茂名石化供电系统安全运行分析

【摘 要】 茂名石化公司是特大型石油化工企业,企业的生产经营、经济效益在国民经济中起着举足轻重的作用;它的显著特点是装置多、工艺生产过程复杂,装置间物料联系十分紧密,技术密集,大量采用DCS、ESD、FSC、现场总线等国际先进水平的自动化控制技术;物料多为易燃易爆有毒有害物质,生产设备工作条件极为苛刻,高温高压、低温深冷;这些特点对企业电力系统的安全供电提出了很高的要求。

文章从电源可靠性、电网结构的合理性、变压器备用容量、自备发电机、大电机自启动、母联备自投及电机自启动装置、自动准同期装置和快速切换装置的应用、电气专业管理等方面对石化企业安全供电的情况进行分析探讨,并就如何做好石化企业安全供电工作提出了建设性意见。

【关键词】 备用容量 自启动 备自投 自动准同期 快速切换

0 引言

茂名石化公司为国有特大型企业,目前已发展成为1350万吨/年的炼油加工能力和100万吨/年乙烯产能的炼油化工联合企业,它的自备电厂和电网是随生产装置的建设而建设, 其电力系统按生产装置的布局,分为新区(乙烯厂)、老区(炼油厂)、(储运系统)等3个供电区域。 它的发供电系统具有以下几个特征:

(1) 供电系统容量大。容量在560MVA以上,正常时日均用电量达到600kW・h以上,是国家电力网中的用电大户。

(2) 自发电能力强。自备发电机容量在200MW以上(其中乙烯厂100MW,炼油厂100MW在建预计2009年9月并网发电)。

(3) 电力网结构复杂,供电电压等级多。变配电站多而分布很散,高压输电线路纵横交错,电缆配电系统很大。其中外线110kV高压输电线路11条,总长84km,均分别与茂名市地区电网相联;厂内线110kV高压输电线路7条,有110kV变电站7座,110kV变压器18台,35kV高压架空输电线路14条,总长100km;35kV变电站6座, 6kV变电所70多座,6kV供电电缆几百千米。

(4) 炼油化工生产工艺的特殊性对企业内部电力网的安全供电要求很高很严。使企业电网不仅具有电力行业的基本特点,而且还有针对炼油化工特殊性的一些特点。

如何搞好这样一个复杂电网的安全供电,笔者认为应当注意以下几方面的问题。

1 电源可靠性

石油化工企业的电力用户均为一、二类用户。必须要有可靠的供电电源点,至少应有三个电源点。一般的方案是从国家电力网引入两个供电电源点,任何一个供电电源点失电时,另一个电源应有足够的系统容量确保企业的全部用电负荷。再一个是企业的自备电源。依企业各自的不同情况,自备电源的选择容量有所不同,选择的原则是,当两个外部电源点失电后,自备电源能确保几十套生产装置安全平稳停车,不发生次生灾害,尤其是不能发生火灾爆炸事故。也称作保安电源。当有足够容量时可以保证一套或几套关键生产装置正常生产运行。

2 电网结构的合理性

大型石油化工企业电力网的主网结构很复杂,输配电线路电压等级高,一般为100kV或35kV。完善合理的主网结构对安全稳定供电起着关键作用。以乙烯厂内部电力网为例,2006年以前乙烯厂仅有30万吨/年的产能,供电网也相对简单只有一个110kV总变电站,即以110kV中站为总电源分别向下级20余座6kV变电所供电。经过2006年9月百万吨乙烯改扩建以后,主网结构做了较大的调整,使主网结构趋于完善合理。形成了三个110kV中心变电站分别给下级近30座6kV变电所供电,三个中心站之间增设110kV联络线的供电格局。

110kV联络线的实施,不仅可以做到三个110kV站间负荷的转移,避免了因外线路停电所造成的单回路供电风险,当任何一台大功率发电机解网时,联络线也能起到负荷平衡作用。有些企业电力网主结线多处T接,不仅给各级保护配置带来困难,而且使供电可靠性大大降低,特别在线路故障时扩大电气故障范围。所以T接方案不可取。

3 变压器备用容量

石化企业内部电力网各级变电站变压器备用容量都较大,负荷率一般是0.5左右。中心变电所多采用两台主变方案,任何一台主变退出运行,另一台主变能接带全部负荷。对于较大的生产装置,配电所多采用多台变压器供电。选择备用容量的原则是:

(1) 按1:1配备。当一半变压器失电,带电的另一半变压器应能带全部负荷。

(2) 条件允许时再设一台备用变压器,正常处于冷备运行状态,任何一台变压器退出运行,备用变压器可立即投入带负荷,确保装置供电。

但是,随着石化企业装置生产规模的逐年扩大,变压器的负荷率也逐步上升。一般来说分变电所变压器负荷率不宜超过50%,中央变电所负荷率不宜超过66%。这样,可以在不影响装置正常生产的情况下完成电气设备的检修调试工作。如果负荷率过高,则应及时考虑增大变压器的容量。

