冶炼工程孤网运行发电厂电力系统设计探讨

摘 要：在部分经济、交通等都相当落后，电网系统十分薄弱的荒僻矿区，冶炼工程电力供应是首要问题，配置与工程配套的发电机组供电是目前解决用电问题的唯一方法。有效配置发电机组，选用安全、可靠、经济的电气供配电方案是工程项目实施的关键，而这类冶炼工程自备发电厂的电力系统一般属于孤网运行。本文针对冶炼工程孤网系统的发电、供电及配电系统的设计做一般性分析研究，并针对某工程对冶炼工程的孤网运行的电厂电力系统设计方案的选择进行分析。

关键词：孤网电厂；电力系统设计；电气主接线

1 引言

随着东南亚经济的发展，该区域的矿产资源的优势地位越来越突出，也涌现出了一批冶炼项目，但这些项目多位于荒僻的矿区，经济、交通相当落后，电网系统十分薄弱，然而冶金项目是耗能大户，电力供应是首要问题，配置与工程配套的发电机组供电是目前解决用电问题的唯一方法，有效配置发电机组、选用安全、可靠、经济的电气供配电方案是工程项目实施的关键。

本论文针对某国的一制镍矿热炉项目自备电站的发、供、配电系统的设计做一般性探讨，并针对此工程孤网运行的电力系统设计方案进行分析。

2 工程配置

此工程为建设一条最终年产12万吨镍铁矿热炉项目，工程初期配置2台33MVA矿热炉，炉变一次电压33kV，全厂负荷总安装容量约75100kW，工作容量70300kW，计算有功功率61960kW，年耗电量约4.0×108kwh，计划配置两台2×50MW燃煤发电机组提供电能。

3 孤网电力系统设计

3.1 矿热炉电力设计

在冶炼厂和电厂生产运行都正常的情况下，电炉的启动、运行可根据生产调度有计划的增减负荷。然而冶炼厂的生产运行中存在很多不确定因素会导致用电设备跳闸，将造成对电厂的甩负荷冲击，故本工程设有应急柴油发电站，作为电厂的启动/备用电源和向电炉的电极提升系统、水冷却系统和回转窑等重要一级负荷提供应急电源，避免发生重大安全事故。

镍铁冶炼厂对自备电厂的升压变压器没有特别要求。升压变压器的电压等级取决于项目所在地的电厂和冶炼厂的建厂条件和供电半径等因素，需在现场考察及进行相关设计工作后确定。就目前来说，与50MW的发电机组相适应的矿热电炉容量约36MVA，如果电厂与镍铁冶炼厂合建在统一厂区，由于供电半径较小，36MVA左右的矿热炉亦可由电厂10kV电压直配；但从发展情况考虑，为适应矿热电炉的大型化也可按升压到35kV电压等级。

矿热电炉在非正常生产状态下对电网造成的冲击大致分为电极在炉内发生短路故障造成的电流突增和发生故障后保护装置动作跳闸甩负荷两种类型。通常在设计时采取恰当选择电炉变压器的阻抗来限制短路电流冲击的幅值，工程上一般要求将短路电流值限制在额定电流的3.5倍以下；而跳闸后的甩负荷冲击的幅值与电炉的运行功率有关，但超过发电机组在冲击发生前稳态发电功率10%是完全可能的。由于电炉在生产运行时出现故障的时间具有随机性，事先无法准确预测，故在自备电厂的设计中考虑应对该冲击的措施。

3.2 电气主接线

本工程建设2×200t/h燃煤锅炉和2×50MW凝汽式汽轮发电机组，发电机孤网运行。

发电机出口电压为10.5kV，发电机设出口电压母线，高压厂用电电源由发电机出口电压母线引接，每台发电机配置一台60MVA 35/10.5kV升压变压器将发电机发出的电能经升压后送至电厂35kV变电所。本工程为孤网运行，因此设柴油发电机组作为厂用起动及备用电源并设置高压起动/备用段，柴油发电机选用4台2000kW，出口电压11kV。

