摘要：本文通过工程实例，介绍了镍铁矿热炉负荷特性及孤网运行控制策略在印尼孤网运行的镍铁项目配套自备电厂的应用，对今后处理同类机组具有一定的参考价值。
关键词：负荷特性；孤网运行；控制策略；镍铁冶炼
Application Research of The Control System in Indonesian Nickel Iron Captive Power Plants’ Isolated Electric Grid
DU Wen-ya，WANG Yi
（CISDI Thermal and Environment Engineering CO.Ltd.，Chongqing，401122，China）
Abstract：The electric load characteristics of nickel iron furnace and implementation of Control System in Indonesian Nickel Iron Captive Power Plants’ Isolated Electric Grid are analyzed in this thesis，in order to solve the problem of similar units in the future.
Key word：Load characteristics；Isolated electric grid；Control system；Nickel Iron
前言1
随着中国不锈钢产量的逐年增长，国内镍铁合金市场原料供应十分紧缺，而印尼政府近年来积极鼓励外资企业对原矿进行就地深加工。中国企业投资印尼镍铁项目，符合我国一带一路的发展战略，同时将提高印尼当地人民的就业机会和促进当地经济发展。
1概述
印尼某镍铁项目采用RK-EF 流程，主要工序：烘干-焙烧和预还原-电炉熔炼。主要工艺设备包括：回转窑、3×33MVA矿热炉以及原料、除尘、水处理等。该项目分两期建成年产50万吨回转窑-矿热炉，其中一期建设3×33MVA回转窑-矿热炉镍铁生产线和配套3×38MW自备电厂等公辅设施。印尼是个群岛国家，由三千多个岛屿组成，岛屿之间的电网连接不太方便。加上受亚洲金融危机的影响，印尼电网建设相对滞后，目前印尼只有一个电网爪哇-巴里-马都拉电网。本项目位于印尼东北部Maluku省的一座孤岛上，只能按孤网电站运行。
本项目配套自备电厂孤网运行存在下列难题：（1）发电机组数量较少，其旋转惯量储存的动能和锅炉群所具备的热力势能均较小，用电负荷的冲击，对于孤网的频率、电压冲击较大；（2）发电机组的数量较少，其系统可靠也较低，一旦发生机组故障就会出现功率缺额，直接影响镍铁生产。（3）镍铁矿热炉的数量少，负荷波动频繁幅度大，负荷波动叠加的可能性也较大，对于孤网会产生频繁的大范围负荷冲击。严重影响孤网安全和主设备的寿命；（4）孤网缺少大电网的支持，必须独立进行调度，维持频率、电压、功角的稳定[1，2]。
2印尼镍铁项目的电负荷及其特性分析
2.1镍铁电炉负荷特性分析综述
本项目镍铁冶炼采用矿热电炉，一般为连续加料（炉顶布置多根加料管，每根料管设置阀门，阀门为间断打开）、间断放镍铁（间隔 5h 放一次镍铁，每次放 50~60min）、半连续放渣（每天放 20h）。矿热电炉具有非线性、时变、多参量等特性。矿热电炉的工况参见表1。本项目的负荷特性总结如下：
（1）矿热炉属于连续加料、连续埋弧冶炼，正常情况下负荷有一定波动（约10%），出铁水时有约15%（即每炉3.6MW）快速降载。原料、除尘、渣处理、水等其它负荷基本稳定；
（2）矿热炉每月有1~2次（3台3~6次）短时故障断电检修工况（这与设备档次、生产管理维护水平相关）；
（3）矿热炉的电极烧断和塌料工况会引起三相负荷不平衡。
