李大慶，李廣敏，李治強

阿聯(lián)酋某水泥生產(chǎn)線余熱發(fā)電項目孤網(wǎng)運行研究

Study on the Isolated Network Running of Waste Heat Power Generation Project in a UAE Cement Line

李大慶1，李廣敏2，李治強1

1 前言

阿聯(lián)酋某項目當(dāng)?shù)赜型陚涞呐潆娋W(wǎng)，但在項目建成之后，當(dāng)?shù)仉娏Σ块T不允許余熱發(fā)電站并網(wǎng)運行，因此只能采取措施，使余熱電站帶水泥生產(chǎn)線的一部分負荷孤網(wǎng)運行。

根據(jù)水泥廠的實際情況，計劃用余熱電站帶水泥磨系統(tǒng)孤網(wǎng)運行。改造生料磨配電站，雙母線供電，母線間不連接，余熱電站和國家電網(wǎng)分別為一段母線供電，配電負荷可以在兩段母線間切換，保證供電可靠性和靈活性。運行方式是先運行水泥生產(chǎn)線，然后啟動余熱電站，余熱電站啟動后再逐步將生料磨配電站國家電網(wǎng)母線段部分負荷轉(zhuǎn)移到余熱電站母線段，由余熱電站發(fā)電機供電。余熱電站孤網(wǎng)運行，發(fā)電機停運不影響水泥生產(chǎn)線正常運行。

余熱電站發(fā)電機裝機容量為7.5MW，估算發(fā)電量為5.7MW，其中最大電機為生料磨電機，功率2 800kW。

2 孤網(wǎng)運行電站存在的問題

（1）生料磨電機（2 800kW）相對于發(fā)電機容量過大，啟動電流沖擊會造成低頻、低壓，使得發(fā)電機停機，或者無法啟動生料磨電機。

（2）水泥生產(chǎn)線大電機突然甩負荷，此種工況對電廠的沖擊很大，汽輪機將超速，發(fā)電機端電壓升高，嚴重時汽輪機、發(fā)電機保護動作停機。

（3）汽輪發(fā)電機的電壓、頻率和轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，會隨負荷的變化而變化，電源品質(zhì)差，安全系數(shù)低。

（4）在大負荷變動情況下，負荷對汽輪機沖擊很大，長期運行會造成汽輪機調(diào)速器損壞，甚至沖垮汽輪機正常工作狀態(tài)。

（5）排汽頻繁，噪音大，嚴重浪費熱能和水資源。

（6）余熱電站孤網(wǎng)運行的項目幾乎沒有，缺少余熱電站孤網(wǎng)運行經(jīng)驗。

3 水泥廠負荷分析

3.1 生料磨電機（2 800kW）啟動曲線（圖1）

由圖1可見，生料磨電機的啟動電流約為額定電流的1.25倍，正常運行時電流約為額定電流的0.8倍。

3.2 生料磨負荷清單（表1）

圖1 生料磨電機（2 800kW）啟動曲線

表1 生料磨車間負荷清單

3.3 生料磨車間負荷曲線（圖2）

由圖2可知，生料磨配電站正常運行時最大負荷為6 800kW，最小負荷為3 300kW。最大負荷時發(fā)電機沒有足夠能力提供全部電量，需要將部分負荷轉(zhuǎn)為電網(wǎng)供電。最小負荷時功率較低，余熱不能完全利用。

圖2 生料磨車間負荷曲線

4 孤網(wǎng)運行方案

4.1 余熱電站增加旁路系統(tǒng)

4.1.1 旁路系統(tǒng)的配置

增加一設(shè)計進氣量為60%的大旁路系統(tǒng)，作為該廠生料磨設(shè)備的電機儲備功率。旁路后剩余氣量進入汽輪機進行發(fā)電，具備發(fā)電能力約1 000kW左右，能夠滿足汽輪機的最低運行要求，可保證汽輪機組穩(wěn)定運行。

4.1.2 旁路系統(tǒng)的功能（圖3）

孤網(wǎng)運行時，負荷的變化造成鍋爐和汽輪機的運行情況不相匹配，當(dāng)鍋爐產(chǎn)生的蒸氣量大于汽輪機所需要的蒸氣量時，多余部分可以不進入汽輪機而經(jīng)過旁路減溫減壓后直接引入凝汽器，避免蒸氣對空排放對環(huán)境造成噪音污染。旁路系統(tǒng)的這些功能在機組啟動、升負荷、降負荷或甩負荷時是十分必要的。

圖3 旁路系統(tǒng)

（1）改善機組的啟動性能，加快啟動速度。機組冷態(tài)或熱態(tài)啟動初期，當(dāng)鍋爐給出的蒸氣參數(shù)尚未達到汽輪機沖轉(zhuǎn)條件時，這部分蒸氣就由旁路系統(tǒng)流到凝汽器，以回收工質(zhì)，適應(yīng)系統(tǒng)暖管和儲能的要求。

