短期孤网技术在自备电厂中的应用.pdf

2023 年第 4 期总 第 266 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER短期孤网技术在自备电厂中的应用李军，冯文雄（马鞍山钢铁股份有限公司，安徽马鞍山 243000）【摘要】以钢铁、化工为代表的一些重工业企业，对供电可靠性有较高的要求。生产时如发生供电中断故障，不仅会造成经济损失，甚至会引发安全事故。在配备有自备电厂的一些工业区，可引入专门应对外部电网故障的短期孤网技术，当外部电网发生故障时，厂内电网可迅速与外部电网脱离，实现厂内机组带负荷孤网运行，防止外部电网故障穿越并影响厂内电网。待外部电网恢复后，还可自动实现厂内机组与外部电网同期并列运行，极大提高了重要工业区供电可靠性。【关键词】自备电厂；供电可靠性；短期孤网【中图分类号】TM732【文献标志码】B【文章编号】1006-6764（2023）04-0013-04 【开放科学（资源服务）标识码（OSID）】Application of Short-term Isolated Network Technology in Self-provided Power PlantsLI jun，FENG wenxiong（Maanshan Iron and Steel Co.，Ltd，Maanshan，Anhui 243000，China）【Abstract】some important industrial enterprises，such as iron and steel and chemical industry，have high requirements for power supply reliability.Once the power supply is interrupted，they may not only face very serious economic losses，but also cause serious safety accidents.In some industrial parks equipped with self provided power plants，a set of short-term isolated network technology can be introduced to deal with the external network fault.When the external network fault occurs，the power grid in the plant can be quickly separated from the external network，so as to realize the isolated network operation of in plant units with in plant load，and prevent the external network fault from passing through and affecting the in plant power grid；After the recovery of the external network，it can also realize the parallel operation of the in plant units with load and the external network at the same time，which greatly improves the reliability of power supply in important industrial parks.【Keywords】self provided power plant;Power supply reliability;Short term isolated network引言孤网是孤立电网的简称，一般泛指脱离大电网的小容量电网1。正常情况下，厂内发电机组与外部电网并列运行，当外部电网发生故障时，并网联络线开关跳闸，厂内发电机组能够带内部负荷孤网运行，此技术称之为短期孤网运行技术。国内配备自备电厂的工业企业，虽然自备电厂能够提供一定的电力，但因供电可靠性不高，正常情况下，厂内发电机组会与外部电网并列运行，厂内生产线通过外部电网供电。当外部电网发生故障时，内部一些重要负荷受到影响会发生跳停，从而影响厂内生产线的正常运行。因此可引入短期孤网技术，解决上述难题，提高系统供电可靠性。