GE 9FA燃?xì)廨啓C(jī)靜態(tài)變頻啟動(dòng)裝置故障分析及處理

馬桂芳,劉生建

(龍巖學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院,福建龍巖364012)

GE 9FA燃?xì)廨啓C(jī)靜態(tài)變頻啟動(dòng)裝置故障分析及處理

馬桂芳,劉生建

(龍巖學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院,福建龍巖364012)

靜態(tài)變頻裝置是9FA燃機(jī)的重要部件,根據(jù)GE 9FA中所采用的型號(hào)為LS2100變頻啟動(dòng)裝置的啟動(dòng)特性,通過電廠因靜態(tài)變頻啟動(dòng)裝置造成機(jī)組無法啟動(dòng)的實(shí)例分析LCI在運(yùn)行中出現(xiàn)的故障及處理辦法.

燃?xì)廨啓C(jī);LS2100;靜態(tài)變頻啟動(dòng);故障處理

燃?xì)?--蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組是一種高效環(huán)保的發(fā)電裝置,近年來在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的發(fā)展,而靜態(tài)變頻啟動(dòng)系統(tǒng)(GE公司簡稱為LCI)是現(xiàn)代電力電子技術(shù)在燃機(jī)領(lǐng)域的一種新的應(yīng)用,它具有操作簡單、維護(hù)量小、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn),因此在ABB、GE、SIEMENS、三菱等公司得到廣泛的應(yīng)用.

燃?xì)廨啓C(jī)透平在運(yùn)行中產(chǎn)生的功率有2/3用于壓氣機(jī),在啟動(dòng)過程中透平?jīng)]有做功,聯(lián)合循環(huán)機(jī)組只有在燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)后才能進(jìn)入系統(tǒng)正常運(yùn)行.然而機(jī)組只有達(dá)到自持轉(zhuǎn)速(一般為額定轉(zhuǎn)速的90%)以后,才能夠獨(dú)立地運(yùn)轉(zhuǎn)和加速,在達(dá)到自持轉(zhuǎn)速之前,它必須借助于外界的動(dòng)力啟動(dòng)和加速.所以燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組必須有一套額外的裝置供給燃機(jī)功率,在控制系統(tǒng)的命令下,幫助燃?xì)廨啓C(jī)按照啟動(dòng)程序旋轉(zhuǎn)、點(diǎn)火、升速,最后完成燃?xì)廨啓C(jī)的啟動(dòng).目前GE 9FA機(jī)組使用的啟動(dòng)方式為LCI靜態(tài)變頻啟動(dòng).LCI的正常運(yùn)行與機(jī)組的正常啟動(dòng)有著密不可分的聯(lián)系[1].

針對電廠出現(xiàn)的幾個(gè)LCI故障導(dǎo)致機(jī)組啟動(dòng)失敗的案例進(jìn)行分析,提出解決方案.

1 靜態(tài)變頻系統(tǒng)的啟動(dòng)過程

1.1 工作原理

聯(lián)合循環(huán)機(jī)組啟動(dòng)時(shí)發(fā)電機(jī)是作為同步電動(dòng)機(jī)工作的,其定子繞組由LCI供電,轉(zhuǎn)子繞組由廠用6 KV電源供電.在定子和轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的電磁力作用下使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)并升速[2].

LCI是用電流這個(gè)物理量來控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的,通過傳感器反饋來的實(shí)際轉(zhuǎn)速與給定的轉(zhuǎn)速相比較后進(jìn)入速度調(diào)節(jié)器.速度調(diào)節(jié)器產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩電流命令,此命令經(jīng)過最小電流限定器后與定子反饋的電流進(jìn)行比較,最后進(jìn)入電流調(diào)節(jié)器,調(diào)節(jié)定子電流,從而調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速[3].靜態(tài)變頻啟動(dòng)裝置的單線圖如圖1所示.

