提高大型化工裝置供電網(wǎng)絡(luò)可靠性典型案例介紹與分析

張登博(神華寧夏煤業(yè)集團烯烴一分公司， 寧夏 靈武 750411)

提高大型化工裝置供電網(wǎng)絡(luò)可靠性典型案例介紹與分析

張登博(神華寧夏煤業(yè)集團烯烴一分公司， 寧夏 靈武 750411)

本文介紹圍繞圖一所示的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)所進行的三個方面改進，一是啟備變超負荷改進，二是110千伏線路接入方式改進，三是鍋爐發(fā)電機直流電源改進，重點是介紹改進的必要性和改進決策的理由分析。

故障情況;電網(wǎng)改進決策;理由分析

1 啟備變超負荷(見圖一)

1.1 故障情況(一)

(1)時間地點: 2010年3月13日,烯烴一套動力中心。

(2)設(shè)備運行狀況：3號發(fā)電機在軸瓦檢修中，2號啟備變帶5號鍋爐運行，4號發(fā)電機帶4號6號鍋爐運行。

(3)設(shè)備參數(shù)：2號啟備變?nèi)萘?0000千伏安、4號鍋爐8000千瓦、5號鍋爐8000千瓦、6號鍋爐8000千瓦。

(4)故障過程：4號發(fā)電機勵磁裝置故障引起發(fā)電機跳閘，4號6號鍋爐快切裝置動作，將4號6號鍋爐負荷移至2號啟備變運行，造成2號啟備變過負荷告警。

1.2 故障情況(二)

(1)時間地點：2010年11月8日,烯烴一套動力中心

(2)設(shè)備運行狀況：2號發(fā)電機在計劃檢修中，3號發(fā)電機在計劃檢修中，1號啟備變帶2號鍋爐和3號鍋爐運行，1號發(fā)電機帶1號鍋爐運行。

(3)設(shè)備參數(shù)：1號啟備變20000千伏安，1號鍋爐8000千瓦，2號鍋爐8000千瓦，3號鍋爐8000千瓦。

(4)故障過程： 1號發(fā)電機汽輪機故障緊急停機，1號鍋爐快切裝置動作，將1號鍋爐負荷移至1號啟備變運行，造成1號啟備變過負荷告警。

1.3 改進辦法

(1)3號發(fā)電機原運行方式：發(fā)電機并網(wǎng)開關(guān)點在35千伏3段發(fā)電機開關(guān)柜，發(fā)電機停機時，所帶3號和5號鍋爐必須通過快切移至1號和2號啟備變備用段運行，發(fā)電機開機并網(wǎng)正常后，再將3號和5號鍋爐負荷通過快切裝置移至發(fā)電機工作段運行。

(2)安裝時間地點：2013年5月,在3號發(fā)電機出口,母線連接處拆開,加裝了一臺ABB大容量斷路器(額定電流10500安，短路電流有效值100千安)，改造二次回路(操作、保護、測量),將發(fā)電機并網(wǎng)點有35千伏開關(guān)移到此開關(guān)上。

(3) 3號發(fā)電機新運行方式：發(fā)電機開機時通過大容量斷路器并網(wǎng)，向3號發(fā)變組網(wǎng)上送電，發(fā)電機停機時，3號發(fā)變組變?yōu)閺木W(wǎng)上吸電,3號和5號鍋爐運行不受3號發(fā)電機開停影響，3號鍋爐和5號鍋爐工作段改為由3號發(fā)變組變壓器長期供電，3號和5號鍋爐備用段與工作段切換關(guān)系保持不變。

1.4 改進理由分析

(1)原設(shè)計思路的合理性分析: 如圖一所示,原設(shè)計者在這張圖上的設(shè)計,從設(shè)計原則供電穩(wěn)定性等分析是沒有問題的,其理由，備機原則通常選擇1:1比例,即3號發(fā)電機與4號發(fā)電機可以互備，不再考慮兩者同時有問題情況。即便是出現(xiàn)3號發(fā)電機4號發(fā)電機全停情況，使用蒸汽量必然減少，只要停所帶的爐就不會出現(xiàn)啟備變超負荷情況。

