15 MW余熱發(fā)電機(jī)組啟停機(jī)流程的技術(shù)分析

(中國石化天津分公司，天津 300271)

0 引 言

余熱回收發(fā)電機(jī)屬于小容量發(fā)電機(jī)組，容量一般為6～30 MW。余熱發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)模式中供電線網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在熱源的利用上也不如火力發(fā)電機(jī)平穩(wěn)，因此并網(wǎng)過程或停機(jī)環(huán)節(jié)如果出現(xiàn)故障，必將會(huì)影響電網(wǎng)的可靠運(yùn)行[1]。因此余熱發(fā)電機(jī)組在并網(wǎng)和停機(jī)環(huán)節(jié)，對運(yùn)行操作的安全與可靠性要求更高。本文以額定容量15 MW的同步發(fā)電機(jī)作為研究對象，在10 kV電壓等級(jí)下，采用單爐單機(jī)工作方式，對發(fā)電機(jī)啟機(jī)、停機(jī)流程中的關(guān)鍵技術(shù)操作進(jìn)行了詳細(xì)闡述，并結(jié)合事故案例對運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了分析和優(yōu)化。

1 啟機(jī)并網(wǎng)

1.1 勵(lì)磁系統(tǒng)

該余熱發(fā)電機(jī)組采用的是無刷交流勵(lì)磁系統(tǒng)，副勵(lì)磁機(jī)與勵(lì)磁機(jī)都與發(fā)電機(jī)主軸同軸，副勵(lì)磁機(jī)為一臺(tái)永磁交流發(fā)電機(jī)，工作頻率為350 Hz，額定容量為3.5 kW。永磁機(jī)通過剩磁產(chǎn)生磁場，產(chǎn)生的交流電流進(jìn)入勵(lì)磁柜的整流模塊后，轉(zhuǎn)換為直流勵(lì)磁電流，并加載在勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁繞組上；勵(lì)磁機(jī)端產(chǎn)生的電流再經(jīng)過發(fā)電機(jī)內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)式整流器后，經(jīng)整流變?yōu)橹绷鲃?lì)磁電流后加載到發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組，最終汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，并建立旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁磁場。勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置采集的是發(fā)電機(jī)定子電流值，將其作為檢測信號(hào)，勵(lì)磁電流的調(diào)節(jié)功能是通過操作勵(lì)磁屏來實(shí)現(xiàn)的。余熱發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)由圖1所示。

圖1 勵(lì)磁系統(tǒng)簡圖

1.2 開機(jī)準(zhǔn)備

電氣系統(tǒng)一次主接線圖如圖2所示。10 kV母線與35 kV母線由35 kV升壓變壓器相連接，111、122、133、144分別為6 kV變電所內(nèi)的4個(gè)高壓開關(guān)柜。1001為35 kV變電站的進(jìn)線開關(guān)。

圖2 一次主接線系統(tǒng)圖

首先檢查35 kV站1001開關(guān)運(yùn)行是否正常，確認(rèn)無報(bào)警信息及保護(hù)動(dòng)作信息后，再將各保護(hù)壓板投入，但是差動(dòng)保護(hù)出口要單獨(dú)退出。現(xiàn)場確認(rèn)35 kV變壓器運(yùn)行正常，檢查發(fā)電機(jī)及勵(lì)磁部分，確認(rèn)永磁機(jī)接線盒緊固，周圍設(shè)置警戒線，禁止無關(guān)人員靠近發(fā)電機(jī)。

然后檢查6 kV變電所內(nèi)10 kV開關(guān)柜，確保111并網(wǎng)柜開關(guān)在試驗(yàn)位置，再將各保護(hù)壓板投入，并且與35 kV站一樣，差動(dòng)保護(hù)出口要單獨(dú)退出，這是因?yàn)椴顒?dòng)保護(hù)的兩個(gè)檢測點(diǎn)分別為35 kV變壓器低壓側(cè)出口和6 kV母線進(jìn)線側(cè)，變壓器啟動(dòng)時(shí)的電流會(huì)達(dá)到額定電流的6～8倍，有可能產(chǎn)生不平衡電流引起差動(dòng)保護(hù)跳閘[2-4]，這種情況屬于非故障電流的保護(hù)誤動(dòng)作，這時(shí)就需要將綜保上差動(dòng)保護(hù)的整定值重新計(jì)算，確定更合理的動(dòng)作參數(shù)。這里要說明的是，差動(dòng)保護(hù)壓板的退出僅關(guān)閉了跳閘功能，但綜保上的指示燈依然會(huì)顯示故障報(bào)警，提示該保護(hù)動(dòng)作過。差動(dòng)保護(hù)壓板僅在首次并網(wǎng)時(shí)退出，成功并網(wǎng)后要重新投入，且以后并網(wǎng)都不必退出。最后確認(rèn)122勵(lì)磁PT手車、144母線PT手車均在試驗(yàn)位置，將所有開關(guān)柜二次空開合上。