表1镍铁矿热炉的运行工况表
Table 1 The operating table of nickel iron smelting furnace
2.2电气系统及装机方案
本项目自备电厂采用的装机方案为：4机3炉方案为：4×160t/h高温高压循环流化床锅炉+3×38MW凝汽式汽轮发电机组，厂用电率约11%。外供电能力101.5MW，厂用电负荷92MW，约10%裕量。电气系统配置35kV系统方案：单母线分段系统，正常并联运行，母线上接。
（1）3套发变机组（发电机38MW，升压变45MVA），正常每台发电机组外发电力约为30.7MW，含厂用电约91.7％额定出力；
（2）3台矿热炉（炉变每台3×11MVA）；
（3）1台35/10kV 20MVA启备变（10kV母线接柴发系统，并为矿热炉辅助负荷提供一路10kV电源；
（4）1台35/10kV 20MVA矿热炉动力变压器；
（5）1套35kV 20MW电负荷平衡装置。
3孤网运行控制策略的设计思路
在孤网中，发电机组数量较少，其旋转惯量储存的动能和锅炉群所具备的热力势能均较小，用电负荷的冲击，对于孤网的频率、电压冲击较大。为了实现孤网运行的安全目标，设计过程中，针对针对各种可能的事故工况建立完善的调整和保护措施，我们将其称之为孤网系统的四道防线[3]，如图1所示。
图1孤网运行状态图
Fig.1 The state diagram of isolated electric grid
1）第一道防线：在小负荷（<5%）冲击的情况下，充分利用各台发电机组调能力，同时与负荷侧进行合理的协调管理，维护孤网频率、电压的稳定。同时合理调度有功负荷，使得系统的热备用最大化，合理调度无功负荷，使得系统的暂态稳定水平最优。
2）第二道防线：在出现大负荷冲击的情况下，利用孤网的稳控系统，快速定位故障类型和故障程度，采用相对应的快切用电负荷或者快减发电负荷的手段，重建发电和用电的平衡，保证频率和电压快速恢复平稳。
3）第三道防线：在出现大负荷冲击的情况，如果稳控系统失灵，或者出现稳控系统策略没有考虑到的事故工况，在频率和电压出现大幅度偏差的情况下，启动切负荷切机动作，以重建发电和用电的平衡，使得频率和电压恢复平稳，为第二道防线的后备保护。
4）第四道防线：在出现厂用电全失的情况下，保障机组安全停机。第五道防线由发电机组保安电源系统、油系统构成。常规机组已经进行了完善的设计，但必须进行试验检查。
4孤网运行的解决方案
4.1对三大主机的选型要求
（1）锅炉及辅机
为了在电网严重故障时，避免黑启动，单元机组应能够甩100%负荷带小岛运行（FCB），锅炉及其辅机应满足FCB的相关控制要求。为了应对机组快速减负荷时的主蒸汽压力超限的问题，应配置可频繁快速动作的高压向空排气装置（PCV），PCV阀的数量考虑多只，以便于分级控制。
（2）汽轮机及其调速系统
汽轮机调速系统应选择高性能的产品，以满足FCB工况的要求和电网的调频及稳定性要求。汽轮机调速系统性能灵敏，从转速测量、控制器运算到伺服模件输出的控制周期小于20ms，油动机在最大进油的条件下从全开到全关所需要的油动机时间常数小于150ms。具备快速的一次调频能力，能够接受负荷调度指令完成二次调频。汽轮机调速系统具有调门快关的功能，从关闭指令发出到调门全部关闭的时间小于150ms。在单元机组FCB过程中，汽轮机最大飞升转速小于150r/min，稳定时间小于30s。
（3）发电机及其励磁系统
发电机及其励磁系统应该能够按照0.85的功率因数，在输出额定有功和无功功率的情况下，长期稳定运行。并且能够在高负载的特殊运行方式下保持安全稳定。其励磁应选用高性能的产品，以满足电网无功调节的要求。励磁系统应具有外部通讯接口，以利用电网运行方式的分析和调整。
4.2电负荷平衡系统
