本期內容，讓我們將目光聚焦到氫冶金行業。“雙碳”戰略背景下，能夠極大助力節能減排的氫冶金具有廣闊發展前景。今天的《行業 · 啟施錄》，我們邀請到專家大咖為我們分享氫冶金行業發展現狀及氫冶金工程低壓供配電系統的運行情況，下滑開始學習！

本文作者：王偉

中冶京誠工程技術有限公司冶煉電氣室主任

1、氫冶金的背景及意義

隨著全球氣候變化問題的不斷加劇，世界各國以全球協約的方式減排溫室氣體，中國因此提出碳達峰和碳中和目標。

從全球范圍來看，鋼鐵行業碳排放量約占總排放的7%左右。中國作為全球最大的鋼鐵制造國家，每年排放CO2約18億噸，約占全國碳排放總量的15%左右。

在此背景下，我國鋼鐵行業面臨著艱巨的碳減排壓力，企業紛紛開展低碳技術研究。其中氫能冶金通過以氫代碳可以大幅降低二氧化碳排放，甚至實現無化石能源冶煉，達到零碳排放。

目前世界范圍內的氫能冶金技術工藝主要有高爐富氫冶煉、氫基直接還原和氫基熔融還原等工藝。

高爐富氫冶煉針對長流程，主要通過向高爐噴吹富氫還原氣體以降低碳消耗，從而實現二氧化碳減排；氫基直接還原+綠電電爐針對短流程，如HYL/Energiron工藝，以氫氣作為還原劑的工藝，實現以氫代碳，中國天然氣匱乏，使用焦爐煤氣（含60%H2）是中國從“碳代替”到“氫冶金”的重要過渡途徑。

HYL/Energiron工藝基本工藝流程如下：

研究表明，高爐富氫冶煉最多可降低20%碳排放量。而氫基直接還原工藝，氫氣和鐵礦石反應生成水和金屬鐵，沒有產生CO2。因此我國鋼鐵企業大力布局氫能冶金，加快推動一批氫能冶金項目的建設，其中寶武集團湛江鋼鐵全氫零碳綠色示范工廠的氫基豎爐正在建設中，河鋼集團120萬噸氫冶金示范工程于2022年12月16日全線貫通。

2、氫冶金工程負荷分級及供電要求

氫冶金工藝整體可劃分為氫基豎爐煉鐵工藝和氣體處理工藝，其中氫基豎爐煉鐵工藝屬于冶金工程，氣體處理工藝屬于化學工程。豎爐內還原后的爐頂氣經凈化、冷卻、加壓、二氧化碳脫除、加熱等流程，循環使用。供配電系統的穩定性將直接影響到氣體處理系統的安全運行，中斷供電將造成設備損壞和重大經濟損失，以及有毒或易燃氣體泄漏可能產生的人身傷害等事故。因此保證供配電系統的可靠性與安全性，是氫冶金工程電氣設計的首要議題。

按照GB50052-2009《供配電系統設計規范》對負荷分級及供電要求的規定，并結合氫冶金工程的生產特點，氫氣豎爐生產電力負荷多屬一級及二級負荷，由相互獨立的兩路電源供電。

以下設備為氫冶金工程一級負荷中的重要負荷，設柴油發電機提供應急電源。重要負荷一類是保障個人安全必需的重要荷載，如消防設施，應急照明，豎爐本體載客電梯，壓縮機隔音罩內有毒氣體抽風機等；另外一類是保障安全運行必需的荷載，損壞工藝設備而造成直接經濟損失，或造成產品的返工，如自動控制系統，反應器旋轉給料閥，冷卻器旋轉給料閥，壓縮機潤滑油泵，豎爐液壓站、混合罐攪拌器，以及重要的冷卻水泵。

3、氫冶金工程供配電系統

3.1 供配電設施及供配電范圍

根據氫冶金工程總圖布置和用電負荷分布情況，需在豎爐區域內設置2個10kV開關站和若干個設有低壓配電系統的電氣室，380/220V供配電系統盡量深入用電負荷較為集中的中心區域。每座10kV開關站的兩路10kV電源來自上一級變電所不同的10kV母線段，組成10kV單母線分段的配電方式。每一路10kV電源均能承擔其全部負荷。10kV配電裝置，給10kV電動機供電及動力變壓器提供10kV電源。

