燃機電廠靜止變頻器啟動及起勵失敗分析與對策

張宇

摘 要：京能集團北京京西燃氣熱電有限公司裝有三套西門子F級燃機，隨著電網的深度調峰，燃機日啟停頻繁，出現了燃機啟動失敗的情況。故障主要為SFC啟動失敗及發電機無法勵磁。為保證燃機平穩、快速、可靠、頻繁啟動，本文分析了燃機啟動期間SFC啟動及起勵時出現的故障，并提出排查方法和對策。

關鍵詞：燃機;啟動;SFC;起勵

中圖分類號：TM921.51;TM62 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）03-0045-03

Analysis and Countermeasures of Startup and Excitation Failure

of Static Frequency Converter in Gas Turbine Power Plant

ZHANG Yu

（Beijing Jingxi Gas-fired Thermal Power Co.， Ltd.， Powerbeijing Group，Beijing 100041）

Abstract： Beijing Jingxi Gas-fired Thermal Power Co.， Ltd. of Powerbeijing Group is equipped with three Siemens F-class gas turbines， with the in-depth peak regulation of the power grid， gas turbines start and stop frequently every day， and gas turbines fail to start. The main faults are SFC start failure and generator failure to excite. In order to ensure the stable， fast， reliable， and frequent startup of the gas turbine， this paper analyzed the failures that occur during the startup of the gas turbine during SFC startup and excitation， and proposed troubleshooting methods and countermeasures.

Keywords： gas turbine;startup;SFC;excitation

京能集團北京京西燃氣熱電有限公司燃氣輪機為西門子重型單缸SGT5-4000F（+）型，共有三套機組，全廠配置了法國CONVERTEAM公司靜止變頻器，共2套（一用一備），供3臺燃機啟動使用。靜止變頻器（以下簡稱SFC）是一個轉速可調的交流驅動系統，每臺裝置的輸入電源各取自6 kV一、三段母線，變頻啟動裝置可交叉使用。燃氣輪機（包括壓氣機、燃燒室、透平）與發電機連在同一根軸上，用于驅動發電機在基本工況和尖峰工況下運行，燃氣輪機啟停快，便于電網調峰，燃氣輪機一般與汽輪機構成燃氣-蒸汽聯合循環機組[1]。

1 燃氣輪機啟動簡介

本公司的燃氣輪機為西門子重型單缸SGT5-4000F（+）型，整個機組的啟動和調速的實現由啟動裝置完成，低速盤車時用液壓盤車，啟動時采用SFC裝置。一般來講，燃機在長時間停機啟機前要進行離線水洗及清吹，轉速為300～750 r/min。燃機日啟停時，由盤車進入SFC拖動狀態，燃機頻率在3 Hz時實行點火程序，當其與SFC—起工作至轉速2 100 r/min時，SFC程序自動退出運行，SFC的控制策略如表1所示。表1控制策略中的轉速會因機組不同略有差異，僅供參考。

控制系統調速器對燃氣輪機的轉速進行調節，在規定時間內使轉速穩定升到額定同期并網轉速3 000 r/min。機組運行平穩準備并網時，起勵電源裝置投入，發電機轉子形成磁場，定子線圈實現電壓輸出。然后，同期控制器投入運行，當發電機輸出負荷滿足限定條件時，電壓、頻率、相位達到同期條件中的具體數據值，然后進行機組并網。燃機變頻啟動及勵磁系統如圖1所示。

燃機為程序控制啟動，SFC對系統中的設備可靠性要求較高，SFC運行中會一直檢測設備狀態及開關位置，監控燃機轉速、勵磁電流、整流、逆變模塊的電壓和電流輸出。當遇到偏離預設參數范圍及不滿足程序控制條件時，SFC就會立即中止啟動，開關自動跳閘，所以燃機啟動前要對相關設備、開關、刀閘位置進行檢查，停機時加強設備維護，提高設備的安全性和可靠性，保證燃機正常啟動。

2 SFC啟動及起勵原理

本公司使用的SFC系統為電流源型交直交變頻調速裝置，其主要構成部分有隔離變壓器、過電壓保護裝置、整流橋、斷路器、逆變橋、隔離開關和輔助控制設備。其中，隔離變壓器使SFC輸入電壓及輸出電壓與發電機端電壓相匹配，整流橋將交流電整流成直流電，整流橋的直流平波電抗器用于整流輸出的平波和去耦，以降低直流電流脈動，使直流電具有電流源特性。然后，逆變器將直流電逆變為頻率可調節的交流電。

