提高大型化工装置供电网络可靠性典型案例介绍与分析

张登博(神华宁夏煤业集团烯烃一分公司， 宁夏 灵武 750411)

提高大型化工装置供电网络可靠性典型案例介绍与分析

张登博(神华宁夏煤业集团烯烃一分公司， 宁夏 灵武 750411)

本文介绍围绕图一所示的电网结构所进行的三个方面改进，一是启备变超负荷改进，二是110千伏线路接入方式改进，三是锅炉发电机直流电源改进，重点是介绍改进的必要性和改进决策的理由分析。

故障情况;电网改进决策;理由分析

1 启备变超负荷(见图一)

1.1 故障情况(一)

(1)时间地点: 2010年3月13日,烯烃一套动力中心。

(2)设备运行状况：3号发电机在轴瓦检修中，2号启备变带5号锅炉运行，4号发电机带4号6号锅炉运行。

(3)设备参数：2号启备变容量20000千伏安、4号锅炉8000千瓦、5号锅炉8000千瓦、6号锅炉8000千瓦。

(4)故障过程：4号发电机励磁装置故障引起发电机跳闸，4号6号锅炉快切装置动作，将4号6号锅炉负荷移至2号启备变运行，造成2号启备变过负荷告警。

1.2 故障情况(二)

(1)时间地点：2010年11月8日,烯烃一套动力中心

(2)设备运行状况：2号发电机在计划检修中，3号发电机在计划检修中，1号启备变带2号锅炉和3号锅炉运行，1号发电机带1号锅炉运行。

(3)设备参数：1号启备变20000千伏安，1号锅炉8000千瓦，2号锅炉8000千瓦，3号锅炉8000千瓦。

(4)故障过程： 1号发电机汽轮机故障紧急停机，1号锅炉快切装置动作，将1号锅炉负荷移至1号启备变运行，造成1号启备变过负荷告警。

1.3 改进办法

(1)3号发电机原运行方式：发电机并网开关点在35千伏3段发电机开关柜，发电机停机时，所带3号和5号锅炉必须通过快切移至1号和2号启备变备用段运行，发电机开机并网正常后，再将3号和5号锅炉负荷通过快切装置移至发电机工作段运行。

(2)安装时间地点：2013年5月,在3号发电机出口,母线连接处拆开,加装了一台ABB大容量断路器(额定电流10500安，短路电流有效值100千安)，改造二次回路(操作、保护、测量),将发电机并网点有35千伏开关移到此开关上。

(3) 3号发电机新运行方式：发电机开机时通过大容量断路器并网，向3号发变组网上送电，发电机停机时，3号发变组变为从网上吸电,3号和5号锅炉运行不受3号发电机开停影响，3号锅炉和5号锅炉工作段改为由3号发变组变压器长期供电，3号和5号锅炉备用段与工作段切换关系保持不变。

1.4 改进理由分析

(1)原设计思路的合理性分析: 如图一所示,原设计者在这张图上的设计,从设计原则供电稳定性等分析是没有问题的,其理由，备机原则通常选择1:1比例,即3号发电机与4号发电机可以互备，不再考虑两者同时有问题情况。即便是出现3号发电机4号发电机全停情况，使用蒸汽量必然减少，只要停所带的炉就不会出现启备变超负荷情况。

(2)电气改进理由：电气的理由在于，双回路供电，一端失电另一端应该具有全部承担能力，避免变压器过负荷而进行的移负荷操作，即对超负荷段的互备设备停运，不超负荷段的互备设备开启。

(3)工艺改进理由：工艺的理由在于，无论是锅炉还是发电机要根据工艺的生产状况、检修状况任意组合运行方式，而不能根据电气原因决定停那台开那台，例如,工艺就要求停3号机4号机，开4号5号6号炉运行方式。这一点，在化工单位,电气车间往往是服从，电气的定位是一个辅助部门,是以服务的角色做好各方面工作,所以就必须首先改造自己的设备。

