20万t/a烧碱项目配电系统设计方案

郝继运,潘显明,南海凤

(莘县华祥盐化有限公司,山东 聊城 252429)

化工生产过程中，突然停电或晃电往往造成生产装置停车、设备损坏、环境污染、人身伤亡、爆炸、火灾等安全事故，给企业、社会造成很大的经济损失。因此，氯碱企业必须严格按照相关电气设计规范，合理划分用电设备负荷等级，根据不同负荷等级设备对供电的要求，进行配电系统设计，满足安全生产的要求。笔者根据相关规范对设备负荷等级划分依据及相应供电要求，结合莘县华祥盐化有限公司(以下简称“莘县华祥盐化”)新建20万t/a烧碱项目中电气配电系统设计方案，探讨如何科学、合理、经济、实用地设计企业供配电系统，保证供电可靠性，减少事故发生。

1 生产装置用电负荷分级规定

GB 50052—2009《供配电系统设计规范》[1]中规定，生产装置用电负荷根据其在生产过程中的重要性、对供电可靠性及连续性的要求进行分级，划分为一级、二级、三级负荷和有特殊供电要求的负荷。

(1)一级负荷是指生产装置用电突然中断时，将造成人身伤亡或企业的连续生产过程被打乱，从而造成重大的经济损失。恢复供电后需要很长时间才能恢复的生产装置以及确保其正常操作的公用工程用电负荷。

(2)二级负荷是指生产装置工作电源突然停电时，将造成较大经济损失，恢复供电后，需要较长时间才能恢复正常生产的生产装置以及为其服务的公用工程用电负荷。

(3)除一级、二级负荷外，其余均属于三级负荷。

(4)在一级或二级负荷中，为确保安全停车，避免发生爆炸、火灾、中毒、人身伤亡、主要设备损坏、环保事故，以及为了抢救伤员或保证人员安全撤离、提供照明等情况，而不允许停电的负荷，在GB 50052—2009和SH/T 3038—2017《石油化工装置电力设计规范》[2]中，称之为特别重要的负荷。在实际生产装置中，这类负荷需要特殊考虑，应划入企业或装置最高要求的供电负荷，即当电网停电时，这类负荷不能停电，应配备应急电源装置，由应急电源装置供电，应急电源装置供电时间应根据工艺及设备要求而定。

2 不同级别的负荷对供电电源的要求

(1)对于一级负荷，应由双电源供电，并且当一路电源故障时，另一路电源不能同时故障。如果装置内设有发电机组，两路电源供电困难时，也可由一路外部电源供电。

(2)对于二级负荷，宜由双回路供电。当取得双回路电源困难时，也可以由专用单回路电源供电。

(3)对于一级、二级负荷中特别重要的负荷(或有特殊供电要求的负荷)，除了满足以上两种供电方式外，还应设计应急电源装置，由应急电源装置供电。

(4)对于三级负荷，没有特殊供电要求。

3 20万t/a烧碱装置配电系统设计方案

3.1 用电设备负荷等级划分

莘县华祥盐化20万t/a烧碱项目工艺生产连续性强，突然停电将会造成较大的经济损失，因而该项目大部分生产装置及与工艺装置相关的公用工程用电负荷属于二级负荷。其中，干燥塔硫酸循环泵、硫酸供料泵、吸收塔循环泵、次氯酸钠循环泵、尾气风机、二次精制盐水泵、纯水输送泵、亚硫酸钠供料泵、真空泵、阳极液循环泵、阴极液循环泵、极化整流器、消防给水泵、火灾报警系统、有毒可燃气体检测系统、应急照明电源、DCS(含SIS)及仪表、通信装置等负荷属于特别重要的负荷；而盐贮运、一次盐水的膜法脱硝工序、换热站等辅助设施用电负荷属于三级负荷。

3.2 供电方案

供电方案的确定是一项复杂的工作，应力争接线简单、操作灵活、经济适用、安全可靠。

3.2.1 电气负荷统计

(1)该项目特别重要的负荷为1 241 kW。

(2)该项目二级负荷容量为65 895 kW，其中10 kV负荷容量为2 540 kW，35 kV负荷容量为62 720 kW(整流负荷)。

(3)该项目三级负荷容量为2 293 kW。

3.2.2 电压等级确定

供电电压选择应以当地供电网络能提供的电压、用电设备功率大小、用电负荷分布情况、供电线路距离、企业发展等因素综合考虑。

该项目主要用电设备为整流装置，根据整流变压器加工制作能力及负荷容量，采用35 kV供电最经济；在动力负荷中，单台设备比较大的有冰机291 kW、循环水泵315 kW，采用10 kV供电比较合理；其他负荷均为低压用电设备，采用380 V/220 V供电，这样就形成了35 kV、10 kV、380 V 3种供电电压组成的网络结构。

