石化工业园孤网运行策略分析

曹瑞峰

摘要：在缺少电网支撑的区域，石化工业园区的配套电站必须具备孤网运行的能力。由于石化工艺流程的停电损失特别巨大，孤网运行的策略应充分考虑石化工艺的负荷特性，设计完善的控制策略。本文以恒逸（文莱）项目为例，介绍了项目的配置方案，分析了孤网运行的问题，设计了以五道防线为基础的控制策略。

关键词：石化;孤网运行;五道防线

1.项目综述

恒逸（文莱）石化工业园区二期工程规划建设8台670t/h 高温超高压循环流化床锅炉，8台100MW高温超高压双抽凝式汽轮发电机组，发电机组并入内部220kV双母线，为石化工艺供电。

文莱当地电网有3座发电厂，总容量约为400MW。当地电网运行不稳定，有较多的停电事故。因此，该石化工业园区的供电依赖于配套电站的孤网运行，当地电网只能作为启动电源。

2.问题分析

电网运行的三个主要技术指标为电压、频率和功角。在大电网中，由于单台机组占电网总容量的比重比较小，机组甩负荷时不会影响大电网的正常运行。单一负荷占总负荷的比例比较小，负荷非常稳定，不会对大电网造成大的影响。

而在本项目孤网运行中，由于缺少外部电网的支撑，发电机组数量较少，石化负荷对于供电供热的可靠性要求很高，存在下列问题：

（1）孤网运行过程中，一旦电机出现问题，那么其他电机便会受到影响，进而影响电网运行的效果。

（2）一般发电机组数量需要与电网实际运行所需相匹配，一旦出现数量过少，其动能与热能都会变小，进而也就对电网电压造成影响。

（3）如果发电机个数较少，锅炉和汽轮机的故障对孤网的供电供热会产生重大影响。石化装置对用电和用汽的要求都很高，一旦供电或者供汽中断，都将造成重大损失。

（4）发电机组供电和供汽能力相互影响，存在耦合关系。

（5）当地电网是工业园的启动电源。在启动过程中，工业园并网运行。启动完成之后，为了避免受到当地电网的影响，切换到孤网运行。

3.控制策略

根据并网机组的发电机组特性和石化负荷特性，如果出现一台发电机组的故障，将会造成较大的供电和供热缺额，将不得不切除部分石化负荷。能够独立切除的石化负荷较少，大部分的石化负荷之间存在密切的关联性，重要的关联性负荷一旦被切除，将会引起大量有工艺联锁关系的石化装置相继被切除，进而引起整个石化工业园停车，引发特别巨大的损失。

因此，我们认为石化工业园的一次系统显然是不稳定的，必须在二次系统中通过合理的解决办法来控制孤网系统，进而保证其内部各个参数的稳定性。

3.1常规电网的控制策略

根据电网运行相关规定可知，想要确保电力系统的稳定性，就要做好电网工作的预防措施。基于此，下文结合《电力系统安全稳定导则》规定并根据常规电网的控制建立了保障电力系统稳定运行的三道防线，以此来保障电力系统的稳定运行。

第一道：该防线主要是针对电网运行的正常状态而设立的防线，其不仅能通过预防手段保障电网的安全，还能保障电网的稳定运行。而且即便电网出现故障，也可以及时准确的处理和解决故障问题。

第二道：该防线主要是针对电网运行的紧急状态而设立的防线，其通过对电网的运行情况和故障情况予以判断，然后再按照预定策略采取局部解列的控制处理故障问我呢提，进而确保电力系统的稳定性。

第三道：该防线主要是针对极端紧急状态下设立防线，其在电力系统出现异常问题的时候可以及时采取切机和解列等措施处理故障，进而防止系统崩溃。

3.2孤网的机网协调控制策略

在孤网中，除了常规的三道防线，还需要增加第四和第五道防线。

第四道防线，电网全部故障時，发电机组甩负荷带厂用电。这是一种小概率的极端工况，即使电网崩溃，发电机组仍然自保安全。

第五道防线，在发电机厂用电全失时，由保安系统安全停机，避免设备损坏。

孤网的五道防线是一个有机的整体，能够应对各种故障，保障孤网运行的安全和稳定。机网协调是五道防线的重要组成部分，包括实时二次调频、实时二次调压、功角测量调平、特殊控制、低频减载、负荷管理系统等功能。其可以根据电网系统内的相关关系对孤网电源和负荷发布指令并予以控制，进而保证孤网的正常运行。

3.3孤网的分散式保护策略

由于机网协调及其特殊控制是基于集中式智能设备，即使采取了高可靠性设计，也仍然会存在系统故障的可能性。其故障将造成孤网第一道防线和第二道防线的失效，此时就只能依靠第三道防线来保障孤网的稳定了。

第三道防线是由机网协调之外的分散式低频低压减载功能、一次调频功能、高频切机功能构成的。其具体执行设备是综保装置、调速系统、励磁系统和发变组保护装置。

3.4典型工况的控制策略

3.4.1 正常状态（第一道防线）

正常状态下，石化装置用电量和用汽量比较稳定，电源侧与负荷侧的设备正常运行，有功和无功需求波动小于孤网额定功率的2%。机网协调系统合理分配孤网的有功和无功负荷，需要注意的是，孤网频率需<0.2Hz，电压波动需<2%，进而保证负荷的平衡性。

