某钢铁余热电厂孤网运行设计方案探讨

邱晓娜

摘 要：某钢铁厂余热废气回收发电二期项目在初设阶段发现并网路径长，施工难度大，并网后产生大量的并网过网费。因此该项目采用孤网运行方式，孤网运行带来一系列问题如何解决在本文中详细描述。

关键词：孤网运行，钢铁余热废气，励磁方式，负荷自动调节装置

引言

邢台德龙二期余热发电项目原设计方案为发电机组并网运行，施工图前期业主提出并网手续办理困难，并网电缆较长，电缆敷设难度大，后向我司提出希望让该项目孤网运行。在2013年2月陪同业主对沁源沁新热电、灵石、河北敬业集团等多个孤网运行厂家实地考察后，提出该发电厂孤网运行切实方案并且实施。该项目业主在2014年4月已经开始发电，目前运行良好。

一、项目概况

德龙公司是一家集烧结、炼铁、炼钢、轧材为一体的大型钢铁联合企业。现有1080立方米高炉三座，132m2、156m2烧结机各一座，120吨顶底复吹转炉两座与其配套LF精炼炉和两机两流板坯连铸机，850mm、1250mm轧机生产线各一条，工艺装备具同行业先进水平。钢铁生产过程中产生大量的煤气，为了合理回收利用高炉煤气及烧结余热资源，公司配套扩建原余热发电项目，建设德龙二期余热发电项目，装机容量为20MW，所发电量供钢厂自用。

余热电站与并网变电站距离约900m，该项目原计划利用一期项目的并网路径并网至钢厂110kV总变电站的10kV母线段。后鉴于以下原因：一、并网电缆较多；二、并网路径远，原电缆通道上再次敷设电困难；三、并网手续难以办理，即便办理通过后，需给当地电网缴纳一定量的过网费。后业主提出本工程20MW汽轮发电机组孤网运行的思路，希望我设计院能在原设计基础上进行最经济的改造，达到该汽轮发电机组能孤网运行的要求。

二、孤网特点

孤网一般指脱离大电网的小容量电网，是孤立电网。电力建设规程曾有规定，电网中单机容量为电网总容量的8%，以保证当该机发生甩负荷时，不影响电网的正常运行。电网中的各机组，一般都有10%—15%的过载余量，如果电网中的机组调速系统都正常投入，一旦某机组发生甩负荷，则电网所失去的功率可以暂时由网中其他机组过载余量负担，对供电质量的影响仍在运行规程规定的范围内。

孤网可分为以下几种情况：网中有几台机组并列运行，单机与电网容量之比超过8%，称为小网。网中只有一台机组供电，称为单机带负荷孤网。甩负荷带厂用电，也称为孤岛运行工况，是单机带负荷的一种特例。

孤网电厂运行方式由常规并网发电机组的负荷控制转变为电压、频率控制。提出合理的孤网控制策略，使得负荷、电压、频率及发电机组协调运行，是孤网安全稳定运行的关键。

（1）发电机的出力必须随时跟随负载功率的变化而变化，才能维持供电频率稳定，当功率和负荷扰动时，会引起孤网频率变化，所以发电机组采用频率控制，并要求汽轮机的调速系统具有更高的灵敏度，更小的迟缓率，更快的动响应和良好的稳定特性，以保证在外界负荷变化的情况下自动保持频率的相对稳定。即维持发电机转速在3000r/min 附近。

（2）孤网运行时，大型用电设备应使用软起装置或变频器以降低启动电流，减少对发电机的影响。当设备采用直接启动方式时，根据经验其容量尽量不要高于机组额定容量的10%。

（3）孤网运行电压仅靠发电机励磁系统调节，根据负荷端对电能质量的要求、电压稳定的要求， 发电机的端电压应基本保持不变。对发电机配套励磁系统的动态响应速度要求快。

三、有关孤网设计的应对措施

通过考察部分孤网运行电站及分析孤网电站运行的特点，我们对德龙余热发电二期项目整体方案做了以下调整：

1、厂用电电源设计

根据负荷情况，本工程发电机出口电压等级采用10kV；高压厂用电系统采用6kV（由于厂内最大变电站低压侧电压等级为6kV），高压厂用电由邻近一期并网发电工程6kV母线引接，即本工程的厂用电系统与发电机系统之间没有电气连接。业主提供的备用厂用电源，正常运行电源故障时自动切换至电网电源。据调查，德龙一期在2012年运行至今比较平稳，没有发生过故障停机情况，厂用电系统比较安全可靠。