圖1 靜態(tài)啟動(dòng)裝置的單線圖

1.2 啟動(dòng)過程

起初燃?xì)廨啓C(jī)---發(fā)電機(jī)組盤車轉(zhuǎn)速為4 rpm.LS2100型LCI的工作過程為:啟動(dòng)時(shí),LCI連接到發(fā)電機(jī)定子并承擔(dān)勵(lì)磁器轉(zhuǎn)子電壓基準(zhǔn)的控制.LCI將機(jī)組加速到清吹轉(zhuǎn)速設(shè)定值699 rpm,保持在此轉(zhuǎn)速大約11 min.清吹結(jié)束之后,LCI停止輸出,機(jī)組惰走到點(diǎn)火轉(zhuǎn)速399 rpm,一旦達(dá)到這個(gè)轉(zhuǎn)速,輸出再次啟動(dòng),燃機(jī)點(diǎn)火.機(jī)組保持在恒定轉(zhuǎn)速421 rpm來暖機(jī).暖機(jī)1min后結(jié)束,LCI使機(jī)組加速到自持轉(zhuǎn)速2 700 rpm,在此轉(zhuǎn)速LCI停止并從發(fā)電機(jī)斷開.啟動(dòng)時(shí)LCI電流與機(jī)組轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線如圖2所示.

圖2 燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組啟動(dòng)時(shí)LCI電流與機(jī)組轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線

1.3 控制方式

GE 9FA單軸聯(lián)合循環(huán)機(jī)組采用LCI啟動(dòng),在我國一般采用一拖二(兩臺(tái)燃機(jī)配置1臺(tái)LCI)、二拖二(2臺(tái)燃機(jī)配置2臺(tái)LCI)、二拖三(3臺(tái)燃機(jī)配置2臺(tái)LCI).某電廠采用"一拖二"的方式,2臺(tái)LCI負(fù)責(zé)啟動(dòng)4臺(tái)透平發(fā)電機(jī)組.每個(gè)LCI有1個(gè)馬達(dá)操作的開關(guān)89MD,用于連接到各自的啟動(dòng)母線.每個(gè)發(fā)電機(jī)有一個(gè)馬達(dá)操作的開關(guān)89SS,用于將2條啟動(dòng)母線中的一條連接到發(fā)電機(jī)定子[4].系統(tǒng)圖如圖3所示.

圖3 LCI一拖二單線圖

2 LCI運(yùn)行故障分析及處理

LCI的正常運(yùn)行是機(jī)組正常啟動(dòng)的先決條件,特別對于早起晚停的調(diào)峰機(jī)組來說,LCI的重要性更是不言而喻的,在此對于LCI在日常出現(xiàn)的故障進(jìn)行分析和提出處理方案.

2.1 輸出熔斷器燒毀

2.1.1 某事件過程(采用一拖二的方式,即2臺(tái)LCI啟動(dòng)四組發(fā)電機(jī)組,#1LCI代表第一臺(tái)LCI)

5:30,#1機(jī)選擇#1LCI啟動(dòng).5:50升速至1 512 rpm,機(jī)組跳閘,首出"靜態(tài)啟動(dòng)裝置遮斷".人員到現(xiàn)場檢查未發(fā)現(xiàn)異常,報(bào)警未發(fā)現(xiàn)異常,對控制器重啟后報(bào)警消失.6:00#2機(jī)選擇#2LCI啟動(dòng),正常升速.6:24機(jī)組并列.6:27,#1機(jī)選擇#2LCI啟動(dòng),正常升速.6:52機(jī)組并列.7:19#3機(jī)選擇#2LCI啟動(dòng).7:39升速至1 723 rpm,機(jī)組跳閘,首出"靜態(tài)啟動(dòng)裝置遮斷".裝置報(bào)警"整流橋A過載",檢修人員到場檢查未發(fā)現(xiàn)異常,復(fù)位后報(bào)警消失.8:12#3機(jī)選擇#1LCI啟動(dòng),升速至40 rpm,機(jī)組跳閘,首出"靜態(tài)啟動(dòng)裝置遮斷".8:17#3機(jī)選擇#2LCI啟動(dòng),升速至71 rpm,機(jī)組跳閘,首出"靜態(tài)啟動(dòng)裝置遮斷".8:30就地檢查#2LCI控制器報(bào)警"Load overcurrent"負(fù)荷過載.控制小間有輕微異味,檢查89MD-1的輸出保險(xiǎn),發(fā)現(xiàn)A相3個(gè)保險(xiǎn)均炸裂.檢查#1LCI控制器報(bào)警"Failure to start"啟動(dòng)失敗.