锅炉群供应的蒸汽是石化工业园的能量源，为了保持锅炉蒸汽母管的压力稳定，要求锅炉群具备母管压力协调控制功能，由多台锅炉共同维持蒸汽母管压力的稳定。

3.4.2 小负荷冲击（第一道防线）

对于小于孤网8%的额定功率的负荷冲击，我们称之为小负荷冲击。机网协调系统能够协调控制多种有功和无功调节手段，迅速恢复频率和电压的稳定。

由于锅炉变负荷速率较慢，在增加负荷时，有可能造成母管压力的降低，此时必须切除部分电负荷。

需要注意的是，孤网频率波动及电压波动在小负荷冲击下需要分别<0.5Hz和5%。

3.4.3 大负荷冲击（三道防线）

大于8%的孤网额定功率的负荷冲击，被定义为大负荷冲击。

在负荷冲击<25%的时候，机网协调可以通过联切用电负荷和快关调门将孤网频率和电压波动控制在<1Hz和<10%的范围。

在大负荷冲击的条件下，除了通过第一道防线机网有功和无功的调动以外，还要通过第二道防线操控特殊控制功能的快关门和切负荷的操作。另外，如果特殊控制功能出现故障，那么就要利用第三道防线对分散式保护装置予以保护。但由于分散式保护装置多是根据频率和电压进行相关动作的，所以其与特殊控制相比是存在较大动态偏差。

大负荷冲击，有锅炉跳闸、汽轮发电机组跳闸、大规模负荷跳闸三种典型工况。

3.4.3.1锅炉跳闸

本项目配置了循环流化床机组，锅炉跳闸的情况是风机全停，锅炉会在2～5分钟内快速失去其蒸发量。按照最严重的情况来估算，单台锅炉故障时，在2分钟左右损失几乎全部的新蒸汽。即使其它七台锅炉还有备用，受限于锅炉的增负荷速度，在2分钟之后，七台670t/h的锅炉只能够利用锅炉蓄热增加5%的蒸发量，即增加234t/h的蒸汽。仍然还有很大的新蒸汽缺口，必然会造成原动机功率不足，引发频率下滑。同时，供汽量不足，蒸汽母管的压力也会下滑。

3.4.3.2 汽轮发电机组跳闸

在单台汽轮发电机组跳闸之后，孤网将失去一台机组的发电量和抽汽量。孤网频率和供热母管的压力会快速下滑，在此过程中，汽轮机调速系统将快速开大主汽调门，实时二次调频系统控制多台发电机组的共同增加有功出力，由于主蒸汽母管的供汽量充足，孤网频率能够在20秒左右迅速恢复到50Hz。供汽母管管理系统会调整多台汽轮机的抽汽量，恢复供热母管的壓力。

3.4.3.3大规模负荷跳闸

由于区域变故障或生产线的联锁停车，会造成孤网内的用电量和用汽量的大幅度减少，造成孤网频率和供汽母管压力的快速上升。

在此过程中，汽轮机调速系统快速关小主汽调门，实时二次调频系统控制多台发电机组共同减少有功负荷，孤网频率能够在20秒左右恢复到50Hz。供汽母管管理系统会减少多台汽轮机的抽汽量，恢复供热母管的压力。母管协调控制系统会降低多台锅炉的燃烧率，恢复主蒸汽母管压力。

3.4.4 母线崩溃（第四道防线）

母线一旦出现故障，不仅所有负荷失电，而且机组也会脱网。

为了保障安全，负荷侧应配置保安电源。电源侧应维持各台发电机组甩负荷带厂用电，即FCB功能，防止全厂停电，有利于孤网系统的快速恢复。

FCB功能要求在100%负荷状态下，甩负荷带厂用电，转速维持在+200，-50rpm以内，发电机出口电压和锅炉主汽压力稳定。

3.4.5 并网时外网故障

石化工业园启动过程中，依赖于外网的启动电源，与外网处于并网状态。在此情况下，如果出现外网故障，解列保护装置应及时分断并网开关，由机网协调系统快速平衡孤网，避免孤网失稳。机网协调根据事故前外网的运行方式及联络线送电断面的潮流大小，向机组侧发送实时二次调频和实时二次调压指令，合理分配每台机组的有功和无功出力，控制电网频率、电压和锅炉主汽压力等主要参数快速稳定，恢复孤网的稳定。

4.结语

中国的工业化，为中国的工业技术提供了广阔的舞台，以五道防线为基础的孤网运行技术，正是在这个过程中发展壮大，目前处于世界先进水平。伴随着一路一带的建设，中国的水泥、冶炼、石化、钢铁等大工业将越来越多地向外溢出，我们应充分考虑大工业的负荷特性，设计完善的控制策略，为中国的大工业走向世界提供坚实的技术支持。

参考文献

[1]邓少平.冶金发电厂孤网控制系统设计研究[J]. 电力勘测设计. 2018（01）

[2]严也火.孤网运行技术在某项目中的应用研究[J]. 中国高新科技. 2019（04）