(2)電氣改進理由：電氣的理由在于，雙回路供電，一端失電另一端應(yīng)該具有全部承擔(dān)能力，避免變壓器過負荷而進行的移負荷操作，即對超負荷段的互備設(shè)備停運，不超負荷段的互備設(shè)備開啟。

(3)工藝改進理由：工藝的理由在于，無論是鍋爐還是發(fā)電機要根據(jù)工藝的生產(chǎn)狀況、檢修狀況任意組合運行方式，而不能根據(jù)電氣原因決定停那臺開那臺，例如,工藝就要求停3號機4號機，開4號5號6號爐運行方式。這一點，在化工單位,電氣車間往往是服從，電氣的定位是一個輔助部門,是以服務(wù)的角色做好各方面工作,所以就必須首先改造自己的設(shè)備。

(4)設(shè)備運行狀況迫使： 空分、氣化、合成、丙烯、聚合裝置都需要穩(wěn)定的蒸汽供給才能正常生產(chǎn)，由于鍋爐、汽機、儀表、電氣突發(fā)性故障非常多，且相互交叉出現(xiàn),特別是電氣的12套快切裝置切換成功率較低，給化工裝置供蒸汽造成緊張狀況，為?；どa(chǎn)，就常常出現(xiàn)發(fā)電機全停局面，所以，就必須選擇改造。

2 烯烴一套二套總變110千伏線路接入方式(見圖一)

2.1 故障現(xiàn)象

(1)烯烴一套線路介紹：烯烴一套總變110千伏線路有兩條,徐烴一線(烯烴甲線)徐烴二線(烯烴乙線)，分別來自寧東供電局徐家莊變電所不同段,是同塔雙回結(jié)構(gòu)，每條線路載荷能力150兆瓦,可以單獨承擔(dān)50萬噸聚丙烯生產(chǎn)能力，在烯烴一套總變兩條進線,寧東供電局允許可以并列運行。

(2)烯烴二套線路介紹：烯烴二套總變110千伏線路有兩條，蔣烴一線蔣烴二線，分別來自寧東供電局蔣家南變電所不同段，是同塔雙回結(jié)構(gòu)，每條線路載荷能力150兆瓦,可以單獨承擔(dān)50萬噸聚丙烯生產(chǎn)能力，在烯烴二套總變寧東供電局允許兩條線路可以并列運行。

(3)一套二套線路缺陷：烯烴一套二套屬于特大型化工裝置,每套裝置各自采用同塔雙回供電方式，當某桿塔線路發(fā)生故障時;當徐家莊變電所故障或蔣家南變電所發(fā)生故障時;烯烴一套或二套裝置立即失去外網(wǎng)供電，由于自供發(fā)電機電源不能孤島運行，發(fā)電機會聯(lián)鎖停機，就會造成一套或二套全裝置失去電源,系統(tǒng)停車的大事故。

圖一

(4)桿塔險情記錄：2010年4月10日，烯烴一套110千伏線路徐烴線第5號桿塔，一采砂廠將基礎(chǔ)掏空深度10米,距離桿塔3米，發(fā)現(xiàn)后及時與靈武縣土地局聯(lián)系，將基礎(chǔ)按規(guī)程要求獲得及時修復(fù)。

2.2 改進辦法

公司計劃將來自蔣家南變電所蔣烴一線分配給烯烴一套，將來自蔣家南變電所蔣烴二線分配給烯烴二套供電，將來自徐家莊變電所徐烴一線分配給烯烴一套，徐烴二線分配給烯烴二套供電，然后，向?qū)帠|供電局打申請報告，要求進行線路改造，寧東供電局2012年64號文同意批復(fù)，得到批復(fù)后公司進行設(shè)計采購，在烯烴一套總變安裝一臺快切裝置，選取徐烴一線開關(guān)蔣烴一線開關(guān)和110母聯(lián)開關(guān)之間做快切邏輯，根據(jù)運行方式選取互切，一路供電一路熱備。在烯烴二套總變安裝一臺快切裝置，選取徐烴二線開關(guān)蔣烴二線開關(guān)和110母聯(lián)開關(guān)之間做快切邏輯，根據(jù)運行方式選取互切，一路供電一路熱備。于2014年5月18日改造試車完成，投入使用。

