4.1 余热电站增加旁路系统

4.1.1 旁路系统的配置

增加一设计进气量为60%的大旁路系统，作为该厂生料磨设备的电机储备功率。旁路后剩余气量进入汽轮机进行发电，具备发电能力约1 000kW左右，能够满足汽轮机的最低运行要求，可保证汽轮机组稳定运行。

4.1.2 旁路系统的功能（图3）

孤网运行时，负荷的变化造成锅炉和汽轮机的运行情况不相匹配，当锅炉产生的蒸气量大于汽轮机所需要的蒸气量时，多余部分可以不进入汽轮机而经过旁路减温减压后直接引入凝汽器，避免蒸气对空排放对环境造成噪音污染。旁路系统的这些功能在机组启动、升负荷、降负荷或甩负荷时是十分必要的。

图3 旁路系统

（1）改善机组的启动性能，加快启动速度。机组冷态或热态启动初期，当锅炉给出的蒸气参数尚未达到汽轮机冲转条件时，这部分蒸气就由旁路系统流到凝汽器，以回收工质，适应系统暖管和储能的要求。

（2）在机组启动时，可以控制主蒸气压力；正常运行时，监视锅炉出口压力，防止超压。

（3）机组低负荷运行阶段，锅炉仍维持较高的蒸发量运行，多余的蒸气经过旁路减温减压后直接引入凝汽器，减少了对锅炉的调节。

（4）在生料磨电机启动时，电站DCS接收生料磨电机启动请求并确认后，关闭大旁路系统，发出“允许启动”信号给水泥线DCS，充分利用锅炉的储能功能，启动生料磨电机。

（5）在机组部分甩负荷的情况下，主蒸气压力超过规定值时，大旁路阀迅速开启进行减压泄流，从而对机组实现超压保护。

（6）汽轮机短时故障，可以实现停机不停炉运行。停机时，锅炉产生的新蒸气经旁路系统减温减压后进入凝汽器，回收工质，维持锅炉的稳定运行，以便汽轮机重新快速启动。

总之，旁路系统具有启动、泄流和安全三项功能。

4.2 增加柴油发电机

增加柴油发电机方案（见图4）。

图4 增加柴油发电机后单线图

4.2.1 柴油发电机的配置

柴油发电机的容量按照能够单独启动生料磨电机（2 800kW）来考虑（不再考虑其他负荷的启动情况）。生料磨电机的启动电流为1.25倍的额定电流，为此柴油发电机容量为1.25×2 800=3 500kW，6.6kV。

4.2.2 柴油发电机的作用

（1）作为余热电站的启动电源

余热电站配置了柴油发电机组，电站的柴油发电机组可以充当余热电站的启动电源。

（2）作为生料磨配电站内其他电机的启动电源

生料磨配电站的其他电机启动可以利用柴油发电机组，启动后可以将负荷转移到余热电站发电机组。

（3）启动生料磨电机

生料磨电机（2 800kW）相对于发电机容量过大，可利用柴油发电机与余热发电机并列运行以保证大电机的启动。电机启动后，余热电站的负荷逐渐增加，柴油发电机组缓慢退出运行。

4.2.3 需要注意的问题

（1）增加柴油发电机满足大电机启动需要，要与余热电站并列运行，维持电网稳定性。

（2）鉴于柴油发电机组在孤网运行中的重要作用，需要在运行期间采取措施，确保柴油发电机组的绝对安全。汽轮发电机组与柴油发电机组并网运行后，应逐渐减小柴油发电机组的负荷，使柴油发电机组缓慢退出运行。

4.3 旁路系统和柴油发电机协调运行

4.3.1 启动生料磨电机

生料磨电机通过柴油发电机组启动，同时开启旁路系统，将生料磨负荷的电机逐渐转移到余热电站的发电机上。生料磨电机稳定运行之后解列柴油发电机，由旁路系统继续跟随负荷的变化。

4.3.2 生料磨电机紧急停机

突然甩大负荷，此种工况对电厂的冲击很大，汽轮机将超速，发电机端电压升高，严重时汽轮机、发电机保护动作停机。为此建议：因为孤网运行的电站采用频率控制，为保证电气设备的安全稳定运行，电站的频率波动范围设定为48.5～51.5Hz，水泥生产线的负荷波动在10%的范围内，电站是可以接受并可以安全稳定地调节，当＞10%时电站的调节将非常困难，超频保护动作，启动锅炉的旁路系统上的快速启闭阀。