(4)设备运行状况迫使： 空分、气化、合成、丙烯、聚合装置都需要稳定的蒸汽供给才能正常生产，由于锅炉、汽机、仪表、电气突发性故障非常多，且相互交叉出现,特别是电气的12套快切装置切换成功率较低，给化工装置供蒸汽造成紧张状况，为保化工生产，就常常出现发电机全停局面，所以，就必须选择改造。

2 烯烃一套二套总变110千伏线路接入方式(见图一)

2.1 故障现象

(1)烯烃一套线路介绍：烯烃一套总变110千伏线路有两条,徐烃一线(烯烃甲线)徐烃二线(烯烃乙线)，分别来自宁东供电局徐家庄变电所不同段,是同塔双回结构，每条线路载荷能力150兆瓦,可以单独承担50万吨聚丙烯生产能力，在烯烃一套总变两条进线,宁东供电局允许可以并列运行。

(2)烯烃二套线路介绍：烯烃二套总变110千伏线路有两条，蒋烃一线蒋烃二线，分别来自宁东供电局蒋家南变电所不同段，是同塔双回结构，每条线路载荷能力150兆瓦,可以单独承担50万吨聚丙烯生产能力，在烯烃二套总变宁东供电局允许两条线路可以并列运行。

(3)一套二套线路缺陷：烯烃一套二套属于特大型化工装置,每套装置各自采用同塔双回供电方式，当某杆塔线路发生故障时;当徐家庄变电所故障或蒋家南变电所发生故障时;烯烃一套或二套装置立即失去外网供电，由于自供发电机电源不能孤岛运行，发电机会联锁停机，就会造成一套或二套全装置失去电源,系统停车的大事故。

图一

(4)杆塔险情记录：2010年4月10日，烯烃一套110千伏线路徐烃线第5号杆塔，一采砂厂将基础掏空深度10米,距离杆塔3米，发现后及时与灵武县土地局联系，将基础按规程要求获得及时修复。

2.2 改进办法

公司计划将来自蒋家南变电所蒋烃一线分配给烯烃一套，将来自蒋家南变电所蒋烃二线分配给烯烃二套供电，将来自徐家庄变电所徐烃一线分配给烯烃一套，徐烃二线分配给烯烃二套供电，然后，向宁东供电局打申请报告，要求进行线路改造，宁东供电局2012年64号文同意批复，得到批复后公司进行设计采购，在烯烃一套总变安装一台快切装置，选取徐烃一线开关蒋烃一线开关和110母联开关之间做快切逻辑，根据运行方式选取互切，一路供电一路热备。在烯烃二套总变安装一台快切装置，选取徐烃二线开关蒋烃二线开关和110母联开关之间做快切逻辑，根据运行方式选取互切，一路供电一路热备。于2014年5月18日改造试车完成，投入使用。

2.3 改进合理性分析

(1)观点一：改造前的线路结构,同塔双回方式,在快切装置技术尚不成熟,可靠程度没有广泛验证,尤其是在大型化工装置上没有成功使用的时期,选择同塔双回并不一定比单塔双回可靠性差,这要从化工连续性生产的属性说起,化工生产每一个小开关小设备都会引起全系统停车,通常情况下断电时间超过60毫秒,装置就有全系统停车可能,在技术落后时期,双电源的切换都是备自投装置,切换时间远远超过60毫秒，所以说那时的化工厂的双电源都是起保安作用(就是一条线路失去电后,另一条线路供电保装置能安全停下来,接着快速恢复生产)，并不能保证不跳一台设备,更不能保证化工装置仍然稳定连续生产。备自投的单塔双回结构也不能实现装置不停车条件下，两条线路轮换检修。相反，同塔双回来自一个电源点,可以长期并列运行,失去一回路另一回路仍然保证装置正常生产，还可实现装置不停车条件下，两条线路轮换检修。

