熱電廠利用余熱發電對廠用電系統的影響分析

張　立　牟法海　劉　輝　董　玲

（河北冀研能源科學技術研究院有限公司，石家莊　050051）

熱電廠為了實現能量的梯級利用，增設余壓利用汽輪機發電機組，其工作原理是利用主汽輪機采暖抽汽的能級差驅動功熱汽輪機拖動發電機發電供機組廠用電自用，增加背壓式汽輪機組后可充分發揮熱電聯產優勢，提高蒸汽利用效率，達到節能降耗提高運行效益的目的。

增加背壓式汽輪機組的原則是以滿足熱負荷為主，在保證機組安全、經濟、穩定運行的基礎上最大化利用壓差進行做功發電。背壓式汽輪機組容量選擇一般是根據蒸汽量、蒸汽焓降和廠用負荷進行選擇，根據以上原則選擇的汽輪機組對于并網段來說屬于大容量的電機，在其運行過程中勢必對高壓廠用系統有影響，所以在確定新增加電機型號和容量前需要校驗其對系統的影響，確保高壓廠用電系統的安全。

1　電氣系統配置

根據電廠電壓等級結構和負荷分布，汽輪發電機組發電后接入廠用高壓段可以使余熱余壓做功利用最大化，所以發電機一般接入廠用高壓段。

根據電廠接線方式電機可以接入高壓工作段（見圖1）或高壓公用段（見圖2），一般高壓公用段與兩臺機組高壓段互聯，一段為正常工作電源另一段為備用電源，所以電機接入公用段可以把發電負荷更方便的在兩個機組之間切換，當一臺機組停機時可以把發電負荷轉移到另臺機組的高壓段，汽輪機組利用率更高。

如果高壓廠用段無合適備用間隔而且在空間上增加間隔比較困難，就可以考慮在發電機安裝地增加一段高壓首站，并網開關放在高壓首站，再由高壓首站接入廠用高壓段（見圖3）。

圖1　接入廠用高壓工作段系統示意圖

圖2　接入廠用高壓公用段系統示意圖

圖3　新增高壓首站系統示意圖

電機的并網操作在遠方DCS操作完成，發電機的電流、電壓、功率、無功、功率因數等電氣參數接入到電氣監控畫面能實現遠方監控。

電機配備繼電保護裝置能確保發電機故障狀態下能從系統切除掉，不會造成故障擴大，不影響廠用系統安全運行。發電機配備的保護包括：差動速斷、比例差動、過流速斷、限時過流、過負荷、零序過流、低電壓、逆功率等保護。

在電機并網發電運行后，小汽機發電機組出力可以根據所接入高壓段負荷變化進行調整，滿足發電機所發電量本段消耗，自發自用，不影響系統原運行方式。

2　電機類型和容量選擇

2.1　電機類型的選擇

對于增加的發電機有以下兩種類型選擇。

1）同步發電機。其特點是由直流電源勵磁，既能提供有功功率，又能提供無功功率，能滿足各種負載的要求，且能方便的轉為孤立方式運行，但控制、保護和勵磁系統比較復雜，需要較高的操作水平，一次性投資也比較高。

2）異步電機。大部分都是鼠籠式電動機，其沒有獨立勵磁繞組，結構簡單，操作、運維方便，并網運行時運行時異步發電機被系統拖動電壓穩定不會發生失步和震蕩，外部三相短路時穩態短路電壓幾乎為零。其缺點是要從電網吸收感性無功，必須借助電容器方可孤島運行，且這種運行方式供電電能質量較差。

考慮異步發電機配套設施簡單，占地面積小，投資少，根據余壓利用汽輪機發電機組異步發電機的運行方式，屬于和系統并網運行，所以優先考慮異步電機。

異步電機并網運行，由系統提供電機自身需要的勵磁無功，由于系統對于異步發電機可視為無限大電源，所以異步發電機被系統拖動電壓穩定，電能質量較好。異步電機作為吸收無功設備，電廠發電機無功充足完全有能力補償異步電機吸收的無功。

