汽電雙驅引風機電機故障條件下背壓機控制方式的研究

國家能源集團宿遷發電有限公司 馬士松 婁 杉

汽電雙驅引風機近年來逐步應用于大型火電廠，相比傳統背壓機直接驅動的引風機，汽電雙驅引風機的小汽輪機運行時可保持調門全開、效率高，經濟性顯著，且背壓機和電動機均可單獨作為引風機的驅動設備，較大提高了汽電雙驅引風機的驅動設備選擇靈活性，在考慮常規運行模式以外，還需要考慮引風機電機故障時，背壓機直接驅動軸系的特殊運行方式。

1 汽電雙驅引風機運行模式簡介

某火電廠在國內首次采用了汽電雙驅高效靈活供熱技術，設置有背壓式汽輪機、齒輪箱及離合器、異步電動發電機和引風機，軸系布置為引風機汽輪機—定速比齒輪箱（帶離合器）—異步電動/發電機—引風機。

正常運行時，引風機背壓機的進汽調門如未全開、電動機和汽輪機同時驅動時，系統處于汽電混驅模式；引風機背壓機的進汽調門全開、汽輪機輸出動力富余時，則電動機自動變為發電狀態，供廠用電運行，系統處于汽驅發電模式。

除了正常運行方式，汽電雙驅引風機還可以采用背壓機單獨驅動（汽動驅動模式）、電動機單獨驅動（電動驅動模式）方式。

汽電雙驅引風機的背壓機和電動機均可單獨作為引風機的驅動設備，通過理論和實踐已經證明，引風機背壓機跳閘時，電機能夠迅速從發電機狀態轉為電動機狀態，系統轉為電動驅動模式，引風機背壓機降速后離合器自動脫開。此過程中，異步電機的轉速變化范圍在747～753r/min，這對爐膛負壓調整、廠用電系統、機組負荷影響都微乎其微，工況自動切換穩定，完全無擾切換[1]。

對于正常運行中，引風機電機跳閘，但如仍可以作為傳動軸使用時，就需要考慮汽引小機不跳閘、通過迅速關閉引風機背壓機調門的方式控制軸系轉速，在轉速下降到某一定值后再逐步開出調門、實現轉速自動控制。即背壓機需要控制好轉速、直接驅動引風機、保證引風機最大限度地投運，而不觸發RB快速減負荷。這需要綜合考慮對引風機背壓機轉速、鍋爐爐膛負壓、6kV廠用系統和供熱系統的影響，特別是小輪機與引風機功率不平衡的問題。

2 引風機電機故障時背壓機直接驅動軸系的可行性分析

為分析引風機電機故障對軸系轉速的影響，首先應判斷電機是否具備作為傳動軸的功能。其次要計算出甩掉發電功率后引風機背壓機轉速的超調量，如果該數值超過引風機背壓機超速保護定值，則不能考慮引風機電機跳閘后由背壓機維持額定轉速的可行性，而是需要將保護邏輯設置為引風機電機跳閘后即聯跳背壓機；如果該數值低于引風機背壓機超速保護定值且有一定余量，則可以考慮通過構建類似于“主機OPC超速保護”的邏輯，在引風機電機跳閘后，即迅速關閉背壓機調門，當背壓機轉速下降至一定值時，再將背壓機的“閥位控制模式”退出，重新投入調門的轉速控制模式。下文從電機保護設置、背壓機超速計算、轉速自動控制等幾方面進行研究。

3 引風機電機的電氣保護設置分析

當引風機電機故障、開關跳閘后，如背壓機直接驅動引風機，電機必須作為傳動軸使用，必須對電機保護進行區分，分析哪些情況下的電機保護可以不聯鎖將背壓機跳閘。

引風機電機是異步電機，在電動機模式或是發電機模式下，均從系統吸收無功、有功電流的輸入與輸出均是通過同一段動力電纜及開關來實現，因此通用的引風機電機保護就可實現對電動機模式和發電機模式的雙重保護（WDZ-5231、WDZ-5232）。

引風機電機功率：6800kW、額定電流778A；一次/二次側CT變比為1250/1；二次側額定電流0.62A；零序一次/二次側CT變比為100/1；起動電流倍數為6倍，起動時間28s。引風機電機輸入/輸出電流測量CT無方向性、輸入/輸出功率測量帶有方向性。