4 自备发电机

以乙烯厂为例进行现状分析,主要有1号(25MW)、2号(25MW)、3号(50MW)发电机组,均为双抽凝汽式机组,它们由1号和2号两套CFB锅炉提供动力能源,发电机正常运行时为化工系统提供约一半的负荷及起到一定的保安电源作用。但必须重视发电机的接入方式和汽轮机的控制方式是否合理、完善,否则一旦电力系统发生故障停电会引起事故扩大化,而发电机也因“不堪重负”解网停机,造成大面积停电,生产装置非计划性停车,甚至引起火灾、爆炸等重大安全事故。

以2008年的2号裂解装置“6.3”火灾事故为例:由于设计上存在缺陷,3号发电机是按照北站电力就地消耗后剩余部分必须送至厂内中站和南站,不向外电网反送电设计,当榭烯北线因遭受雷击停电,停电范围就波及到中站和南站并引起火灾事故,3号发电机因负荷远超过其额定容量而解网停车;在3号汽轮机自动控制方式上只有“并网功率调节”方式,没有脱网后的“孤岛”转速调节运行方式,脱网时只有当发供电平衡时,3号发电机才能维持运转。整改措施:在没有解决自备发电机电力有偿上网的条件下,电力调度要根据生产装置及3号发电机运行状况及时调整运行方式,在稳定运行时要求将榭烯北线的供电量控制在0.5MW以下。在解决自备发电机电力有偿上网后,停用北站到中站和南站的线路。发电机在继电保护方面也必须与系统紧密结合统筹布置,逻辑图如图1所示。

当3号发电机正常发电并网时,将快切压板退出,此时若电网发生事故即可通过相应保护跳发电机并启动6kV主配快切装置,以最大限度地减少对生产造成的影响。当3号发电机停机时,将快切压板合上以闭锁发电机保护,仅通过1号主变差动保护来启动快切装置。

茂石化内部电网有效装机容量小,对地方电网的依赖程度很深也是当前存在的一安全隐忧。尤其是炼油厂目前最大的发电机组仅为6000kW的背压机组,厂内供电几乎完全依赖外网,加上电网结构中三个110kV站之间没有110kV联络线,当110kV站其中一条外线因上游设备检修或预防性试验而停电时,极易造成110kV站的单电源供电,这对生产装置的安全稳定运行构成很大不确定因素。加快发电机组建设,改善电网结构已不容忽视。目前,炼油厂在建的两套CFB锅炉和两台50MW发电机组正在如火如荼的进行中,预计2009年9月能够并网发电,并且新增3条110kV联络线,逐步改善电网结构,届时炼油厂供电系统将基本上做到自发自用,安全可靠度更高。

5 大电机启动

随着科学技术的不断发展,炼油化工装置的单体加工能力越来越大,单机设备功率很大,拖动大电机的应用范围也越广。大电机的启动问题也成为企业内部电力网的主要矛盾。启动方式的选择不仅直接影响工程的一次投资大小,而且也影响到电力网本身的安全稳定运行。选择启动方式的原则是:在系统最小运行方式下,大电机启动过渡过程中,电网内各个结点(母线)电压降小于15%,电动机机端电压降小于25%。从电压开始下降至恢复到正常电压水平的时间以不影响工艺生产为原则。(一般控制在10s之内为好)。

启动方案很多,依本企业电力网的具体情况做选择。满电压启动,也称直接启动。降压启动有串电抗器;并电容器;串并电抗电容器;自耦变压器;液体变阻器;同轴小同步机拖动等。软启动有变频调整、可控硅等。各种启动方式中最简便,可靠最强,投资最少的是满电压直接启动,只要满足电网和机端电压的要求,启动时间越短越好。一般小于10s。启动时间短可以减轻对电网的冲击和对生产工艺的影响。降压启动可以大大减弱对电网的冲击,但启动时间拖的很长,只要对工艺生产无影响,也是可取方案。变频调速启动是目前最好启动方式,可以做到基本上对电网无冲击,负荷电流从零平滑地达到满负荷额定电流,母线电压维持不变。但是投资很大,技术复杂,要求高,一般是直接启动的10～20倍。在投资允许的提前下,选变频调速软启动最理想。