一次設(shè)備檢查完畢后，還要檢查勵(lì)磁控制系統(tǒng)。首先將勵(lì)磁柜操作總電源開關(guān)61DK、柜上直流電源開關(guān)2DK、1DK合上，此時(shí)勵(lì)磁控制系統(tǒng)應(yīng)無報(bào)警信號(hào)；確認(rèn)兩套交流電源和直流電源的開關(guān)都在合位，將運(yùn)行方式開關(guān)切為“恒壓”，運(yùn)行控制方式有“恒功率因數(shù)”和“恒無功功率”兩種形式，此時(shí)我們選擇恒功率因數(shù)；檢查“FMK操作”、“增減磁”控制開關(guān)在中間位置(待操作狀態(tài))；最后檢查確認(rèn)整流橋刀閘和“FMK”開關(guān)都在分閘位置。

1.3 并網(wǎng)操作

確認(rèn)汽輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速已達(dá)到3 000 rad/min；分別將144母線PT手車、122勵(lì)磁PT手車推入工作位并檢查，再將133開關(guān)推入工作位，此時(shí)后備綜保滅磁聯(lián)跳指示燈點(diǎn)亮，這是因?yàn)閯?lì)磁柜上的滅磁開關(guān)“FMK”還未合上，這時(shí)必須退出滅磁開關(guān)聯(lián)跳壓板后，才能去合上133發(fā)電機(jī)出線開關(guān)；因?yàn)闇绱怕?lián)跳保護(hù)是發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的保護(hù)，發(fā)電機(jī)正常工作時(shí)如果突然失去勵(lì)磁，該保護(hù)會(huì)動(dòng)作并使發(fā)電機(jī)跳閘。現(xiàn)在滅磁開關(guān)“FMK”未合上，如果133開關(guān)先合閘，滅磁聯(lián)跳保護(hù)會(huì)動(dòng)作，使發(fā)電機(jī)無法正常合閘[5]。待退出滅磁開關(guān)聯(lián)跳壓板后，便可以合上133發(fā)電機(jī)出線開關(guān)，此時(shí)母線上無電壓，PT低電壓指示燈亮。

依次合上勵(lì)磁屏上整流橋交、直流側(cè)刀閘1KK、2KK、3KK、4KK，合上之后檢查晶閘管整流模塊1-6號(hào)指示燈亮，此時(shí)勵(lì)磁電壓及勵(lì)磁電流表示數(shù)均為0；合上滅磁開關(guān)“FMK”，母線上會(huì)帶有1 kV左右電壓，這是由永磁機(jī)內(nèi)的剩磁建立的起勵(lì)電壓，然后復(fù)位133開關(guān)綜保，此時(shí)滅磁聯(lián)跳指示燈熄滅，最后合上滅磁開關(guān)聯(lián)跳壓板。

接下來合上同期屏裝置的ZKK控制開關(guān)，將手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)DTK放在“自動(dòng)”位置，檢查單/雙側(cè)無壓開關(guān)WY在“同期”位置，檢查工作/測試GTK在“工作”位置；檢查111開關(guān)上口帶有1 kV系統(tǒng)電壓，再將111并網(wǎng)開關(guān)推入工作位，此時(shí)應(yīng)無無報(bào)警信號(hào)。

按下勵(lì)磁屏“起勵(lì)建壓”按鈕，10秒鐘電壓自動(dòng)升至額定電壓的90%，在勵(lì)磁屏上調(diào)節(jié)“增磁”、“減磁”按鈕使電壓升至額定值(10 kV)，并監(jiān)視空載勵(lì)磁電壓、電流在在規(guī)定值，此時(shí)發(fā)電機(jī)電壓應(yīng)大于系統(tǒng)電壓。最后載同期屏上按復(fù)位鍵2秒，檢測到同期屏“就緒狀態(tài)”后，按下“同期并網(wǎng)”按鈕，待并網(wǎng)參數(shù)滿足后，111并網(wǎng)開關(guān)會(huì)自動(dòng)合上，此時(shí)成功實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)。發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)見表1。

表1 發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后的運(yùn)行參數(shù)表

2 停機(jī)解列

發(fā)電機(jī)停機(jī)環(huán)節(jié)相對于并網(wǎng)環(huán)節(jié)則比較簡單，首先汽輪機(jī)要降負(fù)荷，降負(fù)荷的同時(shí)，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)該繼續(xù)保持在3 000 rad/min，保證同頻50 Hz的條件，此時(shí)發(fā)電機(jī)端電壓仍為10 kV，待汽輪機(jī)降負(fù)荷完成后，發(fā)電機(jī)接近空載運(yùn)行狀態(tài)。

