技术丨浅谈余热发电带烧成系统孤网运行时余热发电技术革新

随着近些年“一带一路”战略的实施，海外水泥项目空间广阔。部分沿线国家和地区电力网络建设相对落后，经常性停电、电网电压及频率波动频繁且剧烈易造成水泥生产线停窑，余热发电停运等情况，同时大功率设备频繁的启停易造成寿命损耗。鉴于市场竞争的迫切需求，对余热发电进行新的技术创新，推出了余热发电带烧成智能孤网运行方案，并在中材国际（南京）总承包玉山南方项目中成功实施。

余热发电带熟料烧成系统孤网运行时，厂用电负荷包括余热电站本身的自用电及熟料烧成系统的用电负荷（包括三大类:物料输送系统、气流体传送系统及生产辅助部分）。以玉山南方项目为例，见图1。将窑系统生产所需的负荷都集中在窑尾10kV 电气室，在外网岀现故障时，快速断开进线断路器，与外网解列，进入余热发电带烧成系统孤网运行模式，同时智能孤网系统可以快速平衡余热发电量及烧成系统厂用电负荷，迅速达成新的供需平衡，保障孤网系统内电压和频率的稳定，维护孤网系统的稳定运行。

为提高余热发电带烧成系统孤网运行的安全稳定和经济性，在余热发电设计及采购过程中对如下三个系统进行特殊的要求：

3.1 励磁系统

在外网出现故障时，快速断开进线断路器，与外网解列，此时孤网系统会根据余热发电发电量及系统所需用电量进行快速调节机组增减负荷，励磁系统也需要快速反应，保证系统的电压稳定。根据玉山南方项目现场反复多次的孤网试验认证，励磁系统须具备如下特殊功能：

（1）10%电压阶跃，电压超调不超过1%；

（2）机端电压下降到80%额定工况，强励能力达到2倍额定输出；

（3）50%额定有功状况下，负荷切换，电压波动不超过1%；

（4）90%额定有功状况下，负荷切换，电压波动不超过1%；

（5）在孤网状态下，根据电压波动状况，采用自适应闭环PID参数调节；

A套自动升压试验录波见图2。从上图波形可知，当励磁系统收到开机指令后，发电机定子电压在2.5s内升到额定数值，电压超调量低于1%，100%给定建压迅速，满足设计要求。

10%阶跃特性曲线主要是验证励磁系统PID的闭环性能。从图3波形可知，系统收到上阶跃信号后，在1s内，发电机电压达到系统给定值，超调小于阶跃量的5%，震荡次数1次，闭环调节性能优秀。

甩负荷试验是考验励磁系统在机组带满额定负荷状态下，断开发电机出口，负荷瞬间归零状态下，发电机出口电压维持稳定的一个关键试验。从图4波形可知，励磁系统在负载状态瞬间变为空载状态。

时，发电机电压有15%额定值的超调，震荡次数为1次，提现了励磁系统在大负荷变化状态下维持电压稳定的快速性。

3.2 DEH系统

为保证余热发电机组在并网运行和解列后孤网运行时都能安全、稳定、可靠，需要智能孤网系统与DEH系统两者性能完美配合。DEH系统除传统的功能外，还需要具备如下特殊功能:

（1）余热发电机组在并网运行之前，以DEH控制为主，智能孤网系统为辅，共同完成冲转、升压、升速和相关的试验，智能孤网系统接受并跟踪DEH阀位指令，并负责调门控制及OPC超速保护控制等功能，同时将相关信号实时反馈给DEH。

（2）余热发电机组在并网之后，控制权则交由智能孤网系统。智能孤网系统根据汽轮机的转速和系统负荷，完成汽轮机出力和频率的控制。DEH处于跟踪状态。

（3）余热发电机组在脱网时，汽轮机调门仍由智能孤网系统控制，实现FCB或空载运行，最后还须具备带负荷同期并网运行的功能。

（4）余热发电机组解列后，待机组转速及频率稳定后，在DEH系统和智能孤网系统阀位指令相互跟踪的前提下，将机组控制权切换回DEH控制，此时智能孤网系统处于跟踪状态。

（5）DEH系统控制时:DEH只负责输出阀位指令控制信号至智能孤网系统，由智能孤网系统直接控制液压系统伺服阀，接收LVDT反馈信息，控制OPC电磁阀，并通过信号交互，从而实现对余热发电机组的控制。

3.3 油动机

为满足电网的调频及稳定性要求，调速系统应有一体化的转速测量和伺服控制模块，不建议采用模拟量输出信号+外配的伺服模块的方案。汽轮机控制系统性能灵敏，从转速测量、控制器运算到伺服模件输出的控制周期小于50ms。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300ms（即OPC动作后主汽门动作时间）。在伺服阀指令控制下全关和全开的时间小于1.5s。在OPC电磁阀断电后，OPC延时恢复，OPC油压建立时间小于1s维持机组的额定转速下稳定运行。油泵和蓄能器容量应具有较大裕量，液压系统动作对油压的影响不大于5%。应配置双支LVDT。

据玉山南方统计，因外网故障导致的水泥窑跳停重启需要消耗煤150t，电3万kWh，油2万L，同时停运会造成1万t熟料的损失。玉山南方项目智能孤网是首个成功实现利用水泥窑余热发电带熟料烧成系统稳定运行的项目，该系统可使水泥窑、余热发电减少非必要的启停次数，耐火材料使用寿命平均延长1.25倍，提高了运转率，机电设备维修成本降低了15%。凭借独特的系统配置，余热发电对生产线的重要性进一步提升，实现从补充、延伸到保驾护航的角色转变，引领行业发展。

作者：王婧，沈加宁，李晓涛

企业：《中国中材国际工程股份有限公司（南京）》

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