2.3 改進合理性分析

(1)觀點一：改造前的線路結(jié)構(gòu),同塔雙回方式,在快切裝置技術(shù)尚不成熟,可靠程度沒有廣泛驗證,尤其是在大型化工裝置上沒有成功使用的時期,選擇同塔雙回并不一定比單塔雙回可靠性差,這要從化工連續(xù)性生產(chǎn)的屬性說起,化工生產(chǎn)每一個小開關(guān)小設(shè)備都會引起全系統(tǒng)停車,通常情況下斷電時間超過60毫秒,裝置就有全系統(tǒng)停車可能,在技術(shù)落后時期,雙電源的切換都是備自投裝置,切換時間遠遠超過60毫秒，所以說那時的化工廠的雙電源都是起保安作用(就是一條線路失去電后,另一條線路供電保裝置能安全停下來,接著快速恢復(fù)生產(chǎn))，并不能保證不跳一臺設(shè)備,更不能保證化工裝置仍然穩(wěn)定連續(xù)生產(chǎn)。備自投的單塔雙回結(jié)構(gòu)也不能實現(xiàn)裝置不停車條件下，兩條線路輪換檢修。相反，同塔雙回來自一個電源點,可以長期并列運行,失去一回路另一回路仍然保證裝置正常生產(chǎn)，還可實現(xiàn)裝置不停車條件下，兩條線路輪換檢修。

(2)觀點二：現(xiàn)在，快切裝置大量使用，化工裝置上也有許多成功案列，選擇同塔雙回輸電方式就沒有優(yōu)勢可比。改造后，2014年8月12日,烯烴一套110千伏線路蔣烴一線第10號桿塔和第11桿塔之間,修鐵路時,施工鉆機碰到蔣烴一線放電,造成跳閘，一套總變快切裝置成功動作，將徐烴一線投入，化工裝置沒有受到任何影響，平穩(wěn)生產(chǎn)。

(3)觀點三：同塔雙回與單塔雙回比較，同塔雙回是單電源點供電，桿塔線路是單一性，相反，改造后的單塔雙回方式是雙電源點供電，桿塔線路是冗余性。

(4)觀點四：選擇改造后的輸電方式，也有致命弱點，所有風(fēng)險都集中在快切裝置一點上，快切裝置一旦有問題，切換不成功，造成全裝置停車。在當前，桿塔線路、電源點變電所、快切裝置三種設(shè)備可靠性比較上，還是有不少人相信前兩種,所以說,快切裝置技術(shù)培訓(xùn)普及、檢維修方法、調(diào)試校驗、規(guī)程編寫及實施、冗余設(shè)計思路、實現(xiàn)在線檢修等工作是企業(yè)迫切需要做的。

3 鍋爐和發(fā)電機直流電源(見圖一)

3.1 故障現(xiàn)象

(1)時間地點: 2011年11月16日下午4時許，動力中心鍋爐房。

(2) 6千伏跳閘設(shè)備：1#爐6kV段1#中繼泵、1#、2#送風(fēng)機、1#、2#引風(fēng)機、1#、2#一次風(fēng)機、B、C、D磨機；2#爐6kV段2#給水泵、1#高壓外供泵。3#爐6kV段1#、2#送風(fēng)機、1#、2#引 風(fēng) 機、1#、2#一次風(fēng)機、A、C、D磨、3#中繼泵、2#中壓外供泵。4#爐6KV B段快切失敗、6kV段1#引風(fēng)機、1#一次風(fēng)機、A、B、C磨、2#低壓外供泵。5#爐6kV段5#中繼泵、5#給水泵、1#、2#送風(fēng)機、1#、2#引風(fēng)機、1#、2#一 次 風(fēng) 機、A、B、C磨。6#爐6kV段1#送 風(fēng) 機、1#引風(fēng)機、1#一次風(fēng)機、6#中繼泵。

