某铝电集团电厂孤网运行可行性研究

杨志军

山西兆丰铝电有限责任公司,山西 阳泉 045200

1 基本情况简介

某铝电集团下设自备电厂和铝厂，电厂装机容量为3×135 MW超高压单抽凝汽式汽轮发电机组，配3×480 t/h循环流化床锅炉，总装机容量为405 MW。铝厂共有 156 台300 kA 系列电解槽，电解系列最高瞬时负荷可达到 211.5 MW，厂用电负荷为 6000 kW，计入厂用电负荷最高瞬时负荷为 217.5 MW。 电厂到铝厂共有两条220 kV线路。

2 孤网运行的技术条件

2.1 电气配置网架系统分析

在电网中单机容量占电网总容量的比例越小，当单机出现故障时对电网的影响也就越小。根据《电力系统设计技术规程》（DL/T5429—2009）第5.2.3条款相关规定，系统的总备用容量可按照系统最大发电负荷的15%～20%考虑，低值适用于大系统，高值适用于小系统，并满足：（1）负荷备用为2%～5%；（2）事故备用为8%～10%，但不小于系统一台最大的单机容量；（3）检修备用应按有关规程要求及系统情况确定，不应低于5%。

根据上述规定，发电厂的机组容量除应根据系统规划容量、负荷增长速度和电网结构等因素进行选择，最大机组容量以占系统总容量的8%～10%为宜。如果以自备电厂3×135 MW机组作为电源，铝厂变电所及其用电负荷作为用户构成一个孤立的电网来运行，假设所有设备均不发生任何故障，保证可以安全可靠地稳态运行，其发电、用电负荷达到稳态平衡是可以实现的。一旦3×135 MW发电系统和铝厂变电站供配电系统中任何一个元件发生故障，（由于其单元件供配电负荷占比较大，约占整个系统负荷的35%以上，即便网内其他所有负荷及发电设备均正常且有完善的自动控制系统，一旦该系统内某一机组或某条220 kV出线，或某组电解槽系统出现任何故障跳闸或振荡，造成稳定破坏）都有可能拉垮整个内网，其暂态调整不能保证能够过渡到稳态运行。一旦在时间和负荷上调节不过来，主保护拒动，将会造成整个系统失电[1]。孤网运行之后的短路容量与并网情况差异很大，如果不重新整定电气保护定值，将会造成保护拒动或者延时动作，造成故障穿越，引起全网失电。

为了解决上述问题，应加强主保护配置，最好采用双重化配置。加强后备保护，提高系统的电源适应性，尽量做到主保护拒动，后备保护正确动作，仍然能够避免全网失电。根据孤网运行特点，重新整定电气保护定值，提高整定的精度，适应区域电网需求。实现发电机组的FCB功能，在区域电网故障条件时，自带厂用电运行，避免区域电网全失电。

2.2 电厂机组设备稳定运行分析

通过多年的运行经验可知，正常情况下，自备电厂发电机组年非计划停机的平均次数为1.9次/年，其中1.5次为锅炉非停，0.4次为汽轮发电机组的非停。对于三台机组，每年锅炉非停会有4.5次，汽轮发电机组的非停会有1.2次。

电厂锅炉为循环流化床锅炉，响应速度滞后，锅炉的冷态启动至少需要12 h才能并网发电，达到满负荷至少还需要10 h，锅炉非停的影响较为缓慢，一般在2～5 min内失去蒸汽蒸发量，造成相应的发电机组降出力。在此期间内，其他发电机组升负荷量有限，而且受到最大蒸发量的限制。因此锅炉非停必然会造成原动机出力不足，如果不采取措施，将会导致区域电网的频率崩溃。

锅炉非停之后，应该采取的措施有三个：一是通过有功负荷分配，快速增加其他发电机组的原动机出力，同时避免单台机组超负荷；二是根据蒸发量的变化，切除相应容量的下游负荷，称之为稳控系统；与低频减载不同，稳控系统是根据故障情况，快速精确切除，在故障处理过程中，频率波动范围较小。根据频率的变化，切除相应的下游负荷，称之为低频减载。

为了应对发电机组的非计划停机，通过机网协调来快速调整其他发电机组的出力，通过稳控系统来快速精确切除下游负荷，低频减载作为后备保护。完成改造之后，发电机组的非计划停机不会造成区域电网全停。在可控硅整流技术成熟之后，可以考虑某一条电解系列改造为可控硅，可控硅整流能够通过快速降系列电流来代替切除整流变。