(2)观点二：现在，快切装置大量使用，化工装置上也有许多成功案列，选择同塔双回输电方式就没有优势可比。改造后，2014年8月12日,烯烃一套110千伏线路蒋烃一线第10号杆塔和第11杆塔之间,修铁路时,施工钻机碰到蒋烃一线放电,造成跳闸，一套总变快切装置成功动作，将徐烃一线投入，化工装置没有受到任何影响，平稳生产。

(3)观点三：同塔双回与单塔双回比较，同塔双回是单电源点供电，杆塔线路是单一性，相反，改造后的单塔双回方式是双电源点供电，杆塔线路是冗余性。

(4)观点四：选择改造后的输电方式，也有致命弱点，所有风险都集中在快切装置一点上，快切装置一旦有问题，切换不成功，造成全装置停车。在当前，杆塔线路、电源点变电所、快切装置三种设备可靠性比较上，还是有不少人相信前两种,所以说,快切装置技术培训普及、检维修方法、调试校验、规程编写及实施、冗余设计思路、实现在线检修等工作是企业迫切需要做的。

3 锅炉和发电机直流电源(见图一)

3.1 故障现象

(1)时间地点: 2011年11月16日下午4时许，动力中心锅炉房。

(2) 6千伏跳闸设备：1#炉6kV段1#中继泵、1#、2#送风机、1#、2#引风机、1#、2#一次风机、B、C、D磨机；2#炉6kV段2#给水泵、1#高压外供泵。3#炉6kV段1#、2#送风机、1#、2#引 风 机、1#、2#一次风机、A、C、D磨、3#中继泵、2#中压外供泵。4#炉6KV B段快切失败、6kV段1#引风机、1#一次风机、A、B、C磨、2#低压外供泵。5#炉6kV段5#中继泵、5#给水泵、1#、2#送风机、1#、2#引风机、1#、2#一 次 风 机、A、B、C磨。6#炉6kV段1#送 风 机、1#引风机、1#一次风机、6#中继泵。

(3)停炉停机情况：1#炉停炉灭火、2#炉停炉灭火、3#炉停炉灭火、4#炉停炉灭火、5#炉停炉灭火、6#炉停炉灭火。 1#机手动打闸、2#机手动打闸、3#机手动打闸、4#机手动打闸。

(4)装置情况：造成空分、气化、合成、丙烯、聚合装置停车,导致全装置停车。

3.2 改进办法

(1)原来直流系统介绍：如图一所示，全部机炉设备使用两组直流系统，每组一台高频充电机，另设一台备用充电机。1#充电机对1#蓄电池组浮充，同时为Ⅰ-主馈屏1、2、3、4供电，2#充电机对2#蓄电池组进行浮充，同时为Ⅱ-主馈屏1、2、3、4供电，3#充电机冷备用。8面主馈屏分别给控制负荷、事故照明、动力负荷和交流不停电电源等负荷供电，6台锅炉高低压开关柜控制电源由现场14面分馈线屏供电，14面分馈线屏分别引自8面主馈线屏。

(2)改进后的直流系统介绍：如图一所示，原两组直流系统分别给4台发变组、2台启备变、8台快切装置使用，新上六组直流系统供给6台锅炉高压配电室14面分馈线屏，每组直流系统设两套充电装置互为热备，每套充电装置双电源供电。14面分馈线屏每面双电源引自六组直流系统不同组,于2012年6月改造完毕投入使用。

3.3 改进理由分析

(1)理由一：46台电动机同一时间跳，且46台电动机分布在图一所示的所有机炉中，说明肯定是公共系统引起的。

(2)理由二：通过图纸查阅，通过实地勘察，公共系统唯有如下：直流系统、DCS系统、ENMCS系统，直流系统如前介绍。DCS系统: 共分四个网络独立运行，#1网络包含#1、#2炉和#1、#2机，#2网络包含#3、#4炉和公用系统，#3网络包含#5、#6炉和#3、#4机，#4网络包含脱硫系统。ENMCS系统：由总变统一测控，分为主站层、子站层和间隔层。动力中心有3个子站，#1子站(#1、#2炉的通讯管理机)与间隔层，#2子站(#3、#4炉的通讯管理机)与间隔层，#3子站(#5、#6炉的通讯管理机)与间隔层。