3.2 低壓配電系統接線方式

380/220V供配電系統典型主接線形式如圖1所示：

電氣室內設置2臺10/0.4kV動力變壓器，兩路10kV電源引自不同的10kV母線段，低壓側組成單母線分段的配電方式，每一路10kV進線和每臺變壓器均能承擔供電范圍內所有一級和二級負荷。正常運行時，母聯斷路器斷開，當一路電源發生故障時，合上母聯斷路器，切換至另一路電源而保證供電。單獨設置一組應急MCC，為上文提到的需要應急電源保障的重要負荷供電。應急MCC一路電源引自市電PCC Ⅱ斷， 0.4kV柴油發電機在市電不可用時提供備用電源。柴油發電機容量按照IEC 60034-1的標準計算：

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最大荷載=100%連續荷載+50%間歇荷載+10%備用或最大單體荷載(取較高者)

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應急MCC所帶的重要荷載，需規定起動順序，以免柴油發電機過載，柴油發電機相關信號，如斷路器狀態、發電機知識信號、電壓電流信號、報警信號需送至DCS。

為了保障低壓供電系統萬無一失，設計的氫冶金工程采用了施耐德電氣ATMT RC低壓電源管理系統，單母線分段的“兩進線一母聯”方案采用了3BRC型控制器，當一路電源發生故障時，如10kV電源1故障，經過可調延時時間確認電源故障后，低壓進線開關QS1自動分閘，母聯開關QS3自動合閘，切換至另一路電源為兩段母線負載供電，整個切換過程實現電源故障時進線與母聯開關之間自動轉換，無需運維人員到現場干預，減少故障時的停電時間；同時3BRC型控制器具備手動并聯轉換功能，當需要計劃性運維檢修時（如需要檢修變壓器TR01時），可通過控制器手動并聯功能，在短時間內實時監測兩路電源的同期性（電壓差、頻率差、相角差），當滿足預設的同期條件時，控制器執行先合母聯開關QS3再分進線開關QS1，以此實現不斷電的倒閘操作，減少非必要停電，提升一二級負荷供電連續性。

應急MCC的雙電源進線方案采用了2ARC型控制器，正常工作時，市電側開關QS4合閘，油機進線開關QS5分閘，由市電電源為應急MCC段供電；當一路市電電源發生故障時，通過對3BRC與2ARC型控制器轉換延時時間的級聯配合，優先兩路市電電源的轉換，即由3BRC控制器執行兩路電源之間的切換，由非故障側電源為兩段母線及應急MCC段供電，只有當兩路市電都因故障中斷供電時，2ARC控制器發柴油機啟動信號，柴油發電機完成啟動且電壓正常時2ARC控制器執行先分QS4開關再合QS5開關，切換至由柴油發電機給應急MCC段供電。

另外，MCC負荷也采用了施耐德智能電動機保護器TeSys T系列產品用于循環水泵、電動蝶閥等低壓設備，選用Ethernet IP通訊協議馬達保護器與相應的DCS直連，高速上傳各電機的電流、電壓、熱容量、功率、功耗及故障等信息，閥門狀態采集及電機狀態全部由馬達保護器輸入通訊上傳，電機操作有兩個控制站，就地控制和遠程DCS控制，智能電動機保護器的應用可大幅提高設備的安全性減少現場設備的宕機事件發生同時，也可減少設備現場接線。設備投入運行后，DCS遠程值守，可減少現場運維人員的工作強度。

綜上所述，在國家低碳戰略的逐步實施下，各鋼鐵企業持續探索碳減排的途徑和方法，氫冶金將是我國未來低碳冶金的熱點，希望施耐德始終保持創新動力，與更多冶金企業一道促進鋼鐵產業的低碳、綠色、可持續發展。

編輯：黃飛

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