2.2　電機容量的選擇

對于電廠來說，發電機的容量選擇以滿足廠用電為主，實現自發自用，不能通過高廠變反送電，不影響機組系統的原有運行方式，所以在容量選擇上以機組正常運行時廠用負荷為設計依據。

常規熱電廠一般有兩臺機組，每臺機組高壓廠用段有兩段分為A段和B段，工作電源由高廠變來帶，備用電源由啟備變提供，如果廠內設有高壓公用段，高壓公用段工作電源由一臺機組的高壓A或B段供電，備用電源就由另一臺機的高壓A或B段供電。所以接入點可以考慮高壓工作 A、B段或公用段，而接入點的選擇直接影響電機容量的選擇。

容量選擇原則：①統計機組不同運行工況下發電機所接入高壓段的分支負荷電流，根據統計結果選擇最小電流進行容量選擇，這樣能保證在機組正常運行時所發電量自發自用；②高廠變系統增加電機后高廠變系統參數（容量、短路電流）依然合適。

3　新增異步電機對廠用電系統的影響

將異步電機接入頻率、電壓恒定的電網中時，用原動機拖動異步發電機，當轉子轉速n低于氣隙旋轉磁場的轉速 ns，即 n＜ns轉差率 S為正值，則為電動機運行狀態；當轉速n高于氣隙旋轉磁場的轉速 ns，即 n＞ns轉差率 S為負值，則為發電機運行狀態[1]。

異步電機轉差率為

式中，ns為同步轉速；n為轉子轉速。

當S＜0時，電機為發電機狀態；當0＜S＜1時，電機為電動機狀態。所以異步電機的運行是可逆的，運行當中會出現兩種不同的運行工況發電機和電動機，這兩種運行工況對系統的影響不相同。

3.1　異步電機當電動機單體試運時對廠用系統的影響

異步發電機在并網前需要作為電機起動空載運行進行單機試運，所以在首次并網前需要作為電動機起動運行。一般作為電動機起動有兩種方式，即直接起動和降壓起動。

直接起動最為簡單，直接合出口開關，電機從零轉起動，起動電流一般為5～7倍的額定電流，電流衰減時間也比較長，所造成的廠用電壓降較大。

按照規定當廠用系統新增加一個比較大的異步電動機后需要對高廠變容量、高廠變分支過流保護、母線起動電壓進等行校驗以驗證系統增加電機后以上參數是否還合適。

3.2　異步電機并網對系統的影響

異步電機并網前，首先用小汽機帶異步電機進行沖轉，等到轉子轉速n接近3000r/min時（n0-n＜50r/min)，合上高壓段并網開關，此時由于轉差率S＜1，異步電機為電動機運行方式，拖動原動機運行，運行平穩后通過調節汽輪機調節門調節汽輪機轉速，當汽輪機轉速大于同步轉速 3000r/min時，轉差率S＜0，異步電機進入發電狀態[2]。

在異步電機并網時，由于異步電機轉子轉速已經接近同步轉速n0，其轉速差S≈0。

根據異步電機電磁轉矩T公式：

理論上當n=n0時，S=0旋轉磁場相對轉子為靜止電磁轉矩為0，起動電流大約為0。

實際過程中，異步發電機在并網瞬時，為了建立磁場會從系統吸收無功，瞬時會有大電流沖擊，且導致廠用電壓降低。通過仿真軟件，計算6000kW異步發電機并網廠用 6kV段時，沖擊電流峰值為3.8kA，時間瞬時很短。

在并網穩定后，異步發電機需要從機組上吸收無功進行激磁，勵磁電流為電機的空載運行電流，發電機從系統吸收約為額定容量 20%～25%的無功，所以此時并網電流大約是電機的 20%～25%額定電流。