2.1.2 原因分析

(1)#1LCI第一次啟動(dòng)到1 512 rpm跳閘時(shí),#1LCI的輸入電流1 049 A,與正常啟動(dòng)時(shí)此轉(zhuǎn)速下對應(yīng)的輸入電流基本一致,LCI的輸出電流無法直接讀得.核對LCI故障跳閘的電流變化曲線與正常啟動(dòng)的電流曲線一致.判斷#1LCI內(nèi)部沒有問題,輸出保險(xiǎn)炸裂的原因是器件老化.

(2)#1LCI第二次啟動(dòng)時(shí)跳閘,分析由于LCI已缺相輸出,在發(fā)電機(jī)加勵(lì)磁后,由于初期LCI是采用強(qiáng)制整流啟動(dòng)的,故兩個(gè)磁場的作用仍將發(fā)電機(jī)拖動(dòng)到40 rpm,但隨即整流橋檢測到缺相過載,立即保護(hù)動(dòng)作跳閘.

(3)#2LCI第三次啟動(dòng)到1 723 rpm時(shí)跳閘,報(bào)警已發(fā)出"整流橋A過載",由于經(jīng)驗(yàn)原因及搶著開機(jī),沒有仔細(xì)分析,這時(shí)輸出保險(xiǎn)應(yīng)該已經(jīng)炸裂.炸裂的原因主要是由于連續(xù)啟動(dòng)機(jī)組,保險(xiǎn)絲的熱量未完全散化,熱量積累導(dǎo)致熔絲熔斷.核對LCI故障跳閘的電流變化曲線與正常啟動(dòng)的電流曲線一致.判斷#2LCI內(nèi)部沒有問題.

(4)#2LCI第四次啟動(dòng)到71 rpm跳閘,原因與#1LCI第二次啟動(dòng)跳閘一致.同樣是由于此時(shí)#2LCI單相輸出保險(xiǎn)已經(jīng)炸裂,LCI缺相輸出,在發(fā)電機(jī)加勵(lì)磁后,LCI初期強(qiáng)制整流啟動(dòng),磁場作用將發(fā)電機(jī)拖動(dòng)至71 rpm,而后整流橋檢測到缺相運(yùn)行,保護(hù)動(dòng)作跳閘[5].

2.1.3 處理方式

(1)由于LCI輸入電流與發(fā)電機(jī)的輸出保險(xiǎn)的定值相差不遠(yuǎn),導(dǎo)致LCI長期在定值邊緣運(yùn)行,加速了輸出保險(xiǎn)的老化,故根據(jù)GE的TIL文件,將LCI的輸出保險(xiǎn)由現(xiàn)在的1 050 A更換為1 400 A.

(2)對LCI的連續(xù)啟動(dòng),規(guī)定15min的冷卻時(shí)間,以使隔離變、可控硅、輸出保險(xiǎn)的熱量能散出,保證設(shè)備的正常運(yùn)行.

(3)增加LCI小室的空調(diào)數(shù)量,加大LCI小室室內(nèi)的冷卻力度,使得LCI小室內(nèi)隔離變、可控硅、輸出保險(xiǎn)的熱量能夠盡快散出,保證了LCI的正常運(yùn)行.

2.1.4 處理結(jié)果

由于多項(xiàng)措施的及時(shí)執(zhí)行,保證了LCI輸出保險(xiǎn)的冷卻和延期了老化,措施執(zhí)行兩年多來,未發(fā)生同類事故.

