炼化企业供电系统优化与可靠性分析

陶丽楠，时振堂，刘维功，钱志红

（中国石化 大连石油化工研究院， 辽宁 大连 116000）

炼化企业供电系统优化与可靠性分析

陶丽楠，时振堂，刘维功，钱志红

（中国石化 大连石油化工研究院， 辽宁 大连 116000）

炼化企业电网属于规模较小的综合性电力系统，由于其生产特点，对安全可靠性要求极高。某炼化企业地处雷电活动特殊强烈地区，同时其供电系统薄弱，需进一步优化其供电系统的网架结构。针对上述问题，设计了两种优化方案并建模仿真，通过潮流计算、短路计算、电机起动及投资估算四方面，对比分析两种方案的优缺点，推荐更为安全、可靠、合理的优化方案。

优化设计；可靠性；数字仿真

电能是炼化企业生产的基本要素，此类单位对供电的可靠性与安全性要求极高[1]。某炼化企业计划建设规模为1 000万t/a炼油及80万t/a乙烯工程。因其地处雷州半岛，年平均雷暴日达到94.6日，属于雷电活动特殊强烈地区，易造成供电系统停电事故。另外其供电系统来自湛江地区东海岛变电站，属于南方电网的一个末端，没有和其它电网的环网连接，供电系统比较薄弱。因此，该炼化企业供电系统的可靠性应充分考虑超强台风、雷暴、潮湿、盐雾等恶劣条件所造成的影响[2,3]。

图1 供电系统原设计方案Fig.1 Original design of power supply system

本文对该炼化企业原有基础设计方案的 220 kV变电站与三个110 kV配电中心之间的网架结构进行进一步优化，通过仿真建模分析，从潮流计算、短路计算、大电机起动方面，对比分析得到具有更高等级安全性、可靠性、灵活性的供电系统优化方案。结合投资估算，推荐最为安全、可靠、合理的运行方案。

1 优化方案

某炼化企业电力系统原总体设计方案如图1所示，正常情况下可满足炼化装置的一级负荷供电可靠性标准基本要求。由于在可行性研究设计时，对供电系统的费用压减幅度较大，原总体设计方案存在明显不足：1）炼油区、化工区仅各设计一座110 kV配电中心，负荷过于集中，风险较大；2）三个110 kV配电中心采用双母线接线方式，相互之间及到总变电站的联络线偏少，动力配电中心只有一回到总变电站的110 kV线路，网架结构安全性、可靠性、灵活性不足；3）三个110 kV配电中心110 kV系统采用GIS组合电器双母线接线，110 kV输电线路采用电力电缆，一旦母线或其隔离开关需要检修、电缆等设备进行预防性耐压试验以及系统扩建等，都需要全站停电进行处理；4）存在炼油区域变负荷集中、动力锅炉备用电源少等问题。

1.1 优化方案一

优化方案一系统接线图如图2所示，炼油、化工、动力配电中心110 kV系统全部改为双母线双分段接线，各从总变电站引接四回110 kV电缆，取消动力到炼油、化工之间的110 kV联络电缆；正常运行时，电力全部通过220 kV总变电站配电，各四回110 kV电源；炼油、化工配电中心可分裂成2个110 kV变电站运行，分散风险[4,5]。

图2 优化方案一系统接线图Fig.2 Wiring diagram of system of optimization scheme I

1.2 优化方案二

优化方案二系统接线图如图3所示。

图3 优化方案二系统接线图Fig.3 Wiring diagram of system of optimization scheme II

炼油、化工配电中心110 kV系统全部改为两套单母线分段接线、保持各2回到总变电站和1回到动力站的110 kV电缆，动力配电中心110 kV系统改为双母线双分段接线、增加1回共2回到总变电站110 kV电缆。正常运行时，炼油、化工配电中心分别从220 kV总变电站和热电装置受电运行，各三回110 kV电源[4,5]。

