燃氣輪機組勵磁系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

王亞婧 徐春建 朱宏超 霍乾濤

（國電南瑞科技股份有限公司，南京 210061）

燃氣輪機是國家能源安全和國防安全的重要保障，是調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、實現(xiàn)能源清潔高效利用、踐行節(jié)能減排的重要基石[1]。近年來隨著我國不斷加大對天然氣等清潔能源的利用以及電力調(diào)峰的需要，一批燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)的熱電聯(lián)產(chǎn)機組相繼在各地投入建設(shè)[2]。熱電聯(lián)產(chǎn)是既產(chǎn)電又產(chǎn)熱的先進能源利用形式，具有降低能源消耗、提升供熱效率、提高空氣質(zhì)量、改善城市形象等優(yōu)點。

空氣被高度壓縮是燃氣輪機良好工作的前提條件之一，一臺燃機大約有 2/3的功率用來驅(qū)動壓氣機工作。因此，為了使燃氣輪機能夠開始工作，一定要有其他的動力先使壓氣機開始工作。當渦輪產(chǎn)生足夠壓縮比的氣體，進入燃燒室的天然氣開始燃燒，燃氣輪機就可以自己維持旋轉(zhuǎn)，即在此速度下，機組可以產(chǎn)生使自己不斷升速的功率了。這就是燃氣輪機組的起動過程[4]。

燃氣輪機組的起動方式有柴油機起動方式、蒸汽輪機起動方式、SFC起動方式3種[5]。SFC起動方式的基本原理就是使發(fā)電機作為同步電機運行，并利用同步電機的調(diào)速控制原理，從而達到起動的目的[6]。首先通過外加（變頻）電源讓它將燃氣輪機組升速，在燃氣輪機開始自己作功后再退出電動機運行狀態(tài)，然后又作為發(fā)電機并網(wǎng)發(fā)電，這種起動方式目前越來越多地被采用[3]。發(fā)電機作為同步電動機運行，最有效的方法是通過調(diào)節(jié)電源頻率來實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，靜止變頻器就是為此設(shè)計的能夠提供可調(diào)頻率的電源裝置[7]，同時還必須有勵磁系統(tǒng)的配合。

本文以某電廠3×200MW 燃機項目為背景，對燃機勵磁系統(tǒng)與常規(guī)勵磁系統(tǒng)的不同之處進行說明并探討。

1 燃氣輪機組起動

由于同步發(fā)電機和電動機都是基于電磁感應(yīng)原理運行的[8]，同步發(fā)電機也可作為同步電動機工作。當在電機定子上通人三相交流電，將產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，此時轉(zhuǎn)子上加勵磁也會建立一個磁場，同步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩就由定子電流建立的旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子磁場的相互作用而產(chǎn)生，僅僅在兩者相對靜止時，才能得到平衡電磁轉(zhuǎn)矩[3]。

電廠的同步發(fā)電機為兩極隱極式電機，如果由工頻電源給定子供電，則它只能在3000r/min下作電動機工作，且作為常規(guī)發(fā)電機，轉(zhuǎn)子上沒有特別結(jié)構(gòu)（如類似異步電機籠條的起動繞組）滿足直接起動要求，因此必須通過提供可以改變頻率的電源使發(fā)電機完全處于同步電動機狀態(tài)逐漸升速，以達到拖動燃氣輪機機組起動的目的。

靜止變頻器（SFC）就是一種可以改變頻率的電源，它把頻率可調(diào)的交變電流加到發(fā)電機定子上，使發(fā)電機變成調(diào)頻調(diào)速電動機方式轉(zhuǎn)動起來，同軸帶動燃氣輪機起動，加到定子上的是經(jīng)變頻器變頻后的交流電，使得起動過程按照預(yù)先設(shè)定的速率加速上升。整個起動過程發(fā)電機的轉(zhuǎn)子都由機組所配套的勵磁裝置施加有一定的勵磁電流，其電流的大小與SFC裝置配合，其勵磁裝置的工作方式由SFC控制[9]。

燃氣輪機組起動前，SFC從6kV廠用母線取電，輸出通過隔離開關(guān)連接到發(fā)電機定子電樞繞組上。根據(jù)燃氣輪機的要求，首先由盤車系統(tǒng)將機組升速至 120～150r/min，退盤車。然后起動SFC裝置，SFC通過控制勵磁系統(tǒng)來建立轉(zhuǎn)子磁通，產(chǎn)生的磁鏈在定子繞組中感應(yīng)出電動勢，通過測量并計算磁通可得出轉(zhuǎn)子位置[10]，由此選擇需要通流的兩相定子繞組。當定子通流后，在定轉(zhuǎn)子磁場的共同作用下，發(fā)電機開始升速，然后按照內(nèi)部設(shè)定的曲線運行，在此過程中可以選擇機組的狀態(tài)，包括水洗、吹掃、常規(guī)起動三種模式，如圖1和圖2所示。

吹掃和水洗模式中，SFC控制電機保持恒定轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)對燃氣輪機管道的清理，在此過程中，SFC控制勵磁系統(tǒng)的勵磁電流為恒定值。當為常規(guī)起動模式時，SFC首先輸出恒轉(zhuǎn)矩，帶動電機轉(zhuǎn)速上升，此時SFC控制勵磁電流仍為恒定值，當SFC的輸出功率達到最大值時，SFC變?yōu)楹愎β蔬\行，此時SFC控制勵磁為弱磁運行方式，與燃氣輪機共同作用提高電機的轉(zhuǎn)速。