2.2 差動(dòng)保護(hù)跳閘

2.2.1 某事件過程

NEP984是國電南自制造的數(shù)字式變壓器差動(dòng)保護(hù)裝置.

某天,檢修人員按計(jì)劃對#1機(jī)6KV IA段母線、開關(guān)進(jìn)行試驗(yàn)、保護(hù)定值核對、傳動(dòng)試驗(yàn)及LCI隔離變檢修、試驗(yàn).其中對隔離變試驗(yàn)項(xiàng)目有:直流電阻測試、繞組絕緣測量、鐵芯絕緣電阻測量,測試結(jié)果合格;隔離變進(jìn)線開關(guān)檢修項(xiàng)目有:清灰、端子緊固、圖紙核對、定值核對.當(dāng)日終結(jié)工作票[5].

5:28,#2機(jī)使用#1LCI啟動(dòng),MK6發(fā)"Static Starter Fault/Trip""STARTING DEVICE TRIP"報(bào)警,機(jī)組啟動(dòng)失敗,就地檢查發(fā)現(xiàn)隔離變進(jìn)線柜報(bào)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作,LCI系統(tǒng)告"Source breaker fault",復(fù)位后報(bào)警消失. #2機(jī)改用#2LCI啟動(dòng).

6:03,#3機(jī)使用#1LCI啟動(dòng),MK6發(fā)"Static Starter Fault/Trip""STARTING DEVICE TRIP"報(bào)警,啟動(dòng)失敗,就地檢查無告警.檢查隔離變進(jìn)線柜及隔離變無異常.隔天5:20,#2機(jī)組選擇#1LCI啟動(dòng),52SS合閘成功,89MD合閘失敗,啟動(dòng)失敗,就地隔離變保護(hù)裝置無告警;就地檢查89MD控制電源未送,將其送上,再次發(fā)啟動(dòng)令,#2機(jī)啟動(dòng)成功.

2.2.2 原因分析

(1)檢查NEP984動(dòng)作歷史,確有一次差動(dòng)動(dòng)作信號(hào),查錄波信息,差動(dòng)啟動(dòng)時(shí)各側(cè)電流及相角如表1所示.

表1差動(dòng)啟動(dòng)時(shí)各側(cè)電流及相角

(2)檢查NEP984定值與定值單一致,主要定值如表2所示.

表2 NEP984定值

(3)檢查隔離變進(jìn)線柜二次回路正常,試驗(yàn)繞組直阻、絕緣、鐵芯絕緣合格,初步判斷:隔離變檢修后空載投入,電壓從零忽然升至運(yùn)行電壓,由于勵(lì)磁涌流的影響造成保護(hù)誤動(dòng).

(4)針對此次誤動(dòng),在此僅對二次諧波制動(dòng)原理進(jìn)行分析.變壓器差動(dòng)保護(hù)需躲過差動(dòng)回路中的不平衡電流,通常差動(dòng)回路中的不平衡電流主要由以下幾種:計(jì)算變比與實(shí)際變比不一致、互感器傳變誤差、勵(lì)磁涌流.根據(jù)三相變壓器勵(lì)磁涌流的特點(diǎn),我國通常采用二次諧波制動(dòng)的方法來防止勵(lì)磁涌流引起差動(dòng)誤動(dòng), NEP984保護(hù)裝置也采用此法.

二次諧波制動(dòng)的差動(dòng)保護(hù):勵(lì)磁涌流中含有大量的二次諧波分量,若檢測到二次諧波含量大于整定值時(shí)就將差動(dòng)繼電器閉鎖.其動(dòng)作依據(jù)為:I2>K2I1,I1、I2分別為差動(dòng)電流中的基波分量和二次諧波分量的幅值. K2稱為二次諧波制動(dòng)比,按躲過各種勵(lì)磁涌流下最小的二次諧波含量整定,通常K2=0.15~0.20.

