一小型化工企业的一次供电方案改造

【摘 要】 本文结合一个工程实例，介绍了一台抽背压式汽轮发电机组的孤岛运行改造，并提出了一个小型化工企业经常会遇到的电气接线（中压系统）的备自投配置方案。

【关键词】 石油化工企业 生产连续性强 供电可靠性 抽背压式汽轮发电机组 孤岛运行 快切装置 启动判据 频率判据

石油化工企业的特点自动化水平高、生产连续性强，当中断供电将在经济上造成重大损失，主要设备损坏、大量产品报废、连续生产过程被打乱且需较长时间才能恢复正常生产。基于此，根据《供配电系统设计规范》（GB50052）的规定，石油化工企业的用电设备大部分为一、二级负荷，另有一小部分的保安负荷及三级负荷。因此石油化工企业对供电可靠性的要求是很高的。

本文所提需进行供电方案改造的企业是一个烃类的生产企业，虽然说规模不是很大，但对供电可靠性的要求 还是很高的。然而，由于地处海岛，雷电活动非常频繁。附图1为该厂的供电系统主接线示意图，其35kV进线为架空线（不具备采用电缆进线的条件），而正是这两路进线，被雷电击中的几率很好，而且有时还是两条线路同时被打中。因此，雷电就成了该企业意外停产的主要因素，而本次的隐患治理改造也正是在这种背景下开始的。

在谈改造工作之前，先把该厂的供电系统情况介绍一下。该厂以10kV为主供电网络，并设有10kV总配一座，10kV装置配6座，另有热电装置一个，详见表1。

通过与业主的交流知道，在外电源完全失去的情况下，他们首保的装置为热电装置（因为突然停电不但对锅炉损害很大，且开车时间也很长，进而使得恢复生产的时间也很长），其次是几个开车较慢的化工装置；而当外电源仅失去一路时，要力争全厂不停车。而本次的改造工作正是基于业主的这种思想进行的。下面就分外电源完全失去及外电源仅失去一路两种情况来介绍相应的改造方案。

1 外电源完全失去

根据以上描述我们知道，在该情况下，如果要按业主的指导思想进行改造，就必须使发电机能够孤岛运行。我们还知道，该厂只有一台15MW抽背压式汽轮发电机组，而这种机组的发电量完全是由蒸汽的用量决定的，如果要使发电机能够孤岛运行，就必须保证在电平衡的情况下蒸汽也是平衡的！

先看一下电平衡情况。该厂总用电量约23.7MW，而发电机的发电量仅15MW。也就是说，在发电机孤岛运行时，至少约8.7MW的电负荷是要切除的。于是我们就事先选定几个开车相对容易一些的化工装置，在外电源完全失去的情况下快速切除，而这种切除工作就由设在10kV总配的低周解列装置来完成。

再看一下蒸汽平衡情况。之前有过交代，该厂有两台130t/h CFB锅炉，互为热备。由此我们可以看出，厂内的蒸汽源是非常充裕的，加之有些化工装置在发电机组孤岛运行时要切除，蒸汽用量就会更少，所以不用担心蒸汽不足的问题！然而，如何能够让通过背压机组的蒸汽量刚好能被剩余的化工装置消耗掉，而达到蒸汽的平衡呢？如果不靠巧合的话，我想这是不可能的！但是我们不能把希望寄托于巧合，要想到解决办法！而我们想到的解决办法就是在背压机的出口设置一个压力控制的放空阀，这样，背压机出口的一部分蒸汽由剩余的化工装置消耗掉，而无法消耗的部分就放空。这样，蒸汽也平衡了。