表1 汽電雙驅引風機電機差動保護定值單

3.1 差動保護

為了提高保護動作的可靠性和選擇性，在設計之初，電動機模式和發電機模式下均以光纖差動保護作為主保護，光纖差動保護范圍均為開關柜至電機的電纜及電機內部繞組，其是電機內部短路故障的主保護，如果該保護動作，可能發生電機內部短路、電纜短路，或保護裝置出現了問題。電纜短路故障觸發差動保護動作、電機開關分閘后，電機定子繞組上仍然有剩余磁場，如果繼續旋轉，仍會產生感應電勢，通過故障點繼續放電，有可能導致事故擴大或人身傷害。同理，如電機內部短路、而電機繼續旋轉，則會使電機內部故障進一步發展，有燒毀電機、導致設備或人身傷害的可能。

因而，差動保護動作時，軸系必須立即停止。

表2 汽電雙驅引風機電機綜合保護定值單

3.2 其他開關綜保保護

6kV開關綜保中還設置了速斷、負序、零序、堵轉、正序過流、過負荷等后備保護。根據保護設置，速斷保護的高定值段可以避開電動機的啟動電流，當電機啟動后切換為低值保護，其保護二次電流定值為3.84A，是額定電流的6.19倍。速斷保護動作時主要反映了系統電壓異常、電機不對稱短路以及單相或兩相接地短路等故障。

當廠用母線系統發生不對稱短路時，引風機電機的負序動作，該情況下，只要能迅速將引風機電機開關分閘，即可切除外部故障，而不會對系統、引風機電機等電氣設備造成進一步損害。當廠用母線系統或電機接線電纜上發生接地等故障時，零序保護動作，因此要盡快停止軸系轉動。

堵轉保護二次電流定值為2.72A，是額定電流的4.39倍，延時11.2s，按照定時限動作設置，保護動作電流略小于啟動電流。正序過流保護二次電流定值為0.93A，是額定電流的1.5倍，延時19.6s，主要針對電機長時間過負荷或啟動時電機啟動電流不及時返回造成電機過熱損壞。過負荷保護二次電流定值為0.75A，是額定電流的1.21倍，延時33.6s，也是按照定時限動作設置。以上三種保護主要針對電機過載的異常情況，在及時切斷輸入/輸出電流后，即可切除故障。

3.3 電機非電量保護

此外，在DCS中還設置了電機軸承溫度高、電機軸承振動大等非電量保護，發生這類保護觸發時，說明電機軸承甚至電機內部已損壞，不能繼續旋轉運行。

3.4 結論

當引風機電機因差動保護、速斷保護、負序過流保護、零序過流保護、電機軸承溫度高、電機軸承振動大等電機或電纜的永久性故障發生時，電機軸系不能繼續旋轉，必須盡快停轉，需要立即聯鎖將引風機背壓機跳閘。

而當引風機電機堵轉保護、正序過流保護、過負荷保護動作時，電機軸系仍可以作為傳動軸使用。需要進一步分析引風機電機開關分閘后，引風機背壓機轉速是否會迅速上升至超速保護動作值。

4 引風機電機故障對軸系轉速的影響分析

引風機背壓機控制系統硬件主要包括電液控制系統（IMEH）及緊急跳閘系統（IMETS），由引風機背壓機供貨商配供，采用與機組DCS一致的硬件設備并實現與機組DCS一體化。引風機背壓機本體監視儀表（IMTSI）也采用常規配置，主要包括轉速、鍵相、軸向位移、軸承振動的監視。該硬件配置在常規汽動引風機方案中已有較多應用實例，方案成熟可靠。

引風機背壓機轉速遠超一般工業汽輪機，超速后果更加嚴重，必須嚴防超速。引風機背壓機的超速保護采用電超速加機械飛錘，引風機背壓機布置了兩套TSI電超速保護，動作值為8143r/min；并安裝有一個機械飛錘，動作值8221±92r/min。

甩掉電機的發電功率后，電機發電功率降低至0，瞬時的引風機背壓機功率高于引風機耗能，引風機背壓機轉速必然升高，而轉速升高的極限值主要取決于以下幾個因素：背壓機軸系的轉動慣量包括背壓機轉子、減速箱小軸、電機軸、引風機軸；背壓機主汽門/調門的延遲關閉時間；主汽門/調門后的蒸汽管道及背壓機汽缸腔室容積。將ASME規范中的計算方法結合汽電雙驅引風機的實際情況，可得如下計算公式[2]。

在背壓機主汽門/調門的延遲時間Ta內進入背壓機的蒸汽能量Ea：

Ea=（N0-NM-0.2NE）Ta

式中：Ea—背壓機主汽門/調門的延遲時間Ta內進入背壓機的蒸汽能量，MW；Ta—背壓機主汽門及調門關閉延遲時間相比較的最小值，s；N0—甩負荷時背壓機內功率，MW；NM—機械損失，含背壓機、減速箱、電機及引風機的機械損失，MW；NE—電機損失。