(3)停爐停機情況：1#爐停爐滅火、2#爐停爐滅火、3#爐停爐滅火、4#爐停爐滅火、5#爐停爐滅火、6#爐停爐滅火。 1#機手動打閘、2#機手動打閘、3#機手動打閘、4#機手動打閘。

(4)裝置情況：造成空分、氣化、合成、丙烯、聚合裝置停車,導(dǎo)致全裝置停車。

3.2 改進辦法

(1)原來直流系統(tǒng)介紹：如圖一所示，全部機爐設(shè)備使用兩組直流系統(tǒng)，每組一臺高頻充電機，另設(shè)一臺備用充電機。1#充電機對1#蓄電池組浮充，同時為Ⅰ-主饋屏1、2、3、4供電，2#充電機對2#蓄電池組進行浮充，同時為Ⅱ-主饋屏1、2、3、4供電，3#充電機冷備用。8面主饋屏分別給控制負荷、事故照明、動力負荷和交流不停電電源等負荷供電，6臺鍋爐高低壓開關(guān)柜控制電源由現(xiàn)場14面分饋線屏供電，14面分饋線屏分別引自8面主饋線屏。

(2)改進后的直流系統(tǒng)介紹：如圖一所示，原兩組直流系統(tǒng)分別給4臺發(fā)變組、2臺啟備變、8臺快切裝置使用，新上六組直流系統(tǒng)供給6臺鍋爐高壓配電室14面分饋線屏，每組直流系統(tǒng)設(shè)兩套充電裝置互為熱備，每套充電裝置雙電源供電。14面分饋線屏每面雙電源引自六組直流系統(tǒng)不同組,于2012年6月改造完畢投入使用。

3.3 改進理由分析

(1)理由一：46臺電動機同一時間跳，且46臺電動機分布在圖一所示的所有機爐中，說明肯定是公共系統(tǒng)引起的。

(2)理由二：通過圖紙查閱，通過實地勘察，公共系統(tǒng)唯有如下：直流系統(tǒng)、DCS系統(tǒng)、ENMCS系統(tǒng)，直流系統(tǒng)如前介紹。DCS系統(tǒng): 共分四個網(wǎng)絡(luò)獨立運行，#1網(wǎng)絡(luò)包含#1、#2爐和#1、#2機，#2網(wǎng)絡(luò)包含#3、#4爐和公用系統(tǒng)，#3網(wǎng)絡(luò)包含#5、#6爐和#3、#4機，#4網(wǎng)絡(luò)包含脫硫系統(tǒng)。ENMCS系統(tǒng)：由總變統(tǒng)一測控，分為主站層、子站層和間隔層。動力中心有3個子站，#1子站(#1、#2爐的通訊管理機)與間隔層，#2子站(#3、#4爐的通訊管理機)與間隔層，#3子站(#5、#6爐的通訊管理機)與間隔層。