對于該電廠LCI隔離變壓器,南自NEP984保護(hù)裝置采用按相制動(dòng)的方案,若某相差動(dòng)電流中二次諧波分量大于制動(dòng)比K2,則閉鎖該相差動(dòng)保護(hù),各相是相互獨(dú)立的.保護(hù)裝置中對K2的整定范圍建議值為0.1~0.25,該廠實(shí)際整定值為0.15.

(5)通過故障錄波信息分析,此次事件為C相差動(dòng)動(dòng)作,原因?yàn)閯?lì)磁涌流的影響.對數(shù)據(jù)用傅里葉算法進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn),本次事件差動(dòng)啟動(dòng)時(shí),高壓側(cè)A相二次諧波幅值為2.0 A(實(shí)際大于2.0 A,取2.0 A,暫時(shí)未取得數(shù)據(jù)),B相二次諧波幅值為2.66 A,C相二次諧波幅值為1.2 A.計(jì)算二次諧波含量,根據(jù)差動(dòng)保護(hù)機(jī)理,A、B相二次諧波含量分別為23.5%、52.66%,大于整定值15%,閉鎖;C相二次諧波含量為11.06%,小于整定值15%,不閉鎖,且此時(shí)穿越電流達(dá)到10.85 A.由于各相獨(dú)立,故總出口為差動(dòng)動(dòng)作,跳變壓器高壓側(cè)開關(guān).

C相比率差動(dòng)動(dòng)作計(jì)算如下:比率制動(dòng)系數(shù)K=0.6,啟動(dòng)電流Icd=0.5Ie=1.335 A,拐點(diǎn)電流Ig=0.7Ie= 1.869 A,制動(dòng)電流Iz為最大穿越電流(裝置內(nèi)部考慮變比、電壓等級(jí)、接線方式等因素可能進(jìn)行轉(zhuǎn)變)10.85 A.則動(dòng)作值為Icd+(Iz-Ig)X K=1.335+(10.85-1.869)X0.6=6.723 6 A.C相差動(dòng)電流達(dá)10.56 A遠(yuǎn)大于動(dòng)作值,故比率差動(dòng)動(dòng)作.

此次事件的原因?yàn)?由于變壓器空載合閘,勵(lì)磁涌流嚴(yán)重,造成C相二次諧波含量小于整定值,未閉鎖保護(hù),且此時(shí)穿越電流已超過動(dòng)作值,故進(jìn)行保護(hù)動(dòng)作.

2.2.3 處理方式

方案一:降低二次諧波制動(dòng)系數(shù)整定值,但降低整定值會(huì)影響變壓器內(nèi)部故障時(shí)差動(dòng)保護(hù)的速動(dòng)性,原因?yàn)椴顒?dòng)動(dòng)作需等待保護(hù)閉鎖解除,即等待二次諧波衰減,而二次諧波衰減速度很慢[6].

方案二:采用三相制動(dòng)方案,即只要有一相二次諧波含量超過整定值,就閉鎖三相保護(hù).該方案與方案一有同樣的缺點(diǎn),影響速動(dòng)性.同時(shí)當(dāng)空載合閘前變壓器已經(jīng)存在故障,合閘后故障相位為故障電流,非故障相位為勵(lì)磁涌流,此時(shí)差動(dòng)保護(hù)很可能被閉鎖[7].

2.3 冷卻系統(tǒng)故障

1.2方法 對照組使用常規(guī)護(hù)理[2]。研究組使用分層次護(hù)理管理:(1)對護(hù)理人員的背景、能力進(jìn)行了解,分層級(jí)進(jìn)行劃分,進(jìn)行護(hù)理管理[3]。(2)根據(jù)護(hù)理人員級(jí)別來制定護(hù)理方案,不同護(hù)理能力制定的培訓(xùn)護(hù)理方案不同。(3)采取獎(jiǎng)懲方式,將績效和獎(jiǎng)勵(lì)聯(lián)系在一起,鼓勵(lì)護(hù)理人員,激發(fā)他們的工作激情[4]。(4)對排班模式進(jìn)行改革,讓護(hù)理人員有足夠休息時(shí)間。(5)實(shí)行“一帶一”的模式,促進(jìn)全體護(hù)士進(jìn)步,經(jīng)驗(yàn)豐富的護(hù)士帶新入職護(hù)士,可以減少新護(hù)士的差錯(cuò)率。(6)對護(hù)士的精神需求給予重視,對疲憊狀態(tài)給予緩解。開展一些娛樂活動(dòng)來減輕護(hù)理人員壓力。此外,舉辦交流會(huì),相互交流心得,增進(jìn)感情[10]。