5 余热电站发电机电量分配

5.1 电源分配

电源分配方案见图4。余热电站发电机和国家电网2个电源分别为生料磨配电站I段、II段母线供电，两段母线间不联络。生料磨配电站负荷可以在两段母线间切换，负荷在两段母线间切换时需要做好机械和电气联锁，避免两段母线发生非同期并列。余热电站发电机孤网运行。

5.2 负荷分配

由图2可知，生料磨负荷在3 300～6 800kW间波动。根据计算，余热电站发电机额定发电量约为5.7MW。

生料磨配电站负荷低时，无法完全消耗发电机发出的全部电量，会造成浪费，可以将水泥厂办公、生活负荷或其他不影响水泥生产线运行的负荷转移部分至生料磨配电站，使得余热发电电量能够被完全利用，增加余热利用率，创造经济效益。必要时切换至余热电站母线段。

当生料磨配电站负荷高时，余热电站发电机不能满足整个生料磨配电站供电要求，可以将部分负荷转移到国家电网母线段，由电网供电。增加柴油发电机后的总发电量约为9.2MW，余热电站加上柴油发电机的供电量能够满足整个生料磨配电站供电要求。

5.3 注意问题

（1）生料磨负荷在国家电网母线段和余热电站母线段切换时要做好联锁，避免非同期并列。

（2）提前预估生料磨配电站负荷波动情况，提前做好负荷切换，避免无计划负荷波动对余热电站发电机造成冲击。

6 汽轮发电机投运前的负荷准备

汽轮发电机低负荷运行会造成汽轮机末级叶片的水蚀、颤振等损坏，凝汽器的凝结水溶氧量升高，造成腐蚀等，根据其安全运行要求，10%发电装机容量即750kW不能＞24h，长时间运行要求在15%～20%发电装机容量即1 000～1 500kW以上，故一定的负荷准备是电厂投运的基础。

汽轮发电机升负荷时，可开启生料磨车间辅助设备，满足汽轮发电机运行基础负荷1 500kW的要求。

从和汽轮机厂联系的情况看，汽轮机升负荷的时间，从15t的进汽量增加到35t的进汽量，在3 000 r/min的热态情况下需要几分钟完成。这说明在汽量足够大的情况下，汽轮机可以快速增加负荷。为此，在增加旁路系统的情况下，有可能利用旁路系统来启动大电机负荷。

7 相关设备调整和设置

7.1 修改DEH（505）的功能设置

孤网运行时，DEH（505）应采用转速控制方式。

7.2 发电机励磁调节及电气保护

为保证孤网运行时发电机出口电压稳定，投入发电机励磁系统的电压自动控制（AVR）。通过调节励磁电流来维持发电机端电压在一定范围内，同时需要调整电气低频低压，高频高压保护定值。

7.3DCS系统的工作

（1）水泥生产线大设备准备启动时，要提前准备好锅炉的热量并开始运行旁路系统或开启柴油发电机组，在大设备启动过程中，要让旁路系统或柴油发电机与其配合好，使得大设备顺利启动。

（2）针对锅炉热惯性大的特点，水泥生产线大设备在启动前，发出请求信号到电站DCS系统，电站运行人员需要适当提高主蒸气压力等参数，并保证旁路系统工作正常，柴油发电机工作正常，为升负荷做好准备，发备妥信号给水泥生产线，水泥生产线再启动大设备。

（3）水泥生产线大设备准备停机前通知电站，电站也应提前适当降低主蒸气压力等参数，并保证旁路系统工作正常，为减负荷做好准备。

（4）完成旁路系统的自动控制功能。

（5）发出信号完成柴油发电机的投入和解列功能。

8 结语

本文讨论了水泥生产线余热电站孤网运行的可能性，并提出了孤网运行方案。方案中同时增加旁路系统和柴油发电机，可行性较强。因为没有可借鉴的实例供参考，可以在实际执行过程中先增加旁路系统，根据余热电站旁路系统运行情况再确定是否增加柴油发电机及柴油发电机容量。此种方式最节约投资，执行效果最好。■

TQ172.622.22

A

1001-6171（2017）03-0071-04

：1中材节能股份有限公司天津300400；2国网天津城东供电分公司天津300250；

2016-08-27；编辑：赵星环