(3)理由三：DCS系统分析：DCS系统使用的电源是UPS电源，与直流系统电源无关。检查四个独立DCS系统环总电源状态及接线，未发现任何异常。检查核对DCS系统网路的拓扑结构及四个系统环的数据交换机无异常。检查系统机柜的接地排及接地电阻0.75Ω，无异常。对受控的跳车设备在DCS卡件中的分配情况进行对应检查，未发现异常。翻查跳车设备动作顺序与锅炉MFT保护逻辑相符，无异常动作记录，结论就是DCS造成跳闸设备同时发生的可能性没有，所以排除DCS造成的可能。ENMCS系统分析：虽然电气测控系统通过通信管理机与电动机测控装置经485端口连接，但不对电动机进行远方操作，检查SMP的配置文件无设置，当前运行的测控系统没有对电动机操作的界面，测控系统与测控管理机的通讯协议是MODBUS标准通讯协议，有较严格的数据传输约定，不宜产生系统紊乱后发送控制电动机的群指令数据包，因此，排除测控系统引起的原因。至此那只有直流系统造成。

(4)理由四：两套直流系统绝缘监察表分别报直流接地信息时间与电动机群跳车时间相吻合，这一点可以说明与直流系统有关。

(5)理由五: 直流接地可导致继电器(或光耦)误动，已被专家通过实验认定。 查阅现场ABB电动机测控装置控制回路原理，DCS发出的指令，经光耦合把电信号转变为CPU可接受的数字量，进入测控装置的断路器控制逻辑，实现断路器的分闸合闸操作。分析认为，当光耦合两侧电压达到动作电压，光耦合也能发生翻转将光信号送入CPU，实现分合闸。由此证明烯烃电动机群跳闸是直流接地导致。

(6)理由六：查阅法规，国家电力公司《“防止电力生产重大事故的二十五项重点要求”继电保护实施细则》7.8规定：“对经长电缆跳闸的回路，要采取防止长电缆分布电容影响和防止出口继电器误动的措施，如不同用途的电缆分开布置、增加出口继电器动作功率，或通过光纤跳闸通道传送跳闸信号等措施”，对照规程对现场检查确实存在电缆混放，一头接地一头未接地，感应电压高，出口未设置大功率继电器，控制电缆过长(大于200米)等情况。

(7)理由七：导致如此大的事故，上述分析决定改造直流系统没有错，然而，事实上直流系统两组太少这只是一个方面。例如，直流系统接地及合环，交流电源窜入直流系统，各种用途电缆混放情况，各种控制电缆接地不符合规范，新型电动机测控保护装置缺陷不清楚，控制电缆过长等等，这些隐患不能及时发现又不能及时改造才是真正原因。

4 结语

综上所述, 启备变超负荷改进,不存在否定原电网结构设计理念的正确性，而是进一步夯实电网，对该电网的供电可靠性、宽泛性进行加强。110千伏输电线路的改进,是阐述双电源、快切装置在化工装置中应用的不同认识与观点,供大家商榷。通过大事故才决定直流系统的改造不可取，应当作为教训，重要的是警示在日常检维修中,按规程要求逐项消除不符合项，才能防止大事故的发生。

[1]张登博,宁煤烯烃电气设备控制方式改造典型案例介绍与分析[J].电气应用,2014,33(15):64-66.

[2]韦恒，汪军衡，郭怀东.直流系统交流混入及接地引起保护装置误动分析及解决方案[J].电力科学与工程，2010，26(7)：25-27.

张登博，电气高级工程师，现任职神华宁夏煤业集团烯烃一分公司。