圖1 典型水洗曲線

圖2 典型起動曲線

當檢測到機組轉(zhuǎn)速已達到燃氣輪機的自持轉(zhuǎn)速（本電廠為2100r/min）時，SFC退出運行，并同時控制勵磁系統(tǒng)停機，進入待機狀態(tài)。之后，由燃氣輪機帶動發(fā)電機平滑升速到同步轉(zhuǎn)速3000r/min。當現(xiàn)場條件滿足時，由監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出勵磁開機令，勵磁系統(tǒng)之后作為常規(guī)勵磁系統(tǒng)來運行，當同期條件滿足后，合同期并網(wǎng)開關(guān)，機組開始并網(wǎng)運行，起動過程完成。

2 燃機勵磁系統(tǒng)配置

電廠配置有3臺200MW的燃氣輪機組，3臺機組配置有2臺SFC裝置和3臺勵磁裝置。SFC采用了如圖3所示的二對三方案，即每套SFC裝置可分別控制3臺機組的起動。對于勵磁系統(tǒng)而言，也就意味著所有與SFC裝置連接的接收信號通道和反饋信號通道都是雙份的，且需要相互閉鎖，避免發(fā)生誤動作。

電廠的勵磁系統(tǒng)除常規(guī)配置外，還有其特殊之處，包括硬件和軟件兩個方面。

2.1 硬件特殊配置

硬件包括與SFC的接口以及為實現(xiàn)二對三方案所做的硬件配置兩方面。

1）起動階段與SFC的配合，主要是二次接口，包括開關(guān)量和模擬量，具體信號見表1。

2）由于SFC控制勵磁系統(tǒng)為二對一方式，因此勵磁系統(tǒng)需對兩路輸入信號進行閉鎖，本勵磁系統(tǒng)通過硬件實現(xiàn)兩路信號之間的閉鎖，如圖4所示，其中K1為第一套SFC開機命令繼電器，K2為第二套SFC開機命令繼電器。此套硬件不僅實現(xiàn)了當接收到第一套SFC的開入信號時，只能接收此套SFC的模擬量信號，還實現(xiàn)了當沒有勵磁系統(tǒng)投入命令時，外部的4～20mA 信號不會開路，當兩套SFC同時發(fā)出勵磁系統(tǒng)投入命令時，外部4～20mA 信號無法送入勵磁系統(tǒng)，此時SFC無法控制勵磁系統(tǒng)。

表1 勵磁系統(tǒng)與SFC二次接口

圖3 電廠發(fā)電機組配置

圖4 二對一硬件閉鎖裝置

2.2 軟件特殊配置

軟件包括4～20mA 觸發(fā)角度控制以及SFC開機和正常開機信號之間的閉鎖。

1）SFC控制勵磁系統(tǒng)的具體流程為：在勵磁系統(tǒng)主回路就緒之后（磁場斷路器已合、系統(tǒng)無故障），SFC給勵磁系統(tǒng)發(fā)勵磁系統(tǒng)投入命令，當勵磁系統(tǒng)檢測到此信號且勵磁角度給定的模擬量采樣正常之后，給SFC反饋勵磁系統(tǒng)已投入信號，SFC即可根據(jù)勵磁電流實際值來調(diào)節(jié)勵磁角度給定，從而調(diào)整磁通；在上述過程中，當SFC檢測到勵磁系統(tǒng)發(fā)出的定子電壓大于2500V時，則立即停機，保護SFC整流設(shè)備；當勵磁系統(tǒng)檢測到勵磁系統(tǒng)投入命令取消后，即刻退出運行。

SFC給勵磁系統(tǒng)的4～20mA勵磁角度給定信號線性對應(yīng)可控硅觸發(fā)角度180°～0°，即 4mA對應(yīng)180°觸發(fā)角，12mA對應(yīng) 90°觸發(fā)角，20mA對應(yīng) 0°觸發(fā)角。由于電廠勵磁系統(tǒng)為它勵源，而發(fā)電機起動階段所需勵磁電流也不大，為防止勵磁電流過大，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，勵磁系統(tǒng)將實際角度限制在150°～75°之間。

圖5 SFC拖動初期勵磁波形

圖5為起動時刻觸發(fā)角度與轉(zhuǎn)子電流的波形圖，由圖5可知在起動初期，觸發(fā)角度由150°一直增加直到 75°，然后經(jīng)過SFC的調(diào)節(jié)，穩(wěn)定在其穩(wěn)態(tài)值87.5°，轉(zhuǎn)子電流也經(jīng)過一個波頭的超調(diào)，最終穩(wěn)定在11%左右，勵磁處于恒磁通控制環(huán)節(jié)。

2）由于勵磁系統(tǒng)存在兩路開機令，一路為起動階段SFC發(fā)出的，另一路為正常開機時監(jiān)控系統(tǒng)給出的，兩路信號從不同的輸入通道進入勵磁系統(tǒng)，且電源為DC220V，具有較高的抗干擾性。但是從安全性考慮，另外用軟件把兩路信號進行了閉鎖，以防止在SFC模式中進入正常模式，或在正常模式中進入SFC模式。

3 結(jié)論

燃氣輪機組越來越多地采用發(fā)電機作為同步電動機拖動機組升速的起動方式，本文在介紹了燃氣輪機組起動流程的基礎(chǔ)上，闡述了燃氣輪機組的勵磁系統(tǒng)在配置上與常規(guī)勵磁系統(tǒng)在硬件與軟件方面的不同之處。

本勵磁系統(tǒng)在某電廠 3×200MW 的 1#、3#機組應(yīng)用以來，未出現(xiàn)過異常動作，一次起動成功率100%，保證了機組的正常起動和運行，滿足規(guī)程要求，符合現(xiàn)代燃機勵磁系統(tǒng)的需求，具有很好的推廣應(yīng)用價值。

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