SFC系統是一套將恒定電壓和恒定頻率的三相交流電源變成可變電壓和可變頻率的交流電源。SFC利用可控硅變頻裝置產生從零到額定頻率的變頻電源，實質上是設法改變定子旋轉磁場的轉速，使定子、轉子之間產生的電磁轉矩能同步地將發電機與燃機拖動起來。當機組的發電機作為電動機拖動時，SFC變頻啟動，并且啟動頻率很低，逐漸升高頻率向定子繞組輸入三相交流電，產生可調旋轉磁場，同時通過勵磁盤向轉子繞組通入勵磁電流建立磁場，定子的可調旋轉磁場與轉子的磁極產生電磁轉矩，使轉子產生加速轉矩，燃機發電機逐漸升速，直到自持轉速后，SFC脫開減力矩到零[2]。

本公司發電機采用的是自并勵方式勵磁，自并勵靜止勵磁系統是指發電機的勵磁電源是通過勵磁變壓器和整流裝置從發電機機端取得的。勵磁控制系統主要構成有發電機滅磁裝置、勵磁變壓器、功率整流裝置、過電壓保護裝置、勵磁調節裝置、起勵設備以及勵磁操作設備等部分。發電機自動勵磁調節是通過改變轉子勵磁電流大小進行的。因為轉子回路通過的勵磁電流很大（燃機勵磁電流1 500 A左右），所以勵磁電流調節一般不在其轉子回路中進行，發電機轉子回路沒有調節勵磁電流裝置。通常采用的方法是用勵磁控制系統改變勵磁電流，主要方法有：改變勵磁控制系統勵磁回路的電阻;改變勵磁控制系統的附加勵磁電流;改變勵磁控制系統可控硅的導通角等。其中，起勵單元包括起勵電源、起勵接觸器、起勵二極管和限流電阻。當發電機準備并網起勵時，要合入交流380 V起勵電源，將其整流為直流電，然后為發電機轉子提供勵磁電流，用以建立初步的旋轉磁場，10 s左右后程序自動斷開起勵電源，如果此時發電機機端電壓達到或超過10%額定電壓時，勵磁控制系統中的勵磁調節裝置向可控硅開放觸發脈沖，將勵磁變壓器來的交流電在整流橋中轉換為直流，為發電機轉子繞組提供勵磁電流。隨著勵磁電流的增加，發電機逐步升壓至額定值。

3 SFC啟動失敗情況描述及對策

SFC程序啟動時，進入吹掃步驟后，啟動失敗，導致燃機轉速無法進入升速過程，轉速下降至盤車轉速。在查找報警后，判斷其為“斷路器合閘超時”及“風機啟動超時”等故障，通過報警信息分析，查找到可能出現問題的設備并進行電阻測量，結果發現，功率柜控制模塊上的卡件在上電時發生內部擊穿，控制模塊中的一部分卡件通道損壞。在更換受損控制模塊卡件后，SFC程序啟動正常。在工作中，要保持設備間干燥通風，定期對控制柜中的模塊進行絕緣測量，提高控制模塊的絕緣性[3]。

SFC程序啟動時，DCS（分散控制系統）畫面顯示，中壓斷路器、電動切換刀閘和出口電動隔離開關均已合閘，燃機發電機轉速升速至750 r/min后跳閘，轉速下降至盤車轉速。SFC系統沒有發出任何報警和故障信號，并且DCS畫面顯示中壓斷路器開關狀態最先由合轉分，不符合程序分合閘邏輯。通過對中壓斷路器開關停電并測絕緣性能，中壓斷路器絕緣值正常，送電后開關狀態正常，但在停電過程中，小車開關行程未搖滿20圈（正常為20圈），判斷小車開關未嚴格送到位而導致上電后保護跳閘觸發。重新順控啟動SFC后，結果正常。在停送電過程中，嚴格執行兩票制度，送電時要將小車嚴格送到位。

在燃機水洗后進行清吹，清吹結束后，SFC模式選擇仍處于“清吹”模式，未切換至“NO SEL”模式，因模式不對應，投入SFC及燃機啟動順控后，SFC未接收到直啟指令，步序未執行。所以，在當前控制邏輯未優化前，在清吹結束停運SFC后，手動將功能SFC模式選擇塊置于“NO SEL”模式。運行人員在機組啟動前再次確認模式選擇塊處于“NO SEL”模式。