孤网电负荷平衡系统容量是方案设施的重要环节，容量的大小直接决定孤网运行的成败和投资大小。综合分析，本工程电负荷平衡系统的规模定为20000kW，选取500kW负荷分辨率。孤网电负荷平衡系统调节系统原理如图2。
图2孤网电负荷平衡装置调节系统原理图
Fig.2 The schematic diagram of electric balance device’s control system in isolated electric grid
系统由高压部分、低压部分、水系统部分、自动控制系统、数据采集系统、通讯系统、微机管理系统、安保系统等部分组成。
（1）高压部分分为高压室、高压进线柜、PT 柜、高压出线柜、直流屏、变压器等组成，主要用于将来自35kV母线的电能分配后转化为负荷调节系统所需的低压。
（2）低压部分由低压室、低压进线柜、低压配电柜、水泵控制柜、蓄能器控制柜等组成，主要作用是提供控制系统电源、控制除盐水泵及控制蓄能器投切。
（3）自动化控制系统分为蓄能器控制系统及水泵控制系统。
（4）蓄能池为吸收电厂的多余电能而建的，它能把蓄能器的热能储存起来，供蒸汽锅炉使用，这就达到了既调节电厂负荷，又能使能源重复利用的目的。
（5）电热棒是把热电厂多余的电能转化成热能，并把热能释放到水池中。
（6）水系统主要由水泵房、除盐水泵、排污泵、进出水管路系统等组成，主要用来向蓄能池注水及热水回收。
（7）数据采集、微机监控管理及安控系统
镍铁矿热炉变、大型动力变等大负荷启停时，会对孤网系统造成很大的冲击，电负荷平衡装置能及时平整（或反向抵消）大负荷设备启停时所产生的负荷波动，确保系统频率快速稳定，降低大负荷波动对机组寿命的影响。
4.3机网协调系统
机网协调控制系统包括：自动发电控制（AGC）、自动电压控制（AVC）、功角测量和特殊控制（SPS）、低频低压减载（UFLS）、远动通讯（RTU）等，同时还包括了机组寿命优化、功角/功率因数调平、矿热炉负荷管理系统（DMS）等特殊功能。机网协调系统的框架图如图3。
为了满足孤网控制的要求，机网协调系统必须满足实时性和可靠性指标。机网协调系统的控制周期应小于20ms，即从采集信号、控制运算到指令发出的整个时间小于20ms。其数据记录的时间间隔不大小100ms。其电源、网络、控制器均采用双重化设计，关键性的保护信号采用三重化设计。其中的稳控，控制周期应小于5ms。
4.4黑启动
采用柴油发电机，柴油发电机总容量为8MW（4台2MW）。柴油发电机根据机网协调系统的指令退出运行。
图3机网协调系统结构图
Fig.3 The structure diagram of machine netwok coordination system
5 结论
国内孤网运行的案例极少，不多的几个集中在造纸、纺织、电解铝等负荷分散平稳容量较小的行业。对于镍铁矿热炉这种负荷集中波动很大的用电负荷，长期真正孤网运行的案例几乎没有。本文结合工程实例，对于孤网运行控制策略在印尼镍铁项目自备电厂中的应用进行了分析，以期待能为后续的类似工程实施提供思路。
参考文献：
[1]刘浩.电负荷平衡装置在孤网冶炼项目中的应用[J].低碳世界.2016
[2]秦江平.孤网运行系统负荷控制策略探讨[J].广西电力.2009（6）：31-38
[3]吴作军，苏国友，包自力等，钢铁厂自备电厂孤网运行若干问题的研究[J].安徽科技，2012（9）：41~42
作者简介：
杜文亚（1986-），男，汉族，辽宁人，硕士研究生，工程师，主要从事钢铁企业自备电厂设计和研究工作
论文作者:杜文亚,王毅
论文发表刊物:《电力设备》2018年第33期
论文发表时间:2019/5/16
标签：负荷论文; 系统论文; 印尼论文; 机组论文; 电网论文; 电厂论文; 工况论文; 《电力设备》2018年第33期论文;