(3)理由三：DCS系統(tǒng)分析：DCS系統(tǒng)使用的電源是UPS電源，與直流系統(tǒng)電源無關(guān)。檢查四個獨立DCS系統(tǒng)環(huán)總電源狀態(tài)及接線，未發(fā)現(xiàn)任何異常。檢查核對DCS系統(tǒng)網(wǎng)路的拓撲結(jié)構(gòu)及四個系統(tǒng)環(huán)的數(shù)據(jù)交換機無異常。檢查系統(tǒng)機柜的接地排及接地電阻0.75Ω，無異常。對受控的跳車設(shè)備在DCS卡件中的分配情況進行對應(yīng)檢查，未發(fā)現(xiàn)異常。翻查跳車設(shè)備動作順序與鍋爐MFT保護邏輯相符，無異常動作記錄，結(jié)論就是DCS造成跳閘設(shè)備同時發(fā)生的可能性沒有，所以排除DCS造成的可能。ENMCS系統(tǒng)分析：雖然電氣測控系統(tǒng)通過通信管理機與電動機測控裝置經(jīng)485端口連接，但不對電動機進行遠方操作，檢查SMP的配置文件無設(shè)置，當前運行的測控系統(tǒng)沒有對電動機操作的界面，測控系統(tǒng)與測控管理機的通訊協(xié)議是MODBUS標準通訊協(xié)議，有較嚴格的數(shù)據(jù)傳輸約定，不宜產(chǎn)生系統(tǒng)紊亂后發(fā)送控制電動機的群指令數(shù)據(jù)包，因此，排除測控系統(tǒng)引起的原因。至此那只有直流系統(tǒng)造成。

(4)理由四：兩套直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)察表分別報直流接地信息時間與電動機群跳車時間相吻合，這一點可以說明與直流系統(tǒng)有關(guān)。

(5)理由五: 直流接地可導(dǎo)致繼電器(或光耦)誤動，已被專家通過實驗認定。 查閱現(xiàn)場ABB電動機測控裝置控制回路原理，DCS發(fā)出的指令，經(jīng)光耦合把電信號轉(zhuǎn)變?yōu)镃PU可接受的數(shù)字量，進入測控裝置的斷路器控制邏輯，實現(xiàn)斷路器的分閘合閘操作。分析認為，當光耦合兩側(cè)電壓達到動作電壓，光耦合也能發(fā)生翻轉(zhuǎn)將光信號送入CPU，實現(xiàn)分合閘。由此證明烯烴電動機群跳閘是直流接地導(dǎo)致。

(6)理由六：查閱法規(guī)，國家電力公司《“防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項重點要求”繼電保護實施細則》7.8規(guī)定：“對經(jīng)長電纜跳閘的回路，要采取防止長電纜分布電容影響和防止出口繼電器誤動的措施，如不同用途的電纜分開布置、增加出口繼電器動作功率，或通過光纖跳閘通道傳送跳閘信號等措施”，對照規(guī)程對現(xiàn)場檢查確實存在電纜混放，一頭接地一頭未接地，感應(yīng)電壓高，出口未設(shè)置大功率繼電器，控制電纜過長(大于200米)等情況。

(7)理由七：導(dǎo)致如此大的事故，上述分析決定改造直流系統(tǒng)沒有錯，然而，事實上直流系統(tǒng)兩組太少這只是一個方面。例如，直流系統(tǒng)接地及合環(huán)，交流電源竄入直流系統(tǒng)，各種用途電纜混放情況，各種控制電纜接地不符合規(guī)范，新型電動機測控保護裝置缺陷不清楚，控制電纜過長等等，這些隱患不能及時發(fā)現(xiàn)又不能及時改造才是真正原因。

4 結(jié)語

綜上所述, 啟備變超負荷改進,不存在否定原電網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計理念的正確性，而是進一步夯實電網(wǎng)，對該電網(wǎng)的供電可靠性、寬泛性進行加強。110千伏輸電線路的改進,是闡述雙電源、快切裝置在化工裝置中應(yīng)用的不同認識與觀點,供大家商榷。通過大事故才決定直流系統(tǒng)的改造不可取，應(yīng)當作為教訓(xùn)，重要的是警示在日常檢維修中,按規(guī)程要求逐項消除不符合項，才能防止大事故的發(fā)生。

[1]張登博,寧煤烯烴電氣設(shè)備控制方式改造典型案例介紹與分析[J].電氣應(yīng)用,2014,33(15):64-66.

[2]韋恒，汪軍衡，郭懷東.直流系統(tǒng)交流混入及接地引起保護裝置誤動分析及解決方案[J].電力科學(xué)與工程，2010，26(7)：25-27.

張登博，電氣高級工程師，現(xiàn)任職神華寧夏煤業(yè)集團烯烴一分公司。