2.3 铝厂负荷对供配电系统影响的分析

自备电厂自投运以来，一直存在因铝厂效应问题引起机组有功出力波动情况，次数频繁，波动范围为正负20%，最大能达到160 MW，且没有规律。目前没有出现机组故障是因为机组和电网连接，阳极效应产生的波动能够在短时间内被电网吸收，如果采取孤网运行方式，该波动需要机组全部承担，必然会发生电网受波动。

电解铝对负荷要求高。目前国内已采用孤网结构的网络为多个产业企业互联方式，尚无独立对电解铝供电的案例。在多个企业互联方式孤立运行的电网故障情况下，通过低频减载设备迅速甩减负荷。目前电解铝故障停电保温运行方式冬季只能维持3 h，超过3 h会发生事故，造成设备损坏。

电解铝厂目前负荷极不稳定，铝厂设备也不够稳定，据统计，仅2017年铝厂瞬间全部甩负荷多次，铝厂一旦发生全甩负荷，电厂必须立即降负荷运行至带厂用电运行甚至停机，锅炉超压、超温对机组造成很大影响，可能导致事故。同时，机组故障后机组带负荷慢，不能迅速满足铝厂需求，如果造成停机，事故应急处理不及预期，会造成较大的事故，存在较大的安全风险。

铝厂的生产均采用二极管整流，负荷难以灵活切除，当切除一台整流变时，其他整流机组会分担其电流，再切除一台整流变时，剩下整流机组会因过流而跳闸，造成整个生产系列停运[2]。一般情况下，二极管整流机组，只能实现两档减负荷，即减10%或者减100%的电解系列负荷。用电负荷不能灵活切除，对于电解铝区域电网的安全稳定造成了重大影响。

电解铝生产中，正常运行时负荷平稳，即使在阳极效应下，阳极效应产生的负荷冲击一般不超过满负荷的3%～5%。某些电解铝生产系列运行不太稳定，阳极效应产生的负荷冲击可能达到10%。

一般情况下，汽轮发电机组的瞬时变负荷能力为5%左右，即5%左右的负荷冲击，将造成汽轮发电机组的转速波动达到30 rpm。循环流化床机组的变负荷能力一般小于2%。因此，发电机组的变负荷能力不能满足电解铝生产系列的变负荷要求。

可行的解决方案是提高汽轮机调速系统的性能，合理配置汽机旁路或者锅炉PCV阀，提高励磁系统的性能，使得单台发电机组能够实现瞬时增加10%负荷或者甩全部负荷的能力。即，在增加10%负荷时，系统频率波动小于0.5 Hz，电压波动小于5%。在甩全部负荷带厂用电时，系统频率的最大偏差小于3 Hz，电压波动小于10%，发电机组能够维持厂用电，不造成停电。

在此基础上，对于多台机组增加实时二次调频，快速分配有功负荷，自动维持频率在50 Hz；增加实时二次调压，快速分配无功负荷，自动稳定母线电压；增加功角调平功能，提高机组在大负荷冲击下暂态稳定性能。这样使得多台发电机组组成的区域电网，能够承受±10%的负荷波动，频率波动小于0.5 Hz，电压波动小于5%；即使出现30%以上的甩负荷冲击，频率波动仍然小于1 Hz，电压波动小于10%。实时二次调频、实时二次调压、功角调平功能是机网协调的一部分。

上述的技术措施能够机组性能，增加机组之间的协调分配能力，将发电机组负荷适应能力最大化。

2.4 自建黑启动电源防止电网整体断电

在孤网运行条件下，如果FCB失败，区域电网将全网断电。根据供电可靠性的计算，区域电网全部断电的概率约为0.17%。但是由于原系统并非按照区域电网要求来设计建设，存在大量的公用系统，可能引起共性故障，也可能导致区域电网整体断电。因此，建议增设黑启动相关配套装置。

常规的黑启动措施是柴油机，按照单台135 MW机组12.96 MW的厂用电要求，应配置12～13 MW的柴油机。配置柴油机之后，必须进行定期维护和启动试验。在实际运行中，用到柴油机的概率并不高，这是为了安全性而不得不采取的技术手段。

3 结论

目前，在国内还没有纯电解铝负荷的孤网运行电网结构，孤网运行的电网结构要考虑效益性和安全性，通行的做法是一级负荷和二级负荷要搭配，在电厂某台组出现故障的情况下，迅速切除二级负荷，来保障一级负荷的用电需求，从而实现一级负荷的稳定并兼顾效益的最大化。现有电厂和电解铝实现孤网运行较为科学的方式为四台135 MW机组，同时再匹配至少100 MW的二类负荷，才具备区域电网独立运行的最低条件。