（2）在機組啟動時，可以控制主蒸氣壓力；正常運行時，監(jiān)視鍋爐出口壓力，防止超壓。

（3）機組低負荷運行階段，鍋爐仍維持較高的蒸發(fā)量運行，多余的蒸氣經(jīng)過旁路減溫減壓后直接引入凝汽器，減少了對鍋爐的調(diào)節(jié)。

（4）在生料磨電機啟動時，電站DCS接收生料磨電機啟動請求并確認后，關(guān)閉大旁路系統(tǒng)，發(fā)出“允許啟動”信號給水泥線DCS，充分利用鍋爐的儲能功能，啟動生料磨電機。

（5）在機組部分甩負荷的情況下，主蒸氣壓力超過規(guī)定值時，大旁路閥迅速開啟進行減壓泄流，從而對機組實現(xiàn)超壓保護。

（6）汽輪機短時故障，可以實現(xiàn)停機不停爐運行。停機時，鍋爐產(chǎn)生的新蒸氣經(jīng)旁路系統(tǒng)減溫減壓后進入凝汽器，回收工質(zhì)，維持鍋爐的穩(wěn)定運行，以便汽輪機重新快速啟動。

總之，旁路系統(tǒng)具有啟動、泄流和安全三項功能。

4.2 增加柴油發(fā)電機

增加柴油發(fā)電機方案（見圖4）。

圖4 增加柴油發(fā)電機后單線圖

4.2.1 柴油發(fā)電機的配置

柴油發(fā)電機的容量按照能夠單獨啟動生料磨電機（2 800kW）來考慮（不再考慮其他負荷的啟動情況）。生料磨電機的啟動電流為1.25倍的額定電流，為此柴油發(fā)電機容量為1.25×2 800=3 500kW，6.6kV。

4.2.2 柴油發(fā)電機的作用

（1）作為余熱電站的啟動電源

余熱電站配置了柴油發(fā)電機組，電站的柴油發(fā)電機組可以充當(dāng)余熱電站的啟動電源。

（2）作為生料磨配電站內(nèi)其他電機的啟動電源

生料磨配電站的其他電機啟動可以利用柴油發(fā)電機組，啟動后可以將負荷轉(zhuǎn)移到余熱電站發(fā)電機組。

（3）啟動生料磨電機

生料磨電機（2 800kW）相對于發(fā)電機容量過大，可利用柴油發(fā)電機與余熱發(fā)電機并列運行以保證大電機的啟動。電機啟動后，余熱電站的負荷逐漸增加，柴油發(fā)電機組緩慢退出運行。

4.2.3 需要注意的問題

（1）增加柴油發(fā)電機滿足大電機啟動需要，要與余熱電站并列運行，維持電網(wǎng)穩(wěn)定性。

（2）鑒于柴油發(fā)電機組在孤網(wǎng)運行中的重要作用，需要在運行期間采取措施，確保柴油發(fā)電機組的絕對安全。汽輪發(fā)電機組與柴油發(fā)電機組并網(wǎng)運行后，應(yīng)逐漸減小柴油發(fā)電機組的負荷，使柴油發(fā)電機組緩慢退出運行。

4.3 旁路系統(tǒng)和柴油發(fā)電機協(xié)調(diào)運行

4.3.1 啟動生料磨電機

生料磨電機通過柴油發(fā)電機組啟動，同時開啟旁路系統(tǒng)，將生料磨負荷的電機逐漸轉(zhuǎn)移到余熱電站的發(fā)電機上。生料磨電機穩(wěn)定運行之后解列柴油發(fā)電機，由旁路系統(tǒng)繼續(xù)跟隨負荷的變化。

4.3.2 生料磨電機緊急停機

突然甩大負荷，此種工況對電廠的沖擊很大，汽輪機將超速，發(fā)電機端電壓升高，嚴重時汽輪機、發(fā)電機保護動作停機。為此建議：因為孤網(wǎng)運行的電站采用頻率控制，為保證電氣設(shè)備的安全穩(wěn)定運行，電站的頻率波動范圍設(shè)定為48.5～51.5Hz，水泥生產(chǎn)線的負荷波動在10%的范圍內(nèi)，電站是可以接受并可以安全穩(wěn)定地調(diào)節(jié)，當(dāng)＞10%時電站的調(diào)節(jié)將非常困難，超頻保護動作，啟動鍋爐的旁路系統(tǒng)上的快速啟閉閥。

5 余熱電站發(fā)電機電量分配

5.1 電源分配

電源分配方案見圖4。余熱電站發(fā)電機和國家電網(wǎng)2個電源分別為生料磨配電站I段、II段母線供電，兩段母線間不聯(lián)絡(luò)。生料磨配電站負荷可以在兩段母線間切換，負荷在兩段母線間切換時需要做好機械和電氣聯(lián)鎖，避免兩段母線發(fā)生非同期并列。余熱電站發(fā)電機孤網(wǎng)運行。