“电平衡”和“蒸汽平衡”是发电机组孤岛运行时所表现的两种状态，而如何才能达到这两种状态还需要其它的一些条件。发电机组在孤岛运行的初始阶段，电负荷和蒸汽负荷都在变化，而发电机组对这种变化的调节性能的好坏就成了发电机组孤岛运行成功与否的关键！而这就要求汽轮机主汽门动作要足够快，汽轮机调速系统的二次调频功能要足够好，还需要发电机励磁系统的响应时间要足够及时。主汽门动作是否够快我们很难去度量；而现在励磁系统的响应时间都很快，对于孤岛运行都是没有问题的。然而对于汽轮机调速系统，根据向其供应商咨询，若要使其具备二次调频功能就必须在外部给一个启动信号！那么这个信号由哪里来呢？于是我们考虑了两种途径，其一是在控制室操作台上设置一个硬按钮，由该按钮靠人工启动调速系统二次调频功能，当然这个仅作备用；其二是由自低周解列装置引来一个信号，也即低周解列装置在检测到电压频率异常的时候启动调速系统二次调频功能。

这就是针对外电源完全失去情况的系统改造方案。当然了，这样改造完了发电机组也不一定每一次都能够孤岛成功，但至少在一定程度上减少了全厂完全失去电源的几率，为生产多了一层安全保障！

2 外电源仅失去一路

在外电源仅失去一路时，若要保证全厂不停车，有两种途径可以实现。其一是10kV总配内10kV母联快速闭合，且保证在这个过程中低压电机接触器不脱扣；其二是各10kV装置配10kV母联快速闭合，同样要保证在这个过程中低压电机接触器不脱扣。我们知道，低压系统接触器的脱扣时间是很快的，其具体时间与系统容量的大小有关系，但一般不会超过200ms，而这对母联自投在动作时间方面的要求是非常高的，常规备自投能够实现吗？下面我们就分析一下常规备自投。

在常规备自投中，由于电动机反馈电压的存在，为避免对电动机和变压器的冲击，普遍采用等残压基本衰减后才进行切换的方式。这时，备自投装置从开始切换到母联开关合上需要约1～1.5s时间，而这就导致高压电机转速极大降低，低压电机接触器也全部脱扣。在这种情况下，即使备自投能成功完成，想要装置所有装置不停车也是不可能了，顶多也就是能保证安全停车或缩短恢复生产的时间。因此，常规备自投解决不了我们的问题！

因常规备自投存在以上所述问题，通过调研，我们决定在各10kV装置配的10kV系统设置快切装置（至于为何不在10kV总配及热电装置设快切装置之后将有讲述），下面再来介绍一下快切装置。

快切装置通过有选择性的快速启动（主保护启动快切，后备保护闭锁快切）和原理先进的无冲击合闸方式（快速切换和同期捕捉切换），将负荷断电时间控制在极短的时间内，可有效解决因系统外晃电、系统内故障引起的电气事故和生产停产的问题，基本实现企业供电网络的“零停电”。以下为快切装置在事故情况下的启动方式（快切装置在正常情况下的切换方式及其它特点因与解决我们问题无关，这里不再介绍）：

（1）功率方向启动：通过10kV进线的功率方向来启动快切。该方式可有效判断失电的发生，保证快切快速动作。

（2）保护启动：通过进线电缆纵差保护来启动快切。该方式可有效保证快切准确的动作、快速的切换，全部切换时间可控制在100ms左右。

（3）开关偷跳启动：通过检测进线开关“偷跳”的信号，并配合检测进线无流来启动快切。该方式为不对应启动方式，可有效区分手动分闸、遥控分闸还是开关偷跳，避免误动作。

（4）无流启动：通过检测进线无电流信号和其它辅助判据综合判断，确定是否启动快切。该方式可有效解决某一进线失电或相邻变电站、线路发生故障造成电压波动等“晃电”的事故，是快切的另一重要快速启动判据。

