炼化企业被动孤网安稳控制策略关键因素分析

李志远，刘维功，时振堂，张 涌，钱志红

(1.中国石油化工集团公司生产经营部，北京 100728 2.中国石化大连石油化工研究院，辽宁大连 116041)

稳定性是电力系统在扰动(功率或阻抗变化)后保持稳定运行的能力，包括功角稳定性、电压稳定性、频率稳定性[1]。电力系统三道防线[2]，第一道防线为预防性控制，以保持充裕性和安全性，使用继电保护，快速有选择地隔离故障；第二道防线为稳定控制系统，采取切机、切负荷、主动解列等措施，防止系统失稳；第三道防线为失步解列，快速隔离事故电网，频率及电压紧急控制，防止系统崩溃。

孤网是孤立电网的简称，一般指脱离大电网的小容量电网[3-5]。目前，国内外对孤立电网安全稳定控制技术的研究主要包括[6]以下方面。

a)频率稳定技术。当不平衡功率较小时，实施一次调频改造，包括：减小调频系数，增大调频限幅，减小调频死区，适当提高OPC动作定值[5-9]。当不平衡功率较大时，实施高频切机和低频减载[10-12]。

b)电压稳定技术。主要包括：负荷控制[13-14]，增加AVR自动电压控制[14-15]，切除励磁系统PSS功能[14-15]。

炼化企业被动孤网是指因为电力系统多重事故导致企业局部电网失去外部大电网联络，依靠自备热电机组保证部分重要负荷的安全运行，待并网恢复全面生产的过程，这是炼化企业电力系统的一种严重事故运行状态。由于炼化企业热电机组调整困难，影响稳定的因素多，被动孤网运行极易引发局部系统崩溃，导致全厂事故停车，甚至产生安全环保次生事故。据美国统计，2009年至2014年炼化企业发生大面积停电事故470起/年，损失巨大[16]。因此，孤网稳定运行对炼化企业的安全生产具有重要意义。

1 炼化企业孤网稳控技术研究应用现状

上海石化孤网稳定控制技术[17]，系统配置包括：1个由SEL-1102计算机平台组成的主站，3个由SEL-2100保护逻辑处理器组成的从站，17个由SEL-2505和SHL-369H组成的子站。

主站SEL-1102安装并运行孤网稳控策略软件，处理3个从站和17个子站采集的实时测量值，按照电力缺额、162回供电线路的实时负荷和系统运行方式确定第一、第二轮切除负荷线路，处理结果写入从站的SEL-2100保护单元。SEL-2100接收来自装设在2回对外联络线上的SHL-369H保护测控单元发出的触发信号，对SEL-1102写入的第一、第二轮切除线路发布跳闸命令。子站的SEL-2505接收并执行SEL-2100发布的跳闸命令。

巴陵石化孤网稳定控制技术[18-20]，主要是使用SEL型多功能保护装置，通过“110kV关口保护+负荷联切”实现。主要原理为：①功率外送且系统低频时自动解列，避免被系统拖垮；②进电运行系统故障解列时，自动切除与功率缺额相当的负荷，确保孤网后负荷平衡；③系统并网回路故障解列后，自动检同期投备用线路，自投不成功进行自动重合闸，尽快恢复并网。

镇海炼化通过三级低频解列+三级低频减载装置实现了孤网稳定控制。在220/110 kV联络变压器的110 kV侧设置第一级系统解列点，设置低频解列定值49.5 Hz/0.5 s。在石化变压器、动力中心变压器、炼化变供电区域的110 kV侧开关或35 kV侧开关设置第二级系统解列点，设置低频解列定值48.5 Hz/0.5 s。在含6 kV发电机的装置变电所的6 kV进线设置第三级系统解列点，设置低频解列定值47.5 Hz/1 s。

扬子石化—巴斯夫公司通过调度调整两台220/110 kV联络变的运行方式进行孤网的自动减负荷。正常运行时，一台联络变带有全部发电机组及主要负荷运行，控制交换潮流为-0.3～17 MW，发生被动孤网后，发电机组带大部分重要负荷形成孤网，即可保证企业孤网运行时系统频率在稳定的范围内。另一台联络变带有孤网时可切除的少数负荷。这种孤网稳控方法简单、可靠，但需要调度运行人员经常调整联络变的运行方式。

广州石化联合高校进行了孤网稳控策略的系统研究，文献[21-22]介绍了部分已开展的工作，提出了区域孤网的概念，并设计了稳控系统配置方案，制定了稳控策略，进行了稳控系统仿真。目前，正在实施孤网稳控系统。