1 短期孤网技术功能要求1.1 迅速主动解列能力当外部电网出现故障，可能危害内部电网安全时，能够迅速主动地与电网解列。外部电网故障可能有以下几种情况。（1）外部电网低频1值。当电网频率50.5 Hz（可整定），且加速度1 Hz/s时，应认定为外部电网故障危及内部电网安全，延时0.2 s解列；（4）外部电网高频2值。当电网频率50.75 Hz（可整定），则直接认定为外部电网故障，危及内部电网安全，延时0.2 s解列；（5）由于外部电网接地故障，造成电压电网额定电压的70%（可整定），认定外部电网故障危及内部电网安全，延时0.5 s解列。1.2 自动调整负荷能力在与外部电网解列之后，内部电网的控制和保护系统能够调整发电机组负荷，或者切除部分用电负荷，使得内部电网的发电量和用电量平衡。内部电网能够自动投入控制和保护功能，切换发电机组运行模式，维持频率和电压稳定，使得内部电源点能够带负荷稳定运行。1.3 具备负荷波动冗余能力孤网运行期间，在发电机组和用电设备完好的情况下，发电机组能够承担一定范围的负荷波动，维持频率和电压的稳定。一般情况下，发电机组能够承担的负荷波动为8%，频率波动小于0.5 Hz，电压波动小于5%。1.4 故障状态下快速调整能力多台机组孤网运行时，如果出现1台机组故障跳闸，应通过切除用电负荷和调整余下几台机组出力的手段，维持系统稳定。如果出现负荷侧故障，造成负荷跳闸，发电机组能够相应地快压机组出力，维持发电和用电平衡。1.5 自动重合闸技术在外部电网恢复之后，内部电网能够自动同期合闸，并入外部电网。2 短期孤网控制功能的防护作用在短期孤网技术中，需考虑各种可能的事故工况，并设计专门的控制功能，具体包括：机网协调功能、稳定控制功能、低频减载功能以及机组甩负荷带厂用电（FCB）功能。这些功能共同构成了短期孤网系统的五道防线。2.1 第一道防线：并网运行，防止孤网当并网联络线上有潮流容量限制时，需要利用厂内发电机调节性能，维持上网或下网有功潮流在限制值内，并在必要时，快压发电机组出力，或快切园区内用电负荷，防止潮流越限。2.2 第二道防线：孤网运行，小负荷波动在外部电网发生故障，进入孤网运行后，针对可能出现的小负荷波动影响电网频率和电压，需利用机网协调系统，通过调节发电机出力，控制内部电网母线频率和电压稳定。2.3 第三道防线：孤网运行，遭遇大负荷冲击在孤网运行过程中，大负荷冲击有两种情况：（1）下游用电负荷出现大负荷冲击，如有大负荷跳停时，用电负荷出现缺额，需利用稳定控制功能，快压机组出力，使发电和用电重新达到平衡2，维持电网稳定。（2）一台机组出现故障跳闸时，发电负荷出现缺额，需利用稳定控制功能，在考虑其他机组蓄热情况下，快切一部分不重要负荷，重新建立发电和用电平衡，维持系统频率和电压的稳定2。需要注意的是，在孤网运行过程中，要尽量避免大电机启动，特别是大负载直启电机。在直启电机启动过程中，其启动冲击负荷能达到额定负载的67倍，而软启电机启动冲击也能达到额定负载的23倍。因孤网可调节容量较小，稳定性较差，因此在孤网运行过程中，应尽量减少不必要的负荷冲击。2.4 第四道防线：孤网运行，系统低频孤网运行过程中，如果出现更恶劣的工况，如多台机组跳闸等，造成电网低频时，需利用低频减载功能，按照预先设定的低频定值切除相应负荷。2.5 第五道防线：孤网运行，极端工况在孤网运行过程中，出现极端工况造成孤网崩溃，或发生母差保护动作等工况时，从母线上解列的机组能够实现FCB功能，保证机组不停机，待电网恢复后，机组能够重新快速并网。综上，短期孤网系统的五道防线是一个有机整体，通过这五道防线，能够极大提高厂内电网运行的稳定性3。3 短期孤网对外围设备要求出现短期孤网时，为了能够保证系统稳定运行，还需对电站的相关设备提出要求。3.1 锅炉及辅机为了在发生严重故障时，机组能够实现FCB功能，锅炉及其辅机应满足快速排汽要求，防止锅炉142023 年第 4 期总 第 266 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER超压。一般情况下，可配置一定容量的高压向空排汽装置（PCV阀），建议配置多只PCV阀，以便分级控制。3.2 汽轮机及其调速系统汽轮机调速系统应选择高性能产品，应能够满足机组FCB工况要求。汽轮机液压系统宜采用动作灵敏方案，油动机在最大进油条件下从全开到全关所需要的油动机时间常数250 ms；在伺服阀指令控制下全关和全开的时间500 ms。3.3 旁路系统为了实现发电机组FCB，应配置足够容量的旁路，旁路和PVC阀的总容量锅炉最大连续蒸发量的70%。