6 MW發電機逆功率運行分析及技術改造

李海波

（云南天安化工有限公司，云南安寧 650309）

云南天安化工有限公司（以下簡稱天安公司）一期800 kt/a硫酸裝置于2003年竣工開車，裝置利用焚硫余熱鍋爐產生的中壓蒸汽配套建設1套6 MW發電機機組。自運行以來回收余熱發電量可觀，以2019年11月29日至2020年11月29日發電量計算，發電量可達 7 990 000 kWh/a，折合人民幣約295萬元/a，經濟效益顯著。然而，近幾年裝置運行過程中發生過多次發電機逆功率運行的情況，不僅影響了公司電網的正常運行，而且還造成汽輪機轉子葉片損壞事故，給天安公司帶來一定的損失。

1 主要存在問題及分析

1.1 現象描述

天安公司一期6 MW發電機組在運行中，同期屏監測表計測量值正常時有功和無功顯示均為正值（第一象限），但在運行過程中出現了有功功率為負值，無功功率為正值的現象，發電機的運行由正常的發電機狀態（第一象限）過渡到不正常的逆功率運行狀態（第二象限），如圖1所示[1]。由于逆功率值很小，電網的頻率和電壓都能滿足電網系統的要求，在此不正常狀態下檢查發現：汽輪機速關閥已經關閉，發電機并網柜斷路器未分閘，勵磁系統運行正常。PLC控制器程序檢查發現，速關閥行程觸點“關”信號來反饋到PLC。

1.2 逆功率運行原因分析

如圖1所示，定義發電機發出有功和發出無功為正方向，即功率方向由發電機流向電網系統方向，由于發電機速關閥關閉，聯鎖限位觸點信號未進入PLC，所以主聯鎖并未動作，導致發電機并網柜未跳閘，勵磁系統運行正常。

圖1 發電機的四象限運行

發電機在失去原動力的情況下，功率方向變為由系統方向流向發電機，此時發電機不能向系統發出有功功率，反而從系統吸收一部分有功來維持發電機本身運轉。由于勵磁系統正常跟蹤運行，發電機仍然輸出無功功率，這時發電機向電網吸收有功，發出無功，變為同步電動機運行，即發電機進入逆功率運行狀態。

1.3 發電機逆功率運行的危害

1.3.1 對電力系統的不良影響

電力系統的頻率僅當發電機的總有功出力與總有功負荷(包括電網的所有損耗)相等時，才能保持不變。當發電機向電網吸收有功，正常發出無功時，如果系統有功功率缺額大于系統有功備用容量的數值較多，則電網的運行頻率就不能穩定，甚至出現下降。如果不能采取緊急措施，及時切除相應容量的有功負荷，則系統將走向頻率崩潰。逆功率現象在中大型發電機組中對電網的影響十分明顯，而且造成系統瓦解的可能性很大。

當系統有功功率占比過低，無功功率占比過大時，會導致線損增加、容量下降、設備使用率下降，從而導致電能浪費加大。

由于該發電機組較小，公司電網容量較大，出現逆功率時只有400 kW左右，對公司電網的影響不太敏感。但是這種不正常的運行狀態是極其危險的，原則上是不允許出現的運行狀態。

1.3.2 對汽輪機的不良影響

當發電機主汽門關閉(速關閥關閉)，失去原動力時，發電機變為電動機帶動汽輪機旋轉，汽輪機葉片在無蒸汽情況下高速旋轉會引起鼓風摩擦，特別是末級葉片可能會引起過熱，導致轉子葉片損壞[2-3]。

1.4 原因查找

發電機聯鎖為：速關閥關閉信號通過限位開關干接點信號引至PLC，PLC經過邏輯運算后發跳機信號至發電機并網柜和勵磁柜滅磁，并網柜斷路器分閘，主聯鎖邏輯見圖2。由于速關閥關閉信號是由限位的干接點信號引至PLC，當限位開關觸點故障，或是速關閥行程桿發生位移，都會導致主汽門開關信號拒動，聯鎖失效，引起發電機逆功率運行。

經過查實，主汽門關閉時，多次出現速關閥行程桿發生位移但行程開關不動的現象，聯鎖限位開關觸點沒有斷開，PLC未接收到主汽門關閉信號，未聯鎖跳并網柜，同時機組沒有設置及啟用逆功率保護，導致了發電機發生逆功率運行。

圖2 發電機的主要聯鎖邏輯現狀

2 解決方案

2.1 方案論證

由于聯鎖實現利用限位開關觸點信號，屬于機械式聯鎖，存在很大的隱患，極易出現拒動作，造成發電機逆功率運行。故改造方案需要從發電機運行參數上根本解決發電機的逆功率問題。2019年9月原保護器多次死機和誤動作，考慮和其他幾臺發電機統一備件，相繼改造成G30保護器。通過和G30廠家溝通，其保護器可以實現“逆功率保護”功能，通過參數整定實現發電機逆功率運行的保護。