（5）失压启动：通过检测到母线三相电压均低于失压启动整定值且进线无流时，启动切换。该方式为前三种启动方式的后备方案，属于慢速启动判据，保证最低程度的供电连续。

简单介绍完快切装置，我们再回顾一下该厂的10kV系统。我们知道，10kV总配内10kV母线除有两路系统进线外，还与一台15MW发电机联络。若未接发电机的10kV母线失去系统电源，各10kV装置配10kV母线只需要通过快切装置实现母联的快速闭合就可以保证全厂不停车了（热电装置因永远与发电机接在同一段10kV母线，故在该情况下热电装置电源不受影响）；但若接发电机的10kV母线失去系统电源时会怎么样呢？在第二种情况下，若系统电源故障，10kV总配内该段10kV母线还是连有发电机这个电源的，它不但不是很可靠（因我们不能保证发电机孤岛运行每次都能成功），还对各装置配10kV系统快切装置的启动产生很大的负面影响。再看一下之前介绍过的快切装置的几个判据，看哪个判据可以启动。因发电机的存在，进线功率方向不会变，也不会没有电流，故进线功率方向判据及无流判据都不会启动；进线电缆纵差保护未动作，保护启动判据也不会启动；进线没有跳闸，开关偷跳判据更不会启动；那么失压启动判据会启动吗？也许会，在发电机孤岛运行不成功而被拖垮时，失压启动判据是会启动的，但这对解决我们的问题有什么用呢？因为在这种情况下的启动其实与常规备自投已经没有区别了，于解决我们的问题毫无帮助。

为解决10kV总配内接有发电机的10kV母线失去系统电源时，各10kV装置配10kV系统快切启动的问题，我想到了频率判据。我们知道，现在的高压电网都是环网运行的，虽然10kV系统没有环网，但由于其上级或上上级是环网的，所以10kV系统在并网的情况下其两路进线的频率是一样的，于是我提出能否设频率差判据及频率变化率判据，也就是说，如果快切装置检测到两路进线频率出现设定的差值或检测到其中一条进线频率明显异常，就启动快切，再辅以电压等辅助判据，这个启动快切的条件就成立了。当我拿这个想法与快切厂家技术人员讨论的时候，他们经过研究也认为是可行的，于是我们在常规快切的基础上又增加了一个判据――频率判据，而正是这个判据解决了连有发电机的10kV母线失去电源时的快切启动问题。

10kV装置配的问题解决了，热电装置怎么办呢？

关于这个问题，我提出在热电装置设快切装置。当快切装置检测到以上启动条件且在另一路进线电压正常的情况下，首先解列发电机，之后通过快切装置（避免发电机非同期合闸的冲击）合备用进线，同时启动汽轮机旁路减温减压器，在完成切换之后发电机再人工并网。因发电机仅仅是解列，汽轮机仅仅是甩负荷，所以发电机再次并网的时间将很短，甚至半个小时就能完成。然而，由于业主对他们厂现有减温减压器的响应时间及可靠性都不太相信，他们更相信发电机孤岛运行成功的几率要高于启动减温减压器成功的几率（之前该厂发电机在事故情况下以手动方式孤岛运行成功过两次，于是他们对发电机的孤岛运行很有信心）。于是，在发电机所连的10kV总配内10kV母线失去系统电源后，随着各10kV装置配内各10kV电源的成功切换，热电装置就转为由孤岛运行的发电机供电了。而根据本人向热工专业人员咨询，减温减压器的切换时间是很短的，足以保证蒸汽供应的连续性，而且其可靠性也是很高的！故本人至今仍认为设置快切装置并启动减温减压器更可靠。但因各厂的条件不尽相同，他们根据自己的生产及运行情况都会有自己的习惯，这个无法强求，因业主的坚持，本人也同意同意了他们的想法。

3 结语

类似该厂的这种电气主接线，在很多中小型化工企业中都是很常见的，写出来，权作技术交流，希望在您碰到类似问题的时候会有所帮助！

参考文献：

[1]国家标准《供配电系统设计规范》（GB 50052-2009）.

[2]许正亚，宋丽群，刘微，韩笑.《电力系统安全自动装置》中国水力水电出版社，2006年版.

[3]熊为群，陶然.《继电保护、自动装置及二次回路》第二版.中国电力出版社.