在啟動SFC時，將SFC模式選擇塊切至“DIR STR”模式后，再次投入SFC及啟動順控，6 kV開關未合入，SFC跳閘，報警為“電源斷路器1故障”“缺少順序控制使能”。根據對順控邏輯的分析，在保證SFC和勵磁系統均無報警的情況下，SFC先收到被TCS選擇的指令。之后發出MBM1（IKG01）開關合閘指令和MBM01開關合閘指令，配合著燃機準備就緒的信號，SFC準備就緒指令發出。然后，TCS發出具體模式選擇的指令（輕吹、水洗、直啟）。在模式選擇指令下達前，SFC被選擇指令必須先下達且SFC接收到，才能正常拖動，若順序顛倒，則會報出F49902缺少順序控制功能的故障報文。所以，SFC未啟動原因為先選擇“DIR STR”模式，再選擇SFC，影響SFC順控邏輯判斷。

啟動SFC失敗后，將各報警復位，再次投入SFC及直啟順控，SFC因為超時自動退出。在查找順控邏輯框圖后，經過數據對比發現，再次投入SFC及直啟順控，因投入時盤車未達到SFC拖動最低轉速，造成SFC超時自動退出。復位后，再次啟動正常。運行人員在操作時應注意，在SFC啟動發生異常后，經復位完成，重新檢查機組啟動條件，待READY FOR START中條件都滿足后再投入SFC及啟動順控。

4 起勵啟動失敗原因及對策

燃氣輪機定速3 000 r/min后，并網前轉子需要建立初步磁場，這就需要起勵設備。起勵設備有時會起勵失敗，而導致起勵失敗的因素有很多，主要包含勵磁系統本體故障、發電機電氣一次設備損壞以及運行人員自身的誤操作等。下面介紹了幾種燃機發電機起勵失敗的原因，然后進行故障分析，找到起勵失敗的對策。

就地檢查勵磁系統有無異常，有無報警信息，有報警信息時是否已復位，勵磁開關分合閘位置是否正確，是否合入起勵電源。在DCS畫面中，要查看燃機發電機的轉速是否在3 000 r/min，進而排查運行人員是否有誤操作。

就地檢查勵磁碳刷是否完整及引線接觸是否良好，檢查發電機的高壓、短路、空載試驗數據是否真實、合格，啟動前有無測量發電機轉子、定子絕緣數值，測量數據是否合格，進而排查其是否由發電機電氣一次設備故障引起[4]。

檢查勵磁系統有無故障。檢查起勵回路接線是否緊固，接觸器吸合是否正常，起勵二極管、勵磁調節器是否損壞，啟動及工作交流滅磁開關狀態是否正確，還可以進一步對勵磁系統做假負載試驗，計算起勵回路電阻是否與設計值一致，作為勵磁系統是否正常的依據。

調節器沒有發出“起勵失敗”的信號，但發電機仍然無法自動起勵，那么可以在勵磁盤附近起勵或者遠方人工起勵。如果燃機發電機轉子勵磁繞組已有勵磁電流輸入，燃機發電機定子仍無法建立電壓，則應考慮適當調節起勵限流電阻，增加發電機起勵電流并進行試驗[5]。

勵磁系統沒有問題仍不能起勵時，應該檢查燃機發電機轉子鐵芯中的剩磁方向是否與起勵時勵磁電流建立的磁場方向相反而進行了反向充磁，造成鐵芯剩磁減少甚至反向[6]。

5 結語

在電網深度調峰的要求下，燃機的日啟停穩定性及安全性變得極為重要。這就對電廠靜止變頻器啟動及起勵提出較高的可靠性要求。對于燃氣輪機運行狀況及SFC系統運行特性，人們還需要進一步深入了解，這是一個長時間的積累探索過程。隨著燃氣電廠數量的增加，本文所述的問題及處理方法可以供其他燃氣電廠借鑒交流，積累經驗，以便及時解決問題，保證燃氣輪機的正常安全運行。

參考文獻：

[1]上海電氣集團，西門子（中國）有限公司.SGT5-4000F（+）燃氣-蒸汽聯合循環機組集控運行規程[Z].2018.

[2]張鑫.淺談燃機SFC系統[J].動力與電氣工程，2010（4）：113.

[3]鄭飛，呂宏水，朱曉東.抽水蓄能電站靜止變頻器（SFC）起動關鍵問題[J].變頻器世界，2007（2）：69-72.

[4]劉懷.機組起勵不成功案例分析[J].中國科技縱橫，2014（8）：173.

[5]武震宇.電機組可控硅勵磁裝置不能啟勵建壓的原因及處理辦法初探[J].中國電力教育，2008（2）：211-212.

[6]陳慧中.剩磁對發電機啟勵的影響及其應對措施[J].發電設備，2005（1）：62-64.