锅炉送、引风机、电动给水泵及循环水泵采用高压电机，工频运行。10.5kV I段高压厂用母线带1#发电机出线断路器柜、1#机组高压负荷、10.5kV高压厂用I段与10.5kV备用段联络柜、1#主变低压侧断路器柜。10.5kV II段厂用母线带2#发电机出线断路器柜、2#机组高压负荷、10.5kV厂用II段与10.5kV备用段联络柜、2#主变低压侧断路器柜，10.5kV厂用III段主要为电站公用系统供电母线。在高压厂用电源进线回路及10.5kV分段处加装串联电抗器。

制镍用矿热炉冶炼工程孤网运行系统电气主接线图

3.3 厂用电系统

高压及低压厂用电源按机炉分为两个工作段、一个公用段及一个备用段，对应的机炉负荷接在对应的母线上：1#炉所用的送、引风机、1#、2#锅炉给水泵、1#循环水泵、1#厂用工作变压器等接在10.5kV厂用I段上； 2#炉所用的高压送、引风机、3#锅炉给水泵、2#、3#循环水泵接线、2#厂用工作变压器接在10.5kV厂用II段上；公用负荷由公用变压器引接，电源引自10.5kV公用母线。

柴油发电机组电源进线接在10.5kV厂用备用段上。

35kV及10.5kV系统采用中性点不接地方式，低压380V系统采用中性点直接接地方式。

4 孤网运行方案论证

4.1 正常运行时

正常生产时，两台机组同时运行，机组出力均为70%，可满足全厂100%用电负荷。当1台机组检修或甩负荷时，另外一台机组出力在100% ，可满足全厂70%左右的用电负荷。正常运行时，机组负荷控制转变为频率控制，要求调速系统具有符合要求的静态特性、良好的稳定性和动态响应特性，以保证在用户负荷变化的情况下自动保持电网频率的稳定。

4.2 电厂启动

由于孤网运行，投运前由1#机组发电利用黑启动柴油发电机组，启动辅机后投入运行，对外供电。1#机组运行后带动全厂70%的负荷运转，并启动2#机组的辅机运行，进而启动2#机组发电，直至两台机组同时运行，满足按全厂100%的自供电率，逐步进行电厂和冶炼厂的生产，实现全厂电力负荷平衡。

4.3 发电机甩负荷或非计划跳机时

当机组发电机甩负荷或非计划跳机时，全厂用电出现短时供电不足，此时电 厂供电量仅满足全厂约70%的负荷。为了不致将系统电压拉低，造成系统崩溃，应在中央配电站设置低周减载保护，根据工艺要求，对部分负荷进行切除，减少用电量，同时减产运行，保障安全生产。若工艺需要，部分负荷无法切除，同时又无法满足剩余发电机稳定运行，则根据需要在相应的系统侧设置柴油发电机组，以确保分系统的安全稳定运行。

4.4 当用电负荷出现较大波动时

当系统负荷瞬时出现大负荷停机时，电力网络电压上升。若全厂40%以上负荷停机，则直接解列一台发电机组，用剩下的另外一台机组带全厂负荷。

若全厂40%以内大负荷停机，则汽机保护装置瞬时动作，可维持系统频率在50±5Hz以内，系统仍满足稳定运行条件。

若全厂小负荷波动，则可通过DEH的精确调整，以保证系统的稳定运行。

若全厂40%以上大负荷启动，则需要经过调度提前进行通知，调整锅炉及汽机的运行参数。

5 结束语

孤网的自平衡能力差，关键是保证机组在运行时控制频率的稳定，故本文所提的设计方法虽经技术论证，并参考其他设计公司的相关资料，但仍属于工程设计的探讨阶段，在真正实施时，需要工艺、公辅及业主等提供详实的资料，并做出相应优化、修正方可进一步实施。

参考文献：

[1]杨淑英.电力系统概论[M].北京：中国电力出版社，2007.

[2]《电力系统设计手册》[S].能源部西北电力设计院.

作者简介：朱军峰（1984-），男 ，研究生，工程师，主要从事：电气设计工作。