本文从以下几个方面对上述三种方案主网结构进行仿真分析，评估优化方案是否具有满足负荷需求的能力和系统安全可靠性[6,7]。

（1）潮流计算校核

根据设计的主网方案和负荷水平，通过电力潮流计算评估不同主网结构的适应性，重点是N-1/N-2校核。

（2）短路电流计算校核

根据设计的主网方案，通过短路电流计算评估不同主网结构的适应性。

（3）大电机起动分析

仿真 110/10 kV变压器-电动机组起动过程以及大电机起动对企业电网安全稳定特性的影响。

2 评估分析

2.1 潮流计算校核

分别对三种设计方案进行潮流仿真计算，由于CFB锅炉故障概率和频率都很高，系统在静态安全分析时，有必要进行N-2、N-3校核。因此仿真系统正常运行，即三台锅炉和三台发电机均在网运行；1台锅炉故障，1台发电机组退出运行；2台锅炉故障，全部发电机组退出运行时系统潮流情况，并进行N-1、N-2、N-3校核。潮流分布情况如表1所示。

表1 潮流分布情况Table 1 Distribution of power flow

潮流分析可知，当一台动力锅炉停运时，动力变电站外供电能力仅59 MW，原基础方案和方案二炼油及化工需要动力变电站从总变电站转供电力，可靠性下降。在两台动力锅炉停运的情况下，在基础方案的正常运行或方案二的单回线路停运时，基础方案或方案二的总变电站到动力变电站的电流可达1 150 A，接近单根1 000 mm2电缆额定最大电流，存在一定的风险。基础方案两台动力锅炉停运时，如110 kV炼油1（2）线停运，为炼油2（1）线供电的220 kV主变压器过载5.0%，化工1（2）线停运，为化工2（1）线供电的220 kV主变压器变压器过载17.4%。

在两台动力锅炉停运的情况下，分析 220 kV主变压器发生故障时的可靠性。2台锅炉停运时，4台220 kV主变的负荷率78.1%，3台220 kV主变运行过负荷。在1台锅炉停运时，应及时投入第4台220 kV主变。因此，本次设计220 kV总变电站主变压器容量仅能满足现有装置供电能力，不宜增加新的负荷。

2.2 短路电流计算校核

某炼化企业35～220 kV主电网、动力站10～110 kV电力系统母线短路电流计算结果见表2所示。

表2 公共连接点与重要母线短路电流Table 2 Short circuit current of public connection points and important buses

从表2三种方案最大运行方式下的短路电流计算结果可以得到，三种方案下重要母线短路电流值的范围。

某炼化企业高压断路器容量选择：220 kV断路器的额定开断电流为50 kA；110 kV断路器的额定开断电流为40 kA；35 kV、10 kV断路器的额定开断电流为31.5 kA；13.8 kV发电机组出口断路器的额定开断电流为63 kA，断路器额定开断电流与母线短路电流对比如图4所示。

分析以上表格数据可知，三种方案短路电流水平相差不大，且最大短路电流值小于断路器额定开断电流值，因此均能满足选择轻型开关设备的需求。三种方案在35～220 kV主网、动力10V～110 kV电网短路电流分布基本合理，断路器的配置经济，满足安全裕度要求。需要注意的是，发电机出口短路电流达60 kA，其中发电机提供短路电流29.25 kA，系统侧提供短路电流30.69 kA，断路器选型满足要求。

2.3 大电机起动分析

仿真电动机组起动过程，考察电动机转速是否达到额定转速，达到启动目的；相关母线电压波动范围是否满足电能质量标准，避免影响其它负载正常工作[8]。某炼化企业10 MW以上高压大电机采用110/10 kV线路-变压器-电动机组接线，共有5台。参考南阳防爆电机厂电动机，额定起动电流倍数5.2，电动机负载采用风机型负载，额定转速下转矩为0.80 p.u.，已选定的电动机参数为标幺值。

图4 10 kV以上断路器额定开断电流与母线短路电流Fig.4 Circuit breaker rated open current and bus short circuit current above 10kV

炼油和化工区功率最大的电动机分别是炼油DS13主风机（25 000 kW）和化工EVA电机/DS24（20 000 kW），仿真计算三种运行方式的启动过程，分别模拟独立母线、带负载的母线和双回路并联带负载的母线。

运行方式1：单电源回路带单母线带电缆-变压器-电动机组，不带其它负荷；

运行方式2：单电源回路带单母线带电缆-变压器-电动机组，带本站约25%负荷；

运行方式3：双电源回路双母线合环，带电缆-变压器-电动机组和本站约50%负荷。

三种运行方式下，两台电动机的都能顺利起动，起动过程中炼油、化工变电站110 kV母线的电压变化如表3所示。

表3 三种运行方式下大电机起动母线电压波动Table 3 Voltage fluctuation of the starting bus of big motor in three operation modes