3.2.3 进线电源回路数确定

用电负荷等级确定以后，企业应根据自身特点，重点考虑线路停电后对企业和社会造成的影响，结合当地电网情况、企业负荷、企业发展规划等因素，选择合理的进线电源回路数量。

该项目属于二级负荷，按照规范宜采用35 kV双回路供电，双回路电源来自同一个变电站的不同母线段，两回路单独运行，通过母联开关实现互为热备用，当一路电源故障时，另一路电源仍然保持正常供电，并维持足够的电压水平。考虑到开关设备、互感器、电缆、微机保护的选择及保护定值的匹配问题，设计时未考虑两条进线互为100%容量备用，只考虑一条线路故障时，另一条线路能保证安全停车处理故障就行。在电源恢复正常前，确保主要负荷整流装置不送电开车。

氯碱企业工艺千差万别，生产能力也不一样，停电造成的损失也不同，主装置是采用双电源供电还是双回路供电，根据规范理解，只要保证安全停车，单一进线也是允许的。而且电网越来越复杂，很难保证一个电源故障，另一个电源还能正常运行。实践证明，小型氯碱企业，采用单一专用电源供电回路外加应急电源供电模式是可靠的。在采用双电源或双回路供电时，是否按互为100%负荷备用进行设计，应该根据企业自身特点进行论证，坚持科学、合理、实用、经济的设计原则，避免浪费。

3.2.4 总变配电站设计

总变配电站设计，应根据生产装置的负荷容量和地理位置分布，遵循供、配电线路深入负荷中心的原则进行设计。

该项目主要负荷为整流负荷，设备供电电压为35 kV，装置靠近厂区边沿，进出线方便，因此，在整流负荷附近设计一座35 kV总变配电站，满足整流负荷需要。同时设计2台35 kV/10 kV动力变压器，一方面可以满足冰机、循环水泵等10 kV高压用电设备需要，同时给车间变电所10 kV/0.4 kV变压器供电。根据负荷容量,结合设备选型,并考虑运行灵活，35 kV、10 kV母线采用分段运行，互为热备用。

3.2.5 车间变电所设计

该项目其他低压负荷主要集中在氯气干燥、电解、氢气处理工段，工艺设计、设备平面布置紧凑，负荷集中，因此，在防爆区域外的氯气干燥工段设计一座10 kV/0.4 kV车间变电所，满足低压负荷需要。10 kV/0.4 kV变压器每2台变压器组成一组，互为热备用；正常时低压侧0.4 kV母线采用单母线分段接线，两段母线之间设置备自投装置，当一路电源故障时，另一路电源不会同时受到损坏，仍能保持正常供电。

3.2.6 特别重要设备负荷供电方案设计

该项目特别重要设备负荷(或有特殊要求的供电负荷)除采用正常供电线路供电外，还设计了应急电源装置，根据不同设备对供电电源连续性的不同要求，设计了以下几种应急电源装置。

(1)不允许停电的设备负荷，如DCS、火灾报警系统、有毒可燃气体检测系统等，可采用纯在线UPS(Uninterruptible Power Supply)电源装置给这类负荷供电，正常工作电源失电后，UPS电源通过逆变装置把直流蓄电池电转换成交流电，它们之间可以实现无扰动0 s切换，保证供电的连续性。

(2)允许极短时间内停电的设备负荷，如事故氯吸收装置(也叫除害装置)，可以采用EPS(Emergency Power Supply)电源装置进行供电。正常电源突然停电后，氯压机停止运行，氯气管道内存有氯气，EPS装置可以在3～5 s内自动启动，将蓄电池电能转换成交流电，带动吸收塔循环泵、次氯酸钠循环泵、尾气风机等设备运转，用碱吸收管道内氯气，避免造成氯气外逸事故。

(3)对于允许停电时间在15 s以内的设备，如阳极液循环泵、阴极液循环泵、极化整流器等，该项目设置了1台1 500 kVA自启动柴油发电机作为应急电源。当正常工作电源断电后，柴油发电机自动启动，在15 s内将电源自动切换到应急段母线，满足以上负荷正常工作。

3.2.7 配电系统图

根据以上设计思路，结合本行业其他企业实际运行情况，该项目最终配电系统如图1所示。

图1 20万t/a烧碱项目配电系统示意图

4 结语

该项目配电系统已安装完毕并投入运行。事实证明：该方案完全满足生产需要，对于各级负荷都能保证正常用电；突然停电后，特别重要负荷所需的应急电源切换正常，完全满足安全生产要求。

在工程项目建设过程中，设计人员应认真领会各种配电设计规范，结合企业特点及当地供电部门供电网络情况，科学、合理、经济、实用地设计供配电系统，保证供电可靠性，减少事故发生。