2、孤网所带负荷选择

钢厂内用电负荷梳理后业主提出孤网运行所带负荷有三处：烧结配电室电负荷总容量约为12000kW；竖炉配电室电负荷总容量约为45000kW及除尘风机容量约2570kW。其中最大直启动电机为1000kW，满足“孤网运行时当设备采用直接启动方式时，根据经验其容量尽量不要高于机组额定容量的10%”

考察到山西沁新热电厂采时，该电厂孤网运行采用了某公司的两项专利技术：电力负荷调节系统及方法（发明专利号：200640065761.0）；电力负荷调节装置（实用新型专利号：200620008044.X）孤网运行。并且电能质量各项指标达到国家标准用电要求。经济方案比较后业主决定采用该装置调节本项目用电负荷。该装置在检测到10kV母线电压波动时，能够快速响应，自动投入或者切除，其负荷特性属于电阻性负载。

3、增加DEH孤网专用模块

DEH （汽轮机数字电液控制系统）主要任务是调节发电机组的转速、功率使其满足电网要求。该系统具有超速保护功能OPC ，当汽轮发电机组转速升到103%额定转速时，通过快速关闭调节气阀，使机组维持在额定转速运行，避免转速升高过快而停机。孤网运行时，发电机的高频切机可与汽轮机OPC 协调配合控制发电机组的转速过高，从而控制孤网的频率过高。

该专用系统通过发电机组上安装的转速反馈调节系统，即可自动根据实际转速偏离额定值的程度来调节发电机组生产的有功功率。此转速反馈调节系统（即一次调频）要求采用比例调节方式，且比例系数基本相等。比例调节使转速是有差的。通过电网中调的积分调节作用，改变调频机组的功率，使供电频率回到额定值（即二次调频）。缩短DEH运行时间，增加转速微分修正，修改超速限制等功能来更适用于孤网系统。

4、变更发电机励磁系统

由于原订货发电机配套励磁系统为无刷励磁，现根据孤网对励磁的响应速度调整为静止可控硅励磁系统。

（1）静止可控硅励磁

可控硅静止励磁系统是发电机无需自身带励磁机，励磁电源从机端或者厂用电供给，由可控硅直接整流控制，供给转子线圈，这时必须由碳刷换向才能通入转动的转子线圈，生磁场切割定子线圈。它所具有以下特点：

1）有碳刷滑环，但励磁响应速度快。励磁电压响应时间在0.08s以下。

2）优点是发电机与励磁系统界限明显，相对独立，直观明了，而且转子励磁电流、励磁电压容易取得，数值准确，检修方便。

3）由于电刷存在磨损，运行人员要经常巡视、更换电刷。电刷与滑环接触易产生环火和大量发热（不易安装于防爆，防火的地方）。

4）缩短了轴系长度，可减小厂房和基础的造价，调整容易，故障后维修时间短，因而可以提高发电效益。

5）灭磁方式有多种，一般采用直流灭磁开关灭磁，时间控制不大于40ms。

（2）无刷励磁

机组励磁系统是由发电机和与发电机同轴连接的励磁发电机组成。这种励磁发电机不同于和发电机同轴的直流发电机，这种励磁发电机实质是交流发电机，它所产生三相交流电通过连接在其轴上的旋转整流器进行整流，输出的直流电直接接在转子的绕组上，用来产生转子磁场。有交流励磁机和旋转硅整流，但无碳刷，动态响应慢。加上励磁机的时间常数，励磁电压响应时间在1S以上。

鉴于孤网运行电压仅靠发电机励磁系统调节，因此对励磁系统的响应速度要求高，因此本工程发电机采用静止可控硅励磁系统。

四、结论

本工程按照上述原则设计方案进行调整以后，经过业主的确认后进行工程实施，该电站在2014年4月投产，投产至今运行良好，是孤网运行的一个很好的范例。

参考文献：

[1] 吴作君，苏国友，包自力，张劲.钢铁厂自备电厂孤网运行若干问题的研究[J].安徽科技，2012（9）：41～42.

[2] 张健铭，毕天姝，刘辉，薛安成.孤网运行与频率稳定研究综述[J].电力系统保護与控制，2011（11）：149～154.