分析表3可知：运行方式1电动机起动110kV母线电压波动为 9.7%/12.4%，但母线无其他负荷动，因此对其他负荷无影响。方式2起动时110 kV母线电压波动为9.4%/11.4%，超过10%，可能影响同一110 kV母线电压敏感负荷；方式3需要两条电源进线和两段母线并列运行，加大系统短路容量，即将起动时的 110 kV母线电压波动范围限制到4.8%～6.0%。综上所述，方案一全部采用双母双分段接线方式容易实现，空出110 kV母线进行大电动机起动，运行方式比较灵活，从方便大电机起动和运行的角度，建议采用双母双分段接线方式。方案二炼油和化工变电站采用单母线接线时，转移母线上的负荷比较复杂，可能需要采用运行方式 3，避免单回路电源起动大电机的电压波动（方式2）。

3 投资估算

基础设计方案 220 kV总变电站动态投资15340.43万元。由于220 kV总变电站接线方案基本不作修改，优化方案与原总体设计方案相比只是出线间隔增加。110 kV炼油变电站5 800万元，化工变电站8 800万元，动力变电站6 900万元，合计2.15亿元。增加投资估算表如表7所示。

图5 增加投资Fig.5 Increased investment

方案一：GIS间隔增加25个，电力电缆增加约67 km，投资增加额约9 917万元。其中，变配电部分3 556万元，电力电缆部分6 361万元。投资增加相对较多，主要是电力电缆投资达6 361万元，变电站投资增加占比35%，但明显加强了电网联络，很大程度上解决了可靠性和双母线全停风险大的困扰。

方案二：投资增加额约3 292万元，其中变配电部分增加额约1 694万元，电缆部分1 598万元。配电装置增加的投资解决了双母线全停风险大的问题，但炼油化工配电装置操作不灵活。电力电缆投资较少。

4 结 论

通过以上仿真分析发现，方案一主网结构合理，发、配电系统分开，可靠性满足规范要求，同时在调度、运行管理、检修及扩建时灵活性高；在稳定性方面可以保证全厂各工艺装置和单元的长周期平稳运行，运行方式灵活，但投资增加较多。方案二主网结构合理，配电系统之间设有联络线路，负荷交换可不通过总变电站，在运行操作和应急备用电源切换方面，具有一定的灵活性，相对方案一，负荷流向多变、潮流控制及继电保护相对复杂，但投资较少。在投资充足的情况下，建议优先选择方案一，可以更好的满足供电系统安全性、可靠性及灵活性。

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Phoenix Closures扩张田纳西州工厂

Phoenix Closures表示正在扩大田纳西州的业务，将厂房扩张至71，000平方英尺，为各种业务提供了额外的制造空间。该项目共耗资数百万美元。

该公司共有4个生产站点，纽波特站点加工的塑料占比最大。

公司总裁H.Giles Miller在一份声明中表示：“这样能够简化材料流转，增加生产产能，提高运输和仓储能力，我们必须提前适应我们的客户。”

由于现有客户和新客户的需求激增，带来了公司扩张的必要性。该工厂主要生产和供应坚果、花生油、蛋黄酱和咖啡等食品的闭包。

新工厂还增加了注塑机、闭包衬、自动化设备以及相关辅助设备。

Optimization and Reliability Analysis of Power Supply System in Refining Enterprises

TAO Li-nan，SHI Zhen-tang，LIU Wei-gong，QIAN Zhi-hong
（Dalian Research Institute of Petroleum and Petrochemicals, Sinopec, Liaoning Dalian 116000, China）

The power grid of refining enterprises is a small integrated power system, which requires high safety and reliability due to their production characteristics. A refining enterprise is located in a special lightning activity area.Meanwhile, the grid structure of the power supply system needs to be further optimized due to the weak power supply system. Focused on those issues, two optimization schemes were designed and simulated from four aspects including load flow calculation, short-circuit calculation, motor starting analysis and investment estimation. The advantages and disadvantages of the two schemes were compared and analyzed to recommend a safer, more reliable and reasonable optimization scheme.

Optimal design; Reliability; Digital simulation

TM 7430

A

1671-0460（2017）11-2334-04

2017-09-19

陶丽楠（1989-），女，辽宁省大连市人，助理工程师，硕士，2015年毕业于哈尔滨工程大学电力系统及其自动化专业，研究方向：电力系统仿真。E-mail：taolinan.fshy@sinopec.com。