水泥生产线中的自备燃煤电厂

王献炜，尹文杰

1 概述

2 孤岛燃煤电厂的要求和特点

水泥厂自用“孤岛”燃煤电厂应满足以下几个要求：

（1）满足水泥生产线的负荷运行要求；

（2）满足水泥生产线大型电动机起动冲击负荷要求；

（3）满足稳定、连续、可靠的要求；

（4）满足水泥厂生产调度所需负荷变化的要求；

（5）满足经济性要求。

由于“孤岛”运行电厂不同外部电网并网运行，其特点如下：

贵阳市开磷集团依托开阳和息烽丰富的磷矿资源优势，在开阳和息烽的大中型磷矿重点推广磷石膏制成混凝土回填采矿坑道技术，在磷化工企业重点推广新型石膏砖生产工艺，已形成400万吨/年改性磷石膏混凝土回填采矿坑道能力，年利用磷石膏280万吨以上。

（1）孤立承担供电风险；

（2）发电机组数量较少，储存的旋转惯量单薄，动态稳频效果差，最大升降负荷的容量仅为5%；

（3）燃煤电厂的煤汽电转换设备多、途径长、效率低、滞后，燃油燃气电厂油电或气电转换快捷，因此孤岛燃煤电厂的运行调度难度更大；

（4）水泥生产线单机大容量设备多，启停对孤岛电网冲击大，易形成电网动荡。

水泥生产设备中存在大量的大负荷设备，比如原料磨机、水泥磨机、破碎机、系统风机等。产量5000/d的水泥项目，此类电机从400kW到5500kW不等，全压起动时会产生较大的冲击电流，常用的解决办法是采用软起、变频或液体电阻启动起动等方式来实现。从经济角度考虑，水泥厂项目设计采用最多的是液体变阻启动器。比如某5000t/d水泥厂（1台630kW石灰石破碎机、1台3600kW原料磨、1台4300kW系统风机、1台1400kW废气风机、1台5000kW水泥磨、1台3000kW水泥磨风机）设备装机容量大约为47MW，计算负荷32MW，电厂装机容量为2×25MW汽轮发电机组，单台大电机占电网容量10%。大设备如水泥磨系统电机5000kW，按照电机的额定启动容量约为1.8倍，启动容量占电网容量的18%；最大启动容量约为额定容量的2.59倍，最大启动容量占电网容量的25.9%。尤其是水泥厂下游车间如水泥磨车间，磨机在启动时，上游设备大多数情况下在满负荷运行，此时孤岛电厂总输出达到65%以上，孤网达到最大的脆弱度，如果电网不能承载启动冲击容量18%～25.9%，这就是压死骆驼的最后一根稻草。能否满足此时运状态下大容量电动机起动要求是孤岛小网电厂设计成败的重要因素。

因此，设计自用“孤岛运行”燃煤电厂就要考虑到水泥厂负荷的诸多特点，有针对性地加以注意。按照上述水泥厂自备电厂的要求，以下几个方面要着重考虑：

（1）水泥生产线大设备启动；

（2）水泥生产线大设备或连续工艺线事故跳闸；

（3）水泥生产线生产量瞬时波动变化；

（4）水泥连续工艺线事故处理后带负载启动；

（5）水泥工艺线操作人员无预兆的启/停。

这些因素往往造成孤岛电网电压、频率波动，如果超过保护设备的设定值就会造成更多设备跳闸，加剧电网波动，导致整个电网崩溃失电，对水泥厂生产造成损失甚至威胁到设备和人身的安全。

3 水泥厂配套孤岛燃煤电厂的设计解决要点

在设计配套孤岛燃煤电厂时，要将上述风险削减到设备能够承受的标准以内，主要解决要点如下：

（1）多机组发电机的控制方式。大电网中发电机组设计考虑的方式以负荷控制为主（base load model），按照上级电网调度给定的有功电量、功率因数向电网供电，不主动参与电网的调峰和大参数调整。孤岛电厂最突出的特点就是采用同步模式（ISO model）或者频率模式（PF model），通过调整供电母线的频率或无功来适应用户负荷的变化，因此要求控制系统具备符合要求的静态特性、良好的稳定性和可靠的动态响应性，同时要求发电机组调速系统具备更高的灵敏度、更小的迟缓率和更快的动态响应。

（2）多机组发电机的运行方式。大电网中每一台发电机组都是一个孤立的单元，调速和控制系统具有相对的独立性，维持好孤立机组的稳定就是整个电网的局部稳定。孤岛电厂（除了单机带负荷）多机并网供电，则需要考虑机组之间的负荷分配问题，硬件方面要求各机组调速系统具有相同的调速不等率外，各个机组间的控制系统要设置一个中枢控制系统来协调多机组的负荷均衡问题（load sharing），此时各机组的运行模式相同，均为同步模式（ISO model）或者频率模式（PF model），共同承担用户的负荷波动。

（3）用电馈线的等级脱网功能。在孤岛电厂运行中出现较强动荡时，控制系统按照设定好的负荷种类顺序，将附属用电系统、非连续运转系统逐步强制甩除，以拯救供电系统，即馈线的等级脱网功能（load shedding），因此设计时必须考虑用电负荷的类别和跳脱次序。

（4）用电设备的选择。孤岛电厂供电质量波动大，用电设备的耐受电压和耐受频率必须按照大范围来选型，比如电压为±10%、频率为±4%，不仅仅是电厂设备，水泥厂设备也要如此。

（5）孤岛电厂的黑启动（Black Start）选择。黑启动是在全黑状态（无电）下的启动，可以理解为首次启动。电厂运行所需的控制系统电源、水油泵电源、发电机组开机的条件具备，都需要黑启动电源的存在。黑启动电源是一个自给自足的微型发电机组构成，通过蓄电池提供启动能量进行开机，向母线（此时的母线为Dead BUS）提供电能，然后孤岛发电机组的辅机在黑启动电源下逐步运行，进而启动孤岛第一台机组同母线并网。因而，黑启动容量的选择一定要满足孤岛电厂首台机组辅机的容量和启动冲击。

（6）水泥生产线大负荷单机的启动和停机。计划启动时最好的办法有两个：第一，启动前的孤岛电厂备用容量储备最少要大于启动电机容量的2倍，同时使母线电压和频率适当提高接近于上限；第二就是采用多台机组共同承担大电机启动的冲击。在大电机启动瞬间，孤岛母线的电压和频率都会下降对发电机组的调速系统进行考验，完善的系统会在很短的时间内震荡趋于稳定。计划停机时，正好相反，措施是降低电网频率和电压。在其他分段运行工艺线停运或备用时，孤岛小网具备较大的富余容量储备，启停大设备的条件比起最大状态时要安全得多。火电厂工艺具备热能增速时间远大于减速时间的特性，对于水泥生产线大设备的无计划骤启，任何运行工况下都有可能导致孤岛电网崩溃；对于大设备骤停，设计时一定要考虑系统和操作机构的选型，来满足控制的反应速度、迟滞性要求；设备骤停相比启动对电网冲击要小得多。为避免锅炉蒸气在减载时浪费，建议采用汽轮机组蒸气旁路系统。

其他方面按照大电网设计孤岛燃煤电厂是能够满足水泥生产线要求的。■