石化电网黑启动和厂用电自保方案探讨

董 敏 杨玉清

(中国石化上海石油化工股份有限公司，上海 200540)

“黑启动”指整个电网因故障崩溃停运后，系统全部停电，处于全“黑”状态，此时通过借用外来电源和系统中具有自启动能力机组的启动，带动无自启动能力的机组，逐步扩大系统的恢复范围，最终实现整个系统的恢复和供电。虽然随着电网的不断扩大和可靠性不断提高，发生电力系统崩溃的机率已相当少，但是中国石化上海石化股份有限公司(以下简称上海石化)电网(以下简称石化电网))系统结构复杂，仍存在一些薄弱点，一旦发生恶性事故，可能会造成严重后果。并且在发生电网大面积或者全部停电事故后，电网的恢复变得异常复杂，如果电网内没有黑启动方案，将造成系统恢复缓慢，停电时间延长，造成的各种损失也会大大增加。因此，研究如何在系统发生重大停电事故后及时有效地恢复供电具有重要意义。

1 石化电网概况

石化电网主要通过220 kV架空线路阳石2110、阳金2119与上海电网金阳220 kV站连接，内网主要有220，110，35，10 kV系统。220 kV系统分别由热电一站、热电二站及石化变(均为双母线旁路兼母联结线方式，其中石化变为GIS设备)3部分组成，通过220 kV架空线路(架空与电缆混合线)金煤2251、金石2252、煤石2253、煤石2254连接组成三角环网；35 kV系统同样由热电一站、热电二站及石化变3部分组成，为上海石化生产装置提供动力用电，并为社区、居民供电，其中热电二站与石化变之间也可通过煤石343和煤石354线路作为事故联络线，热电一站金乍625正常对浙江乍浦供电，应急时可以与浙江电网相连；石化变石塘891正常对浙江全塘供电，应急时也可以与浙江电网相连。随着2007年9月热电一站燃油机组停发电后，石化电网内部电源仅剩热电二站0#～6#机组，装机容量为425 MW，且基本处于满发状态，而石化电网夏季最大用电负荷超过520 MW，缺口部分需要通过阳金2119与阳石2110从外网倒进(图1)，当热电二站一套机组停役检修时电网缺口尤其明显。

图1 上海石化220 kV电网接线简图

2 现状评估

2.1 诱发石化电网崩溃的机理分析

如上海石化220 kV周边接线简图(图2)所示，由于石化电网与上海市电网联络仅仅依靠阳石2110和阳金2119，两根联络线接入同一个变电站(金阳站)，且两根联络线延海边，70%以上是同杆架空线，所以当发生台风、雷暴、设备腐蚀以及金阳站故障时，造成石化电网灾难性后果的可能性大大增加。归纳起来存在3种电灾状况：第一是受上海电网波及石化电网呈孤岛，未稳住，引起石化电网崩溃；第二是对外联络线故障或缺额过大跳闸导致石化电网崩溃；第三是500 kV变电站联变或母线故障跳闸，石化电网小系统未稳住，上海石化热电部(以下简称热电部)机组脱调。

图2 上海石化220 kV周边接线简图

2.2 石化电网地理位置和失电后果分析

石化电网属于上海电网南桥分区板块，且处于西南角末端，类似于一个大“负载”。一旦作为自备电厂的热电部发生电灾事故，石化电网如果仅依靠上级电网的恢复、送电，恢复过程会相当漫长。由于石化企业的特殊性，如果连续两小时以上失去电源，将可能使石化生产装置发生爆炸和火灾。同时由于没有电源，水厂无法运行，设备的冷却能力基本丧失，消防能力受限，从而发生设备损坏甚至物料泄漏乃至燃爆的生态灾难，将使石化电网陷入长期无法恢复的困境。同样，对热电部来说，长时间断电会造成锅炉余汽蒸发殆尽，没有余汽支撑锅炉启动；长时间断电会造成锅炉严重缺水，最终无法启动。因此需要寻求快速的外部电源支援来恢复机组启动并恢复电网对用户供电，或者通过内部自救自保，故障状态下部分机组和系统快速与大系统解列，建立独立、稳定的小系统，在确保热电部自身的厂用电外，对部分用户继续供电。

利用外来电快速恢复自产蒸汽启动即为黑启动。由于电网依靠发电厂支撑，因此比电网垮掉更可怕的是电厂垮掉，因此电厂的应对电灾能力决定着电网的命运。2005年通过上海电力公司组织的上海电网电灾能力调查，上海电网内只有闸北燃机完全具备黑启动条件，而热电部自测结果为D2级：即本厂(热电二站)既需要外来电源又需要外来汽源，且支持时间须在0.5～1 h内，才能确保机组启动。考虑到热电部5#、6#机组(循环流化床锅炉)已相继投产，且5#、6#炉蓄热能力相对较强，在短时间内汽源问题应能自行解决(2005年6月进行过试验，在炉5A模拟失水情况下5#机组在5 MW情况下可维持15 min)。随着2010年6月25日浙江全塘站石塘891线路恢复运行，考虑到一次结线、操作方便，调度流程等情况，当石化电网发生崩溃时，可选择石塘891作为石化电网外部启动电源(电源切换操作估计需要1 h)，也即热电部内部具备黑启动条件。