以乙烯厂2号高压聚乙烯装置一、二次压缩机为例,一次机和二次机的功率分别为6000kW和22400kW的超大型机组,10kV下额定电流分别为361A和1326A,启动电流按3.5倍计算分别有1263A和4641A,这样大的启动电流如果启动方式选择不合理,将会造成整个电网潮流分布的改变和局部母线电压过低,造成大面积停车。因此,在设计之初就考虑从乙烯北站110kV母线上单独引出一条110kV线路(北高线)经0号主变(110kV\10kV)降压后,以10kV作为一\二次机的工作电压,而不是直接挂在6kV母线上;以此减轻电机启动时对整个电网造成的影响,并增加了软启动装置,如图2所示,当一次或二次机启动时,启动柜A2或A3合闸,启动后自动切换到运行柜,即B5或B3合闸,A2或A3分闸。

另外,乙烯厂高密度装置挤压粒机9939kW、2号聚丙烯装置挤压粒机10600kW、1号高压聚乙烯装置二次压缩机10200kW三台大同步电机为了节省工程投资,采用了满电压(6kV)直接启动方式。按系统最小运行方式做启动电网初步计算,计算结果比较满意,为慎重起见经过专家的动态摸拟试验和电力网计算机模拟计算,从数十个可以实施的运行方式中选定了两种方式:①在两台40MVA主变并列运行的方式下直接启动,例如高密度挤压粒机、2号聚丙烯挤压粒机采取此方式②在一台40MVA主变和一台25MVA发电机并列运行的方式下直接启动,例如1号高压聚乙烯二次压缩机采取此方式,系统内部母线电压均可以满足启动和运行要求。并限定两种方式下启动时所带负荷必须小于总容量的50%,就可以随时启动上述大电机。

启动时先通过启动柜满电压直接启动,然后切换至运行柜带负荷。而运行柜与启动柜的区别在于前者具有出线电抗器。这是为了在主变电所配出线短路时维持主变电所6(10)kV母线的残余电压,以及限制装置变电所的短路容量,不得不在主变电所母线配出端安装出线电抗器。出线电抗器的安装又给大型电动机启动及供配电系统运行等带来了一系列问题。大型电动机回路出线电抗器的选择是一个非常严格的问题,电抗百分值选择小了,不但短路电流限制的不够,而且大型电动机启动时对主变电所6(10)kV母线的冲击也很大;选择大了,又不能保证大型电动机启动时的机端电压及启动力矩。因此,先通过不带电抗器的启动柜启动后,再自动切换至运行柜带负荷运行是最安全有效的方法。

6 母联备自投及电机自启动装置

大型石化企业变电所一般为两进线电源和两段母线,当一段母线失电后通过母联备自投装置(BZT)自动动作,恢复母线供电,从而恢复装置生产。BZT装置是一种提高供电可靠性经济而又有效的重要技术措施,BZT装置一般在0.5～2s之内完成。

BZT装置的基本要求:

(1) 工作母线电压低于规定值且大于预定时间,方可动作;

(2) 备用电源电压正常时,方可动作;

(3) 必须在工作电源断路器断开后,方可动作;

(4) BZT装置动作投入于永久性故障时,应加速跳闸并只动作一次;另外,BZT装置还应有过流闭锁功能,防止过流故障引起断路器跳闸后造成事故扩大。

同时,BZT装置本身还需要考虑不同电压等级间的配合问题。我公司现采用35kVBZT动作时间1.0s,6kVBZT动作时间1.5s,0.4kVBZT动作时间2.0s。从运行情况看,满足电气系统简单、合理、可靠的要求,收到了良好的效果。与母联备自投紧密相关的一个技术问题是电机的自启动问题。BZT自投成功后,具备自启动条件的6kV高压电机由于其低电压保护动作时间大于母联自投时间(1.5s),所以母联自投成功后不会出现停车。不具备自启动条件的电机则由其低电压保护(0.5s)动作跳闸,以防止电机群起而造成母联或线路电流保护动作跳闸。但在低压系统(0.4kV)故障后,即使低压母联自投成功,仍有大批低压电动机停车,引起装置停工。这是因为大量低压电机开关或启动器都配有0.75倍额定电压瞬时脱扣机构,只要电压降到0.75倍额定电压瞬时脱扣断电。

茂石化公司经过数次晃电事故后,已逐步解决了这一技术问题。在低压脱扣回路中增加延时闭锁或机械自保持,发生停电后延迟几秒钟,躲过瞬间失电时间。通过采用电机自启动技术,最大限度的避免对装置生产的影响。以前通过时间继电器延时来实现自启动功能,由于使用元器件多,接线复杂,继电器可靠性不高等原因,使用效果很不理想。近几年随着电子技术和制造工艺的发展,采用专用电机自启动继电器(MRR)和电机群分批自起动装置来实现多台电机的分批自启动,都达到了满意的效果。电机自启动继电器(MRR)由于是单个回路安装,具有安装灵活,调试简单,可靠性高的优点,适合自启动电机数量较少的场所使用。电机群分批自起动装置采用集中安装,统一控制,具备微机检测功能,还可实现母联自投功能,适合于自启动电机数量多,监控水平高的场所使用。通过采用以上两种自启动措施,茂石化公司因电压波动引起的装置停机数量大大减少,保证了生产装置的长周期运行。