3.3　異步發電機對廠用快切過程的影響

6kV廠用負荷多為異步電動機，廠用母線失電后電動機將惰行，對單臺電機而言，工作電源切斷后電動機定子電流變為零，轉子電流逐漸衰減。由于機械慣性，轉子轉速將從額度值逐漸減速，轉子電流磁場將在定子繞組中反向感應電勢，形成反饋電壓，也就是所謂的母線失電后的母線殘壓，6kV廠用電母線電壓和頻率衰減的時間、速度跟該段母線所帶的負載有關，負載越多，電壓、頻率下降的越慢而且下降的速率隨著時間的推移不斷呈現加速下滑的趨勢。

理論上增加異步發電機后其會減緩母線電壓和頻率的衰減，有利于廠用電的快速切換成功率，在實際工程當中還需要實際做廠用切換試驗進行驗證。

如果實際切換試驗結果對廠用電切換過程影響很大，那就需在快切動作同時把異步發電機從系統切除。

4　工程實例

某熱電廠有兩臺330MW機組新上1臺背壓式發電機組，發電機為額定電壓為 6kV，額定功率6000kW 的異步電機，發電機發出的電量直接接入廠內兩臺機組的6kV高壓公用A段，電機容量滿足接入高壓段運行設備自用。

電廠設備參數如下：

1）新上異步發電機容量為6000kW，額定電壓6.3kV額定電流611A。

2）高廠變參數

Sn=50000/31500-31500kVA，電壓20±2×2.5%/6.3-6.3，Ud1-2′=18.6%，Ud1-2〞=19%，D,yn1-yn1；分支TA變比 4000/5，母線發生兩相短路短路電流為22040A。

3）高壓段原有最大容量電動機為電動給水泵容量為5500kW。

4）分支負荷電流為2887A（取6kV高壓工作A段）。

5）分支過流定值13.7A。

4.1　作為電動機空載起動時校驗[3-6]

異步電機在首次起動時需要和汽輪機解除對輪連接，作為電動機起動進行單機試運，其目的是為了檢查電機本體的潤滑油系統、振動、溫度等情況，最主要是觀察其轉向是否和汽輪機轉向一致，由于所上電機容量很大根據相關規定當廠用6kV段增加一個大容量電機時需要對其產生的影響進行計算分析。

1）分支電流校驗

高壓段增加電機容量為6000kW大于原有最大容量電機為5500kW，所以分支過流保護按按躲過正常負荷情況下最大容量電機起動時的電流進行核算

式中，Krel為可靠系數，取 1.5；Iw為高壓母線的負荷電流（未增加電機時）2887A；Im為所增加電機的額定電流611A；Kzq為自起動過電流倍數取6；nTA為電流互感器變比4000/5。

高壓段分支原定值按低壓母線發生兩相短路時有足夠的靈敏度原則整定

校核定值 10.284A小于原定值 13.7A，分支過流定值滿足新增加大電機后的要求，所以原定值不需要修改依然可以滿足現系統要求。

2）電機起動時母線電壓進行校驗

其中，

把上面數據代入計算公式得

由上述計算可知：新增電機正常起動時母線電壓下降為額定電壓的82%，大于規定要求的當大電機正常起動時，廠用母線電壓不應低于額定電壓的80%。母線電壓可以滿足要求。

在電機投入運行起動時對電氣數據進行實際測量：電機的起動電流最高值為 3678A，為額定電流的6倍；高壓段母線電壓從6.28kV降到5.19kV，最低電壓為額定電壓的82%與理論計算值一致。