G30保護器逆功率設置按電壓電流互感器的計算視在功率為基準，通過標幺值算法整定計算公式如下：

式中：Smin——逆功率保護定值（標幺值，以發電機容量為基準）；

Pe——發電機額定功率，W；

I1——單相電流互感器原邊繞組額定電流，A；

nTV——單相電壓互感器變比；

U2——單相電壓互感器二次電壓，V。

2.2 方案試驗

2.2.1 試驗數據計算

2.2.1.1 G30整定算法

根據G30保護器的給定整定計算公式，按發電機額定有功功率6 000 kW，電流互感器原邊額定電流1 000 A計算，得到逆功率保護定值如下：

按照上述G30給定公式計算所得，折算為逆功率一次值為 ：0.288×3×1 000×60×57.74=2 993.2 kW。這個值相對于6 000 kW顯然過大，不適合實際應用，主要是因為逆功率保護針對200 MW以上機組設定，G30整定計算模型偏向于大機組。針對小型發電機組經驗值更適合保護整定[4-5]。

2.2.1.2 經驗算法

一般的發電機逆功率經驗動作考慮發電機銅損加鐵損和機械損，用DL/T 684—2012《大型發電機變壓器繼電保護整定計算導則》中公式進行計算：

式中：Krel——可靠系數，取0.5～0.8，因未與主汽門輔助接點閉鎖，建議Krel取最大值；

P1——汽輪機在逆功率運行時的最小損耗，一般取額定功率的2%～4%，因未與主汽門輔助接點閉鎖，建議P1取最大值；

P2——發電機在逆功率運行時的最小損耗，一般取P2≈(1-η)×Pe，其中η為發電機效率，Pe為發電機額定功率；

經驗計算值為364.8 kW，保守整定取300 kW。

2.2.1.3 G30保護實際整定值

由于G30保護整定值為標幺值，所以按照其給定公式將300 kW整定值反算為標幺值，即

2.2.2 試驗結果

通過計算一次值300 kW，發電機單相功率為8.3 W，二次電壓 57.74 V，二次電流 0.144 A，功率因素為1，功率方向為發電機指向母線。對G30保護器試驗，試驗結果見表1。

表1 G30保護器逆功率保護試驗情況

通過試驗，確定了逆功率保護定值為：二次整定 0.028 8 pu，動作時限 0.5 s跳閘，發電機 G30保護器內部提供的“逆功率保護”功能，能實現發電機逆功率運行的保護，該方案可行。

3 技術改造

3.1 技術實現

在圖2中可知，發電機G30保護器電氣保護出口聯鎖跳閘是純電氣保護與外部聯鎖跳閘形成統一協調，即不管外部動作還是保護動作都能實現跳機功能，并且逆功率保護獨立于聯鎖跳機之外。只需在G30保護器內部啟用逆功率保護，通過參數設置就能實現發電機逆功率運行保護，具體邏輯見圖3。

圖3 聯鎖改進邏輯

由于發電機在并網初期可能會出現短暫的逆功率情況，只有在發電機開到正常情況下才能投入逆功率保護，提高發電機并網的成功率，所以在保護器逆功率保護出口必須加裝“連接片”，以便實現逆功率保護的投切功能。

3.2 技術實施

2020年10 月發電機停車期間，將G30保護器P2c、P2b常開點作為逆功率保護輸出點，接入保護器保護出口點。逆功率保護動作點如圖4所示，在回路中加入了連接片XB6，以此實現逆功率保護的投切功能。

圖4 逆功率保護改造控制回路原理

將逆功率保護器整定值錄入G30保護器，即逆功率保護對話框 Stage 1 SMIN 設置為 ：0.028 86 pu，Stage 1 Dela 設置為 y ：0.5 s；Stage 2 SMIN 設置 為 ：0.028 86 pu，Stage 2 Delay 設 置 為 ：0.5 s。經過模擬試車和開車階段的試車工作，逆功率保護動作正常。主保護試驗后能夠保證其動作的可靠性。

3.3 效果驗證

發電機逆功率保護改造實施后，發電機運行正常。2020年9月由于工藝調整主汽門開度不當，導致主汽門進氣量驟減（接近于關閉狀態），發電機跳停。調取保護器動作值參數：逆功率值為0.035 60 pu（大于整定值0.028 86 pu），折算到一次值為370 kW，G30保護器逆功率保護出口跳閘。

此次逆功率保護正確動作，充分說明小型發電機組增加逆功率保護的必要性，同時證明此次改造取得了效果，保證了電力系統穩定，保護了汽輪機轉子葉片。

4 結語

發電機逆功率運行不僅對汽輪機葉片會造成危害，而且還會影響電力系統的穩定性。天安公司針對一期6 MW發電機加入電氣逆功率保護功能，有效杜絕了發電機的逆功率運行，同時保證了電力系統運行的穩定性。天安公司共有小型發電機組5套，此次改造的成功也為其他機組完善保護提供了實踐經驗。