在汽門關閉時間期間進入背壓機的蒸汽能量Eb：

Eb=0.85（N0-NM-0.2NE）Tb

式中：Eb—在汽門關閉時間期間進入背壓機的蒸汽能量，MW；Tb—汽門關閉時間，s。

進入背壓機的蒸汽在各級葉柵中的膨脹做功Ec：

Ec=（Ein-Eout-Ez）ηT

式中：Ec—進入背壓機的蒸汽在各級葉柵中的膨脹做功，MW；Ein—進入背壓機蒸汽的初始內能，MW；Eout—蒸汽在背壓機中膨脹的終了內能，MW ；ηT—背壓機的絕對內效率。

轉子轉動慣性能量Ed：

式中：

Ed—全軸系轉動慣性能量，MW；

I背壓機、I減速箱高速軸—背壓機及減速箱高速軸的軸系轉動慣量，kg·m2；

I電機、I減速箱低速軸、I引風機—電機、減速箱低速軸及引風機的轉動慣量，kg·m2；

W高速軸—甩負荷時背壓機及高速軸的初始頻率；

W低速軸—甩負荷時電機、引風機及低速軸的初始頻率。

一般汽輪發電機甩負荷時，發電機出口開關跳閘，汽輪機甩掉全軸系全部負荷，轉子最高轉速nmax：

對于汽電雙驅引風機而言，由于引風機還在運行消耗軸系功率，并非甩掉全部負載，因此需要減去引風機軸功率，可得引風機電機跳閘時，轉子最高轉速nmax的計算公式：

式中 ：Ef—引風機軸功率，MW；n0—初始轉速，r/min。

由上述計算公式可知，引風機背壓機轉速飛升極限的各個影響因素中，背壓機腔室內部積存的蒸汽繼續膨脹做功量和全軸系轉動慣量兩個數值影響最大。因此，在機組負荷為額定、背壓機帶最高出力時，甩掉發電功率后引風機背壓機轉速上升最多。

表3 引風機背壓機實際運行中的性能數據

帶入參數可得：

在主汽門/調門的延遲時間Ta內進入背壓機的蒸汽能量Ea：

Ea=（N0-NM-0.2NE）Ta=（7.525-0.172-0.2×0.131）×0.02=0.1465MW

引風機背壓機主汽門關閉情況下重新掛閘、建立一次/二次油壓，時間＞60s。因而雖然背壓機主汽門關閉時間較調門關閉時間小，但為了實現“OPC”功能，至多只能考慮調門全部關閉，不能關閉主汽門。因而在調門關閉時間期間進入背壓機的蒸汽能量Eb：

Eb=0.85（N0-NM-0.2NE）Tb=0.85×（7.525-0.172-0.2×0.131）×0.804=5.007MW

進入背壓機的蒸汽在各級葉柵中的膨脹做功Ec：

Ec=（Ein-Eout-Ez）ηT=（3412.78-3010.95）×34.263×0.8559/3600=3.2733MW

轉子轉動慣性能量Ed。

表4 汽電雙驅引風機軸系轉動慣性能表

根據轉速飛升計算公式，可計算出轉子最高轉速nmax=1.4789n0，當甩掉發電功率后引風機背壓機轉速將達到11402r/min，遠遠超出引風機背壓機超速保護定值8143r/min。

由于引風機背壓機額定運行轉速達到7710r/min，距離超速保護動作值的余量只有5.6%；且引風機背壓機調門關閉速度接近1s，滯后性過強，極易導致汽輪機超速飛車事故。根據某電廠凝汽式汽電雙驅引風機組的經驗，類似情況下僅一秒不到，超速保護即動作，與上述理論計算情況接近，因而，無需實際進行該高風險試驗，也無需考慮電動機跳閘但仍可作為傳動軸使用的運行工況。

綜上，汽電雙驅引風機是否能夠實現電機跳閘后背壓機直接驅動軸系，首先要考慮背壓機電機的開關保護中的各類型保護設置，再計算極端工況下引風機背壓機轉速飛升量，對比轉速保護裕量做出最終判斷。

對于常規設計了雙列引風機的機組而言，一臺引風機跳閘后僅僅觸發RB保護動作、負荷減至50%，并不會造成太大的影響。如確實需要設置，引風機背壓機的調門關閉時間必須盡可能小，以盡可能降低背壓機調門關閉時間期間進入背壓機的蒸汽能量Eb。另外，引風機背壓機轉子材質應提高設計等級，保證轉子的超速保護裕量盡可能大。