2 炼化企业孤网稳控理论分析

炼化企业热电机组同时提供生产过程的电力和蒸汽，相互耦合紧密，生产过程自动化程度高，电力负荷需要根据生产情况进行调整。因此，炼化企业电力系统孤网稳控远比电力行业的复杂和重要，需要根据炼化企业的生产和能源产用特点，研究开发炼化企业被动孤网稳定控制技术。

2.1 电压稳定分析

传统孤网电压稳定控制技术包括：负荷控制；增加AVR自动电压控制；切除励磁系统PSS功能等。

炼化企业电力系统具有良好的电压控制基础：①系统无功配置充足、分布合理，具有就地补偿和集中补偿的电容器、SVG等，系统联络线基本无无功功率交换；②热电机组同步发电机设置AVR自动电压控制，停用励磁系统PSS功能；③联络线通常装设快速保护，能够迅速切除故障点，无功消耗时间短；④多装设低压自动减负荷装置，是保证电压稳定的后备措施。

因此，炼化企业被动孤网后，系统无功重组并可自动调节，电压也可自动保持稳定，不必增加额外的电压稳定控制技术。

2.2 频率稳定分析

传统孤网频率稳定控制技术分为两类。第一类，当功率不平衡较小时，实施一次调频改造；第二类，当功率不平衡较大时，实施主动高频切机和低频减负荷。频率稳控的效果，取决于两类稳控技术的共同作用。

与电力行业相比，炼化企业的电网容量小，发电机数量少，是典型的“小网大机”系统。炼化企业自备热电机组与发电厂单元制机组也不同，一般采用集中母管制，所有锅炉的蒸汽汇集到蒸汽母管，再由蒸汽母管分配到热电机组汽轮机和蒸汽管网供其他用汽装置[23-24]。炼化企业热电机组正常运行时按照“以汽定电”原则，即按照生产装置用蒸汽量设计，热电联产主要是提高能源转换效率和经济效益，多数为一级或两级抽汽凝汽/背压机组。正常运行时，热电机组一次调频功能退出，实行恒功率控制。通常，炼化企业发电容量均小于负荷，孤网运行不必考虑高频切机的稳控技术，必须增加和完善低频减负荷。

电力系统突然发生有功功率缺额，系统运动方程为：

(1)

式中:Tm——施加于转子的机械转矩，N·m；

Te——发电机的电磁转矩，N·m；

J——发电机组的转动惯量，kg·m2；

对上式进行推导[20]，得到：

(2)

(3)

式中:f∞——最终频率，Hz；

f0——初始频率，Hz，一般为50 Hz；

PG——总发电有功功率，kW；

PL——总负荷有功功率，kW；

M——发电机组等值惯性时间常数，s；

KL——负荷的频率调节效应系数，p.u.。

在公共电网中，由于负荷准确统计的难度很大，KL一般采用参数辨识的方法计算[25]。在炼化企业中，采取理论计算的方法获得KL准确数值。

(4)

式中:a0——与频率无关的负荷，如照明等；

a1——与频率一次方成正比的负荷，如压缩机等；

a2——与频率二次方成正比的负荷，如电网中的线损；

a3——与频率三次方成正比的负荷，如离心式风机、水泵等。

设fres为切除负荷后希望恢复的频率，则以稳态频率计算切负荷量Poff的公式为：

Poff=PL-PG-KL/{1-KL+[f0/(f0-fres)]}×PG

(5)

根据国家标准GB/T 15945-1995《电能质量：电力系统频率允许偏差》规定：电力系统正常运行条件下的频率偏差限制为±0.2 Hz，系统容量较小时，适当放宽到±0.5 Hz。

炼化企业电力系统容量通常≤1000 MW，孤网事故时，考虑汽轮机OPC保护和与低频减负荷配合，可考虑放宽到±1 Hz。暂态频率和稳态频率控制在49～51 Hz时，认为系统频率稳定，即：

(6)

3 孤网过程分析及影响因素

炼化企业孤网过渡过程大体分为5个阶段：

a)外部电网或联络线路故障发生到切除阶段，时间为0～0.1 s，频率变化取决于故障的类型。当企业电力系统整体或局部联络线发生短路故障时，由于系统电压和有功功率下降，发电机组转速升高、系统频率小幅上升，将超过额定频率。若炼化企业系统联络线无故障跳开，此过程可忽略。如果外部短路切除时间过长，由于炼化企业机组小，机电暂态时间短，发电机转速频率升高可能超过OPC保护定值，导致系统频率崩溃。