7 自动准同期装置的应用

同期点的并列操作是电力系统中一项主要的操作内容。因为断路器的两端由不同的电系统供电,若同期点断路器的合闸时机不适当,两端的电参数相差较大,就将会引起断路器爆炸甚至整个电力系统稳定破坏而导致崩溃,发生大面积停电的重大恶性事故。以往在日常倒闸操作中,尤其是炼油厂供电系统6kV以下变电所无检同期装置,经常遇到并列操作时环流过大,甚至超过了开关的过流保护定值,引起保护误动作。造成整个供电系统电压、电流波动或相关变电所的停电。

众所周知,电力系统中任一点的电压瞬时值可以表示为u=Umsin(ωt)。可以看出,同期点断路器并列的理想条件就是断路器两侧电压的三个状态量全部相等,即待并系统电压UG和大系统电压UX两个相量完全重合并且同步旋转。用公式表示则为:(1)ωG=ωX或fG=fX(即频率相等),(2)UG=UX(即电压幅值相等),(3)δe=0(即相角差为0)。此时,并列合闸的冲击电流等于零,并且并列后两个系统立即进入同步运行,不会产生任何扰动现象。而通过自动准同期装置的广泛应用,就可使并列操作满足条件,尽量使合闸时达到理想条件。在这方面乙烯厂做的较好,所有6kV以上变电所均装配检同期装置,400V以下也基本装有检同期装置。

8 快速切换装置的应用

传统的备自投切换在石化企业应用中存在明显不足,主要表现为切换的延时较长。石化6kV(10kV)母线的备自投,通常设定的延时为0.8～1.5s。此时,部分电动机已经被切除,即使没被切除的电机,其电压和转速已经有很大下降,此时倒换到另外一侧母线,需要相对较长的时间才能恢复正常运行,对一些石化产品的生产造成不利影响,甚至发生过因备自投工作较慢,加上人为操作不及时造成事故扩大,引起重大损失的案例。因此,技术上迫切需要一种既能在0s级快速切换,又能避免合闸冲击的备用电源快速切换装置。

厂用电快速切换装置是基于厂用电“同期捕捉切换”原理,它是发电厂厂用电气系统的一个重要设备,与发变组保护、励磁调节器、同期装置一起,被合称为发电厂电气系统安全保障的“四大法宝”,对发电厂乃至整个电力系统的安全稳定运行有着重大影响。对厂用电切换的基本要求是安全可靠,其安全性体现为切换过程中不能造成设备损坏或人身伤害,而可靠性则体现为保障切换成功,避免保护跳闸、重要辅机跳闸等造成机炉停运的事故。目前,乙烯厂CFB锅炉的厂用电系统已装配快切装置。

“同期捕捉切换”技术不仅在电厂的厂用电系统中得到一定的应用。同样,这项技术完全可以在石化的配电系统中得到应用。目前,炼油厂、乙烯厂所有110kV站均已应用了MFC2000―3S快切装置,经过三年多时间应用证明,由外电网系统的影响(如:停电、晃电等),导致企业内部电网稳定中断时,所引起的装置停机数量大大减少,保证了生产装置的长周期运行。

9 电气专业管理

要保证石化企业安全供电,除了上述几个具体方面外,还应加强电气的专业管理。我公司积极推进电气技术管理的“三三二五”制,即三图:系统模拟图、二次线路图、电缆走向图。三票:倒闸操作票、检修工作票、临时用电票。三定:定期检修、定期试验、定期清扫。五规程:运行规程、检修规程、试验规程、安全规程、事故处理规程。五记录:运行记录、检修记录、试验记录、事故记录、缺陷记录。

通过认真执行“三三二五”制,我们健全了电气资料和设备台帐,规范了检维修程序,完善了电气记录,使电气设备的日常巡检和定期检修有机结合,超前预想、超前预防与电气缺陷彻底消除相结合,逐步走出了电气工作紧急抢修多、突发事故多的困境。此外,加强电气系统的调度管理及时调整内部电网的运行方式对企业电力系统的安全运行也起到举足轻重的作用。

茂名属台风多发地区,在台风季节(6～9月)根据实际生产负荷情况,及时投用主变和改变运行方式,制定完善的事故应急预案,以应对台风对安全生产可能造成的影响。同时,我们注重对继电保护定值的管理。积极联系地区电力部门,及时了解外电网系统阻抗和运行方式变化,对内部电气系统参数和继电保护定值进行校核,优化二次系统的保护配置。做好进线线路和关键设备的保护投退,满足系统安全运行要求。