4.2　電機并網運行時的電氣參數

異步電機并網前，首先用小汽機帶異步電機進行沖轉，等到轉子轉速 n接近2950r/min時合上高壓段并網開關。

從故障錄波器讀取并網數據，并網瞬間電流峰值約為3000A，為4.9倍的額定電流，198ms衰減至額定電流，296ms衰減至正常運行電流。

此時在DCS上觀察到的電機電流、無功功率、有功功率、母線電壓圖形如圖4所示。

圖4　異步電機并網錄波圖

圖4中，曲線1為異步發電機無功，曲線2為并網開關位置，曲線 3為異步發電機電流，曲線 4為發電機功率，由于DCS的采樣精度關系，從DCS錄波數據可以看到大概趨勢，在并網的瞬間異步電機的有功為-58kW，可得知并網瞬間電機是被系統拖動為電動機狀態，并網電流為106A，遠遠小于作為電動機起動時的6倍額定電流；母線電壓在并網瞬間電壓從6.3kV降到6.14kV，高壓母線電壓偏移為2.5%，對系統電壓幾乎沒有影響，異步電機作為無功并網瞬間吸收無功為 1100kvar；對于機組的無功容量來說容量比較小，機組完全可以在異步電機并網前增加無功，來消除無功被吸收的影響。

從圖4中還可以看出，在并網后隨著汽輪機增加出力異步電機的電流、電壓、有功功率、無功功率平穩變化。

通過上面數據分析可以看出，異步發電機并網時對廠用電系統的沖擊遠遠小于當做電動機空載起動時的沖擊。

從前文的分析結果可以得出，新增加異步電機無論是做為電動機空載運行還是發電機并網正常運行時都不會影響廠用系統的安全穩定運行。

4.3　高壓母線故障時異步發電機對系統的影響

異步發電機是靠系統電壓進行勵磁，當其所并網高壓段上發生三相短路時，由于失去勵磁，異步發電機將不存在持續短路電流，但在短路瞬間，電機中存在一定的磁場，由于定子和轉子繞組的磁鏈不能突變，因此使定子和轉子回路產生很大的沖擊電流，其物理本質和同步發電機機端突然三相短路產生的沖擊原理是相同的[7]。

發電機突然短路時，考慮到非周期分量的存在，因此短路電流最大值為

短路電流的倍數為

由于此異步發電機廠家沒有提供定子電抗、轉子電抗和勵磁電抗，所以只能以經驗值估算短路峰值為13倍的電機額定電流大約為

有效值為

原電廠高廠變低壓側短路時最大短路電流為25.8kA。由于增加異步發電機母線上有設備故障時最大峰值短路電流可以達到：25.8kA+7.9kA=33.7kA。由于故障時異步發電機失去勵磁電壓，所以其衰減速度很快。

根據電廠6kV母線設計技術標準要求：短時耐受電流≥40kA(4s)，峰值耐受電流≥100kA，所以對母線沒有影響；負荷真空斷路器技設計標準：額定熱穩定電流（有效值）≥40kA(4s)，額定峰值耐受電流 130kA，額定關合電流（峰值）130kA，負荷開關滿足要求。

通過計算可以得出，在增加異步發電機后，高壓廠用系統的母線和開關完全滿足安全運行要求。

5　結論

1）異步發電機的應用比較成熟且性價比高，在發電機選擇上宜選擇異步發電機。

2）發電機參數的選擇要依據電機接入點的負荷的容量，并根據高廠變系統的參數進行核算，確保高廠變參數滿足系統新增加電機。

3）異步電機對系統影響最大的是作為電動機空載起動時，如果起動時對廠用系統影響大可考慮增加降壓軟起動設備或采取轉移該段負荷的方式。

4）異步電機并網時對系統沖擊很小，正常運行時對系統影響小。

5）不將異步電機看做電廠內的重要電機，當廠用系統有任何異常，可隨時把異步發電機與廠用系統切斷。

熱電廠利用小汽輪機對供汽抽汽的余熱余壓進行做功利用，運用異步發電機電供給機組廠用電自用，在經濟上能取得可觀的效益，這一切都是在廠用電系統安全穩定運行的前提下進行的，所以在新增電機機型和容量選擇前需要進行理論計算，機組投運時應根據實際錄波進行驗證，以確保機組安全、穩定運行。