此時(shí)手動(dòng)拉開進(jìn)線并網(wǎng)開關(guān)111斷路器，發(fā)電機(jī)完成解列，保持發(fā)電機(jī)空載狀態(tài)，在勵(lì)磁屏按下“逆變滅磁”按鈕，逐步減小勵(lì)磁，勵(lì)磁降低后，由于勵(lì)磁開關(guān)未關(guān)閉，此時(shí)還有一點(diǎn)勵(lì)磁電流值，發(fā)電機(jī)端電壓約為1 kV左右，這時(shí)便可以手動(dòng)拉開發(fā)電機(jī)出線開關(guān)133斷路器，再將滅磁開關(guān)“FMK”斷開，最后將111、122、133、144開關(guān)拉至試驗(yàn)位，發(fā)電機(jī)成功實(shí)現(xiàn)停機(jī)。發(fā)電機(jī)解列后，空載運(yùn)行狀態(tài)的各項(xiàng)參數(shù)見表2。

表2 發(fā)電機(jī)解列后的運(yùn)行參數(shù)表

3 事例分析

某次15 MW余熱發(fā)電機(jī)組的停機(jī)過程中，在進(jìn)行解列操作時(shí)，當(dāng)斷開進(jìn)線并網(wǎng)111開關(guān)時(shí)，發(fā)電機(jī)出線柜133開關(guān)突然跳閘，通過后臺(tái)查找原因，后臺(tái)事件記錄顯示綜保裝置同時(shí)發(fā)出了汽機(jī)連跳和滅磁聯(lián)鎖跳閘命令，此時(shí)汽輪機(jī)也聯(lián)鎖停機(jī)，同時(shí)發(fā)電機(jī)端自動(dòng)跳閘。

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，發(fā)電機(jī)從電網(wǎng)解列時(shí)，發(fā)電機(jī)的有功功率為1.75 MW左右，此時(shí)111并網(wǎng)開關(guān)斷開后，等同于汽輪機(jī)突然將負(fù)荷甩掉，導(dǎo)致汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速迅速上升，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到3103 rad/min后，發(fā)電機(jī)133出線開關(guān)柜頻率保護(hù)動(dòng)作，由于頻率保護(hù)屬于后備保護(hù)的一種，所以汽輪機(jī)聯(lián)鎖停機(jī)。電氣系統(tǒng)綜保裝置設(shè)定的過頻率保護(hù)為51.5Hz，對應(yīng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速為3 090 rad/min，就是說當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速低于3 090 rad/min時(shí)，頻率保護(hù)將在0.2秒內(nèi)跳閘，所以本次綜保裝置執(zhí)行的是正確的動(dòng)作。同時(shí)，由于發(fā)電機(jī)133斷路器跳閘，滅磁聯(lián)鎖保護(hù)也動(dòng)作，自動(dòng)斷開滅磁開關(guān)“FMK”，使勵(lì)磁裝置也停止運(yùn)行。

對于20 MW以下發(fā)電機(jī)組的汽輪機(jī)來說，常采用額定參數(shù)停機(jī)方式，即在停機(jī)過程中，主蒸汽參數(shù)保持在一個(gè)定值，通過關(guān)小調(diào)門減少進(jìn)汽量的方式來減少負(fù)荷，一般將負(fù)荷減至零以后，再進(jìn)行電氣解列，最后汽輪機(jī)打閘停機(jī)。這樣停機(jī)后汽機(jī)金屬溫度保持在較高水平，利于再次啟動(dòng)和盡快接帶負(fù)荷[6-8]。由于本次停機(jī)過程中沒有將負(fù)荷減至0或允許值，因此使汽輪機(jī)發(fā)生了超速現(xiàn)象，引起了保護(hù)動(dòng)作，造成了緊急停車。由于汽輪機(jī)將負(fù)荷減至0在實(shí)際操作中不好把握，最后通過改進(jìn)停機(jī)方案，確定停機(jī)環(huán)節(jié)中讓發(fā)電機(jī)的有功輸出僅為0.1 MW左右，發(fā)電機(jī)的有功輸出控制為空載或接近空載，這種條件下停機(jī)解列時(shí)，對電網(wǎng)及整個(gè)機(jī)組最為有利。

4 結(jié)束語

余熱回收發(fā)電作為一項(xiàng)節(jié)能減排的應(yīng)用技術(shù)而被推廣。發(fā)電機(jī)如果在并網(wǎng)或解列過程中出現(xiàn)故障，會(huì)在一定程度上增加電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，降低系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。因此在并網(wǎng)和停機(jī)的過程中，應(yīng)嚴(yán)格參照并網(wǎng)運(yùn)行技術(shù)的相關(guān)規(guī)范，尤其是首次并網(wǎng)前，要核驗(yàn)發(fā)電機(jī)的繼保裝置的定值設(shè)定是否合理，保護(hù)能否可靠動(dòng)作；規(guī)范運(yùn)行操作流程，并提前準(zhǔn)備預(yù)防措施，使發(fā)電機(jī)能夠安全、可靠的啟停機(jī)。