3 石化电网黑启动的可行性和启动要点

由于热电部没有大功率柴油发电机和具有自启动能力的机组，只能通过外来电源带动机组的启动。

3.1 石化电网黑启动目标网架

当石化电网发生电灾事故，判明系主网全黑引起时，优先选择石塘891线路作为外部启动电源，并按事先设定的恢复送电路径对石化电网实施恢复送电(图3)，这需要上海石化电调与平湖供电局事先协调并建立预案。

图3 外来启动电源接线简图

需要协调的内容包括：

(1)35 kV系统。如图3中所示线路，向热电二站方向包括石塘891→石化变35 kV付母线→煤石343/354→热电二站35kV付母线→厂总变29/30(最大负荷电流300 A)。

(2)35 kV系统。如图3中所示线路，向热电一站方向包括石塘891→石化变35 kV付母线→石水881→水厂总降。

(3)厂用电系统优先恢复6 kV二段，若无条件再考虑6 kV一段为原则：厂总变29/30→6 kV二段备用开关→厂变49 6 kV开关→380 V一/二段备用开关，优先恢复硅整流和直流电源。

3.2 保证厂用汽源的措施

热电部机炉全停后应利用锅炉余汽维持厂用汽，开足汽108，各跳闸机组立即手动关闭汽48,并关闭减压11、21/汽48、减压1、2/汽4及其他对外供热阀门，利用5#A/B、6#锅炉余汽经减压11/汽4供应除氧器系统用汽，停用所有外供汽(包括采暖及生活用汽)，以维持5#A/B、6炉汽包压力和水位；煤粉锅炉锅炉熄火后维持汽3、4处于开足状态。

3.3 全厂黑启动时的注意事项

(1)加强与各级调度间的联系，并在上海市电力调度(简称市调)及上海石化总调的统一领导指挥下进行事故处理。

(2)各跳闸机组在动力电源未恢复之前采用间隔启动直流油泵投盘车，同时密切监视大轴轴弯情况。

(3)考虑到时间紧迫，应优先通过事先选择好的送电路径对失电母线进行手动清排，并合上或保留选择好的电源开关，尽量减少直流及不间断电源(UPS)损耗，确保通讯电源畅通。

(4)待6 kV二段或一段电源恢复，尽快恢复其他公用系统电源，并尽快投入工业水、海水、化学制水、给泵除氧系统及燃油系统；跳闸机组由间断盘车改连续盘车。

(5)待水厂总降恢复送电，尽快恢复对外供水。

(6)锅炉进水前应注意检查是否有缺水现象，缺水锅炉进水须得到热电部总工程师同意。

(7)对所有失电母线继续清排。

3.4 机组启动和并网

(1)由值班长发令，选择2#炉带主蒸汽母管启动，升压后关闭其他煤粉锅炉汽3、4阀门，蒸汽投入2#减温减压器，通过减压1、2/汽4供除氧器用汽母管。

(2)待汽温、汽压达冲转条件，选择2#机冲转，3 000 r/min带主变2-220 kV付母线零升，正常后，与35 kV付母线合环；通过35 kV母联恢复其他35 kV母线送电。

(3)按上海石化调度和石化电网管理中心指令，恢复部分35 kV重要馈线送电。

(4)得到市调授权后，尽快恢复石化电网三角环网方式，并拉开煤石343或354开关(避免引起环流)；恢复一站、石化变主变送电，恢复35，10 kV母线、馈线送电。

(5)安排其他机组启动、并网，注意石塘891电流不超限(≤600 A)。

(6)将运行机组抽汽投入，尽快恢复对外供热。

(7)待外网启动正常，联系市调恢复石化电网双联络线方式(注意石化电网不直接用阳金2119和阳石2110对外送电)。

3.5 后果预测及应对措施

(1)热电二站目前主要有4套UPS，分别放置在1#机炉电子室、5#机炉电子室、6#机炉电子室及电气继电器室。1#机炉UPS的负载为1#机炉的分散控制系统(DCS)、汽轮机的数字化电液调节系统(DEH)，直流电源接入电气控制室直流母线，直流母线上有1 400 AH的蓄电池。5#、6#机炉UPS负载为5#机炉的DCS、DEH，直流电源接入5#、6#机炉控制室直流母线，直流母线上有1 500 AH的蓄电池。电气主控制室UPS负载为48 V交流事故信号电源、35 kV线路闸刀交流电源及有关保护的交流电源，直流电源接入20个蓄电池(单独)。煤粉机组直流电源容量配备2组1 400 AH蓄电池，不能满足全开机情况下机组安全滑停时的需求。因此在事故处理时一方面机组盘车需安排间断、间隔方式；另一方面母线、开关清排尽量采用手动方式，不必要操作可暂缓执行，原则上尽量减少直流消耗。5#、6#机组由于蓄电池设计容量按单元机组设计，故能够满足5#、6#机组滑参数停机。