2.3.1 某事件說明

該電廠自運(yùn)行以來出現(xiàn)了多起由于LCI冷卻系統(tǒng)故障,而造成了LCI無法啟動(dòng)的事故.

2.3.2 原因分析

(1)靜態(tài)啟動(dòng)裝置的電導(dǎo)率與閉冷水水溫有著直接的關(guān)系,閉冷水水溫升高LCI的水質(zhì)電阻率會(huì)降低.因水溫升高,水中的離子熱運(yùn)動(dòng)加快,在電場作用下,離子的定向運(yùn)行加快,使水中的電阻率降低.當(dāng)電阻率低于1.0MΩ.m時(shí),靜態(tài)啟動(dòng)裝置閉鎖機(jī)組無法啟動(dòng).

(2)水中的雜質(zhì)和懸浮物,使離子交換器堵塞,去離子器漸漸失去交換功能.長期沒有更換或清洗,也會(huì)導(dǎo)致電阻率的下降.

2.3.3 處理方式

(1)保證公用閉冷水系統(tǒng)的供應(yīng),不可中斷,必須保證開式循環(huán)水的溫度以及熱交換器正常運(yùn)行,特別是在夜班機(jī)組停運(yùn)的情況下,加強(qiáng)監(jiān)視閉冷水溫度,必要時(shí)啟動(dòng)開式泵,冷卻閉冷水溫度.

(2)加強(qiáng)就地巡檢,每班兩次抄錄電阻率,如遇電阻率偏低持續(xù)現(xiàn)象,及時(shí)更換冷卻液.

(3)使用冷卻水系統(tǒng)再?zèng)_洗方案,對去離子器進(jìn)行清洗,通過三個(gè)階段的清洗:1)加洗滌液沖洗階段, 1~3天;2)開式循環(huán)沖洗階段,1天左右;3)用超純水閉式循環(huán)階段,一周左右.清除附著在去離子器樹脂上的雜質(zhì)和懸浮物.

3 結(jié)語

對于大部分作為調(diào)峰甚至兩班制的燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組來說,作為啟動(dòng)裝置的LCI其性能的可靠性和安全性是燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組發(fā)電、調(diào)峰的不容忽視的先決條件[8].LS2100型LCI的啟動(dòng)特性容易導(dǎo)致一些問題的出現(xiàn),通過分析并解決這些問題,使LCI的啟動(dòng)得到了可靠的保障,使9FA燃?xì)廨啓C(jī)作為調(diào)峰機(jī)組在迎峰度夏這樣的非常時(shí)刻充分的發(fā)揮了作用.

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On the fault analysis and hand ling of GE 9FA gas turbine static frequency converter device

MA Gui-fang,LIU Sheng-jian
(Physical and Mechanical and Electrical Engineering College,Longyan University, Longyan 364012,Fujian,China)

Static frequency converter is an important component of 9FA gas turbine,starting characteristics of the LS2100 inverter using GE in 9FA is introduced in this paper.A case study of the failure of the power plant due to static frequency-converted device group shows the dealing of its errors during operation of LCI.

gas turbine;LS2100;static frequency converter;fault handling

TM311

:A

:1007-5348(2014)06-0041-06

(責(zé)任編輯:李婉)

2014-03-14

馬桂芳(1984-),女,福建龍巖人,龍巖學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院講師,碩士,主要研究從事電機(jī)控制與電氣控制方面的研究.