b)频率自由波动切除阶段，时间约为0.1～1 s，频率变化取决于故障切除时间及功率差额。当炼化企业热电机组与外部电网解列，发电机带部分或全部负荷形成局部系统孤网。由于此时发电机和负荷因频率变化引起的功率波动控制系统来不及反应，可以按照传统电力系统分析方法进行频率波动计算。定性的来说，若发电出力大于用电负荷，则孤网区域频率上升，若发电出力小于用电负荷，则孤网区域频率下降。如可能超出机组OPC或低频减负荷动作值引起更大的波动甚至崩溃，应按照电力行业经验，增加快速的主动切负荷或切机措施。

c)热电机组自动调整阶段，时间约1～10 s，频率变化取决于调速系统的控制参数。在频率变化值超过发电机调速系统调节死区时，调速系统介入工作。系统频率经PID调节的暂态波动后，短时可能稳定在额定值。系统频率的变化，与调速系统PID调节的控制参数、调频系数、调速器频率限幅、调频死区等参数有关。

d)电力负荷受控调整阶段，时间约1～10 s，但一般迟于热电机组调整，频率变化取决于控制系统调整负荷功率的大小。孤网后系统频率变化将严重影响电力负荷的出力，包括厂用电和生产装置机泵。某一被控对象特性的变化，都会影响到其它相关联的控制对象，这种影响往往是十分复杂的[26]。通常，电力系统频率下降时，控制系统发现物料流量、压力、温度下降，会自动调高阀门开度或变频器频率，增大流量和电动机有功功率，最终再次引起频率的下降，甚至崩溃。

e)蒸汽系统影响阶段，时间约5～1000 s，频率变化最终取决于锅炉总蒸汽产量与热电机组和生产装置的总用汽量的平衡。与电力行业全部锅炉蒸汽用于发电机组不同，炼化企业锅炉产生的蒸汽优先满足生产装置的需求，热电机组实际上起到蒸汽平衡和热电联产提高效率的目的。

图1 企业孤网稳控过程系统频率变化

通过以上分析可知，各阶段都有可能发生频率失稳，导致系统崩溃，并且各阶段发生失稳时间可能有部分互相交叉。

目前多数炼化企业应用电力行业经验，增加主动联切负荷等稳控措施，并进行了大量的负荷排序等工作，初步解决了稳控系统缺失的问题，如图1所示增加稳控系统后的炼化企业孤网频率变化过程。

由于炼化企业的特点，现有技术不能保证孤网运行要求，有大量内容有待研究。

a)由于炼化企业电力系统容量小，很难做到功率完全平衡。

b)稳控系统主动切除部分生产装置后，蒸汽产用量发生变化，需要通过热电机组重新平衡，应研究蒸汽对电力的影响。

c)电力系统频率是由负荷特性决定的，受控负荷特性缺乏研究和模型。

d)电网结构与保护应适应快速隔离故障和自动恢复并网的要求。

因此，炼化企业孤网稳控技术，必须研究负荷受控特性和蒸汽对电力系统的影响，建立相应的分析模型，才能制定完善的稳控策略。

4 炼化企业孤网稳控策略的制定

通过以上分析，炼化企业孤网稳控策略的制定，主要包括以下几个步骤：

a)孤网区域和界面划分。炼化企业的电力系统随着企业发展不断变化，热电机组可能分布在系统的不同电气和物理位置。因此，应按照潮流平衡的原则，识别划分孤网区域和界面。

b) 制定合理的孤网判据。目前，孤网的判据主要监测以下几种信息：开关变位、保护动作、电流突变、电流方向、功率变化和功率方向、频率和电压突变等。炼化企业区域孤网应根据实际孤网区域的拓扑结构与运行状态，对以上检测信息的部分或全部进行优化简化及逻辑组合。

c)负荷优先级排序。负荷优先级排序表，一般由生产工艺、公用工程等部门根据重要性和关联性确定。

d)计算稳控装置主动切负荷量。按照公式(5)，以公式(6)为约束条件，根据功率平衡原则，建模仿真或手工计算不同孤网模式下的切负荷量，必要时需要分组或考虑蒸汽影响。

e)设置低频低压减负荷装置定值。炼化企业通常设置低频低压减负荷装置，作为频率或电压失稳后的备用手段，应与稳控装置配合，定值低于稳控装置切负荷的条件。

f)受控负荷建模。研究电力负荷在系统波动时的计算机模型，校核切负荷方案，确保频率在暂态变化过程中不会引起孤网系统的扰动及崩溃。

5 结语

炼化企业孤网运行策略制定涉及电气、仪表、动力、工艺等多个专业，是一个系统性工程，需要根据炼化企业的电网特点，重点研究负荷受控和蒸汽系统模型，建立设备的数学模型和系统仿真模型，分析孤网后蒸汽电力联合平衡，才能制定完善精确的炼化企业孤网稳控策略。

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