5.2 負荷分配

由圖2可知，生料磨負荷在3 300～6 800kW間波動。根據(jù)計算，余熱電站發(fā)電機額定發(fā)電量約為5.7MW。

生料磨配電站負荷低時，無法完全消耗發(fā)電機發(fā)出的全部電量，會造成浪費，可以將水泥廠辦公、生活負荷或其他不影響水泥生產(chǎn)線運行的負荷轉(zhuǎn)移部分至生料磨配電站，使得余熱發(fā)電電量能夠被完全利用，增加余熱利用率，創(chuàng)造經(jīng)濟效益。必要時切換至余熱電站母線段。

當(dāng)生料磨配電站負荷高時，余熱電站發(fā)電機不能滿足整個生料磨配電站供電要求，可以將部分負荷轉(zhuǎn)移到國家電網(wǎng)母線段，由電網(wǎng)供電。增加柴油發(fā)電機后的總發(fā)電量約為9.2MW，余熱電站加上柴油發(fā)電機的供電量能夠滿足整個生料磨配電站供電要求。

5.3 注意問題

（1）生料磨負荷在國家電網(wǎng)母線段和余熱電站母線段切換時要做好聯(lián)鎖，避免非同期并列。

（2）提前預(yù)估生料磨配電站負荷波動情況，提前做好負荷切換，避免無計劃負荷波動對余熱電站發(fā)電機造成沖擊。

6 汽輪發(fā)電機投運前的負荷準(zhǔn)備

汽輪發(fā)電機低負荷運行會造成汽輪機末級葉片的水蝕、顫振等損壞，凝汽器的凝結(jié)水溶氧量升高，造成腐蝕等，根據(jù)其安全運行要求，10%發(fā)電裝機容量即750kW不能＞24h，長時間運行要求在15%～20%發(fā)電裝機容量即1 000～1 500kW以上，故一定的負荷準(zhǔn)備是電廠投運的基礎(chǔ)。

汽輪發(fā)電機升負荷時，可開啟生料磨車間輔助設(shè)備，滿足汽輪發(fā)電機運行基礎(chǔ)負荷1 500kW的要求。

從和汽輪機廠聯(lián)系的情況看，汽輪機升負荷的時間，從15t的進汽量增加到35t的進汽量，在3 000 r/min的熱態(tài)情況下需要幾分鐘完成。這說明在汽量足夠大的情況下，汽輪機可以快速增加負荷。為此，在增加旁路系統(tǒng)的情況下，有可能利用旁路系統(tǒng)來啟動大電機負荷。

7 相關(guān)設(shè)備調(diào)整和設(shè)置

7.1 修改DEH（505）的功能設(shè)置

孤網(wǎng)運行時，DEH（505）應(yīng)采用轉(zhuǎn)速控制方式。

7.2 發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)及電氣保護

為保證孤網(wǎng)運行時發(fā)電機出口電壓穩(wěn)定，投入發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的電壓自動控制（AVR）。通過調(diào)節(jié)勵磁電流來維持發(fā)電機端電壓在一定范圍內(nèi)，同時需要調(diào)整電氣低頻低壓，高頻高壓保護定值。

7.3DCS系統(tǒng)的工作

（1）水泥生產(chǎn)線大設(shè)備準(zhǔn)備啟動時，要提前準(zhǔn)備好鍋爐的熱量并開始運行旁路系統(tǒng)或開啟柴油發(fā)電機組，在大設(shè)備啟動過程中，要讓旁路系統(tǒng)或柴油發(fā)電機與其配合好，使得大設(shè)備順利啟動。

（2）針對鍋爐熱慣性大的特點，水泥生產(chǎn)線大設(shè)備在啟動前，發(fā)出請求信號到電站DCS系統(tǒng)，電站運行人員需要適當(dāng)提高主蒸氣壓力等參數(shù)，并保證旁路系統(tǒng)工作正常，柴油發(fā)電機工作正常，為升負荷做好準(zhǔn)備，發(fā)備妥信號給水泥生產(chǎn)線，水泥生產(chǎn)線再啟動大設(shè)備。

（3）水泥生產(chǎn)線大設(shè)備準(zhǔn)備停機前通知電站，電站也應(yīng)提前適當(dāng)降低主蒸氣壓力等參數(shù)，并保證旁路系統(tǒng)工作正常，為減負荷做好準(zhǔn)備。

（4）完成旁路系統(tǒng)的自動控制功能。

（5）發(fā)出信號完成柴油發(fā)電機的投入和解列功能。

8 結(jié)語

本文討論了水泥生產(chǎn)線余熱電站孤網(wǎng)運行的可能性，并提出了孤網(wǎng)運行方案。方案中同時增加旁路系統(tǒng)和柴油發(fā)電機，可行性較強。因為沒有可借鑒的實例供參考，可以在實際執(zhí)行過程中先增加旁路系統(tǒng)，根據(jù)余熱電站旁路系統(tǒng)運行情況再確定是否增加柴油發(fā)電機及柴油發(fā)電機容量。此種方式最節(jié)約投資，執(zhí)行效果最好?！?/p>

TQ172.622.22

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1001-6171（2017）03-0071-04

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2016-08-27；編輯：趙星環(huán)