(2)考虑到从机组启动到恢复外送电过程时间相对较长，热态煤粉锅炉一般需要2 h，热态机组需10 min。由于上海石化生产装置的特殊性，如无法保证在2 h内满足用户要求，届时现场环境和空气质量可能会极其恶化。

(3)通信、远动、保护影响程度及涉及机组启动和运行方面。通信系统分程控行政电话交换机和调度电话交换机两种，全部装置有UPS系统，在断电情况下，可维持2 h的运行时间。如果2 h内不能恢复外来电源，将导致通信中断、远动装置停机、微机保护及自动装置失电停用、蓄电池无法维持机组启动及运行所需，产生不可预计的结果。

(4)为避免电网电灾引起下级电网崩溃，建议热电部机组增加FCB功能(当电网或发电机故障时，负荷快速降至仅带厂用电水平或维持汽轮机空转或锅炉低负荷运行水平功能)。

(5)建议热电部有条件时增加柴油发电机组或启动锅炉，以备不时之需，从而减少对外依赖。

4 厂用电自保方案

4.1 厂用电自保方案的可行性

上海石化热电部热电二站电气主接线方式如下(图4)。

图4 热电部热电二站电气主接线图

按保护形式自动断开联络主变压器的220 kV开关，使得主变压器与对应的35 kV和所带厂用电形成小系统运行，这样可以避免热电部失去所有电源而造成的启动困难或无法尽快给用户供电、供汽。

在选择联络主变压器的电压时，既要使小系统内窝电不宜过多，又不能使得小系统内缺电，因此选择220 kV侧。从热电部热电二站的35 kV系统各段母线负荷情况(见表1)来看，在正常方式时，自动断开主变压器3#220 kV开关是最合适的，这样既考虑了35 kV正二段及其厂用电系统不缺电，也考虑了可能的故障状态下，用户侧负荷转移所增加的负荷。35 kV各段母线负荷见表1。

表1 35 kV各段母线负荷 MW

从上述分析来看，厂用电自保方案是完全可行的。

从表1可以看出：3#主变压器220 kV解列后，机组发电能力100 MW大于小系统内的用电负荷68 MW，在小系统经一定的震荡后能够达到稳定；两台机组分别可以带动大于30MW的负荷，即机组能够带抽汽保自用和部分外供；由于锅炉设计蒸发量大于机组最大进汽量，富裕部分可以通过减温减压器对外供热。因此选择3#主变压器220 kV作为解列点，热力系统不会有问题。

综上分析，厂用电自保可以使石化电网系统不会彻底垮掉，同时还可以对部分用户供热、供电，关键是可以快速恢复对用户的供电、供热，大大降低故障扩大的可能性。

4.2 厂用电自保需要解决的问题

厂用电自保需要对自动断开联络主变压器的220 kV在不同的运行方式下进行计算和选择；需要确定自动断开联络主变压器220 kV的保护方式，即以35 kV电压作为断开依据还是以系统周波为断开依据，同时要考虑如何区分系统震荡与上述选择。

以上所述只是在热电部全方式运行下的自保厂用电的解决方案，对于不同的运行方式，有不同的解列点，需要通过计算和平衡得出。

5 结语

当上海石化电网发生电灾时，无论是采用黑启动，即机组从最初启动电源→带动辅机→机组运转→拾取负荷→恢复电网→启动其他机组→系统并列等；还是建立上海石化热电部厂用电自保方案，都可以使得上海石化电网得以恢复。借助外来电源的黑启动，过程看似简单，但在实际操作中外来电源的恢复时间不能自主控制，所以整个石化电网恢复可能需要相对较长的时间，包括恢复策略、系统实战试验、典型应急预案制定、预警预报规则、救灾体系建立等，需要各个方面协调指挥，如果锅炉由于补水不及时造成干锅，则恢复时间会更长。而采用厂用电自保方案，可能上海石化电网系统恢复时间相对要短的多，但对保护方案、定值的确认相对比较困难。由于上海石化是易燃易爆的大型炼油化工企业，因此采用厂用电自保方案更符合需要。