旁路减压减温阀快开时间8 s。3.4 发电机及其励磁系统发电机及其励磁系统应该按照 0.85的功率因数，在输出额定有功和无功功率情况下，长期稳定运行，并且能够在高负载特殊运行方式下保持安全稳定。其励磁应选用高性能的产品，以满足电网无功调节要求。励磁系统应具有外部通信接口，以利于电网运行方式的分析和调整。4 短期孤网试验为了验证孤网技术的可行性，以某钢铁企业自备电站为对象进行试验。试验前厂内4台机组并入国家电网运行。4.1 并网切孤网试验在并入国家电网运行过程中，并网联络线有功潮流为-10 MW（“-”表示外网向厂内送电），此时，断开并网联络线开关，系统进入孤网运行。试验曲线见图1。从试验结果看，断开联络线开关进入孤网运行时，并网联络线潮流由-10 MW减小到0 MW，厂内电网出现10 MW的发电缺额，系统控制机组增加出力，总有功由 170.9 MW 增加至 181.0 MW（峰值183.3 MW），增加量为10 MW左右，迅速维持了发电和用电平衡，系统频率最低降至49.92 Hz，在12 s后重新稳定至50 Hz。4.2 孤网运行中机组跳闸试验在孤网运行过程中，其中#1机组带26 MW左右负荷，断开机组出口开关，试验曲线如图2所示。从试验结果看，在断开#1机组出口开关后，孤网总有功由181.0 MW降至154.98 MW，孤网内出现26 MW发电缺额，此时稳控减载功能启动，切除下游负荷，下游总负荷由181 MW降低至155 MW，使孤网内发电和用电重新达到平衡。在机组跳闸瞬间，系统频率最低降至49.95 Hz，下游负荷切除后，系统频率最高升至50.02 Hz，稳定时间约10 s。5 结论针对外部电网故障影响工业区电网的难题，引入短期孤网控制技术，提出五道防线概念，设计基于孤网的控制系统。经试验验证，无论是在并网切孤网时，还是在孤网运行过程中出现机组跳闸等严重工况时，短期孤网控制系统均具备良好的抗冲击能力，能够保证工业区内电网的安全稳定。图1 并网切孤网运行152023 年第 4 期总 第 266 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER 参 考 文 献 1 严也火.孤网运行技术在某项目中的应用研究 J.中国高新科技，2019（4）：86-88.2 杜文亚，王毅.浅析孤网运行控制策略在印尼镍铁项目自备电厂中的应用 J.钢铁技术，2018（4）：36-39.3 周进标，郭许林.孤网技术在印度京德钢铁项目的应用 J.中国资源综合利用，2020，38（8）：68-71.收稿日期：2023-03-10作者简介：李军（1981-），男，本科，助理工程师，现从事高压电气专业工作。图2 孤网运行中机组跳闸（上接第5页）（3）添加压缩空气系统，压缩空气直通熔盐管道。（4）有效设置电伴热并加强系统监测。未来需积极探索主动性防冻堵解决方案，研发适用于工程应用、热物能更优的熔盐介质，从介质源头解决冻堵问题，优化和提高系统能效，获取更高经济效益。3.2 储能系统与电价政策关系研究熔盐储能运行经济性与电价直接挂钩，外围电力交易政策、辅助服务政策等对电价影响很大。不同省份电价差异较大，储能配置必须考虑地区电价政策差异并建立完善的评估体系。熔盐储能经济效益需要结合特定应用场景、特定技术方式、地区税收和供配电等政策优惠情况具体评估。企业宜尽早将储能系统纳入集成管理，合理评估系统投资回收期。3.3 储能系统与生产工艺的耦合研究熔盐储能在形成一定规模后，经济效益是可观的，但钢铁厂热源分布较散，热源品质也不同，热用户往往也不在附近区域，这就导致熔盐系统的设计需要结合钢铁企业的特定生产场景、特定生产工艺，例如炼钢、轧钢、烧结等生产工艺，合理设计储能规模并与常规热储能方式进行技术经济对比，在系统运行安全基础上确保技术经济可行。4 结论在新能源大力发展环境下，储能市场应用场景逐渐增加，熔盐储能作为一种成熟的储能技术，在钢铁行业有较大挖掘空间。本文通过对熔盐储能发展现状、应用场景、系统设计评估思路以及未来发展方向的研究，为工程设计提供一定参考依据。参 考 文 献 1 史君杰，何培育，熊超.我国钢铁行业清洁能源发展现状及建议J.中国国情国力，2022（4）：41-45.2 李峻，祝培旺，王辉，等.基于高温熔盐储热的火电机组灵活性改造技术及其应用前景分析 J.南方能源建设，2021，8（3）：63-703 周宇涵.熔盐蓄热供热技术研究与示范项目 J.区域供热，2021（3）：129-133.收稿日期：2023-05-05作者简介：吴娅（1990-），女，硕士，工程师，主要从事热力发电、储能、分布式能源研究。16