關(guān)于SFC幾個相關(guān)問題的淺見

鄭江鋒

（廣東大唐國際肇慶熱電有限責(zé)任公司 廣東肇慶 518110）

關(guān)于SFC幾個相關(guān)問題的淺見

鄭江鋒

（廣東大唐國際肇慶熱電有限責(zé)任公司 廣東肇慶 518110）

隨著社會的進步，SFC系統(tǒng)已經(jīng)不斷被燃氣電廠采用，但應(yīng)用過程中會出現(xiàn)很多問題，本文從SFC系統(tǒng)的工作原理、解決方法等等方面展開分析。

SFC系統(tǒng)；問題；解決措施

SFC系統(tǒng)在燃氣輪機啟動過程中扮演著重要的角色，其主要作用是在啟動過程中提供動力將燃機帶到額定轉(zhuǎn)速（即自持轉(zhuǎn)速），保證燃機順利啟動，能達到同樣效果的還有蒸汽輪機拖動（適用一拖一機組）和發(fā)電機尾部安裝電動機拖動，但隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，SFC系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用，逐步取代這兩種啟動方式。

1 SFC系統(tǒng)的原理

在了解SFC系統(tǒng)原理之前，我們得先來了解下電機。電機，簡單點來說就是一種能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，如圖1。

圖1

我們可以認為電機就是一種以磁場為媒介，將動能與機械能互相轉(zhuǎn)化的裝置。發(fā)電機是將機械能轉(zhuǎn)化為電能。既然機械能與動能的轉(zhuǎn)化是相互的，那么為發(fā)電機提供合適的磁場和電能，發(fā)電機也能作為電動機為燃機提供動力。磁場由勵磁裝置提供，而電能的提供就來自于SFC系統(tǒng)。所以，SFC系統(tǒng)的本質(zhì)就是一個能提供電能的電力電子裝置。下面我們看一個SFC系統(tǒng)的簡圖圖2（圖2來源網(wǎng)絡(luò)）。

圖2

SFC系統(tǒng)對電能質(zhì)量要求比較高，所以在變壓器入口加入諧波濾波器使電能質(zhì)量滿足要求，變壓器的使用不只是為整流器提供滿足電壓要求的電能，在整流器橋臂發(fā)生故障的時候，還能限制短路電流防止事故擴大。

整流器逆變器的作用是將工頻電流轉(zhuǎn)成直流電再轉(zhuǎn)化成交流電，通過控制盤對變壓器，整流器，DC電抗器和逆變器的協(xié)調(diào)控制，得到參數(shù)（頻率、電壓、電流）符合要求的電能，進而實現(xiàn)為發(fā)電機提供可控的動力，達到拖動發(fā)電機到達目標(biāo)轉(zhuǎn)速的目的。

DC電抗器作用在于濾去整流器輸出直流電流的“毛邊”，使輸出的直流電能更平整，同時由于電抗器的特性，它也具有限制直流電流上升率的功能，在發(fā)生SFC系統(tǒng)接地短路故障時提高了保護的可靠性。

在燃機啟動過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)速達到300r/min，SFC由強制換相工作方式轉(zhuǎn)為負載換相工作方式，當(dāng)轉(zhuǎn)速到750r/min時，燃氣機組進行清吹工作，完成清吹后轉(zhuǎn)速降到510r/min，點火，與燃氣透平一起推動機組升速到2000r/min，而后SFC退出滅磁開關(guān)斷開。

2 SFC運行過程中的幾個問題

（1）機組啟動過程中，在清吹后，需要把轉(zhuǎn)速降到550r/min附近再點火，其目的在于點火初期燃燒溫度不高，穩(wěn)定性不強，而且此時燃燒模式為擴散燃燒，如果轉(zhuǎn)速高，會出現(xiàn)空氣壓力大流量大，由于點火初期燃料量較少且燃燒溫度低，容易導(dǎo)致點火失敗，點火轉(zhuǎn)速的控制受大氣溫度影響（溫度影響壓力），而低于510r/min的時候SFC不是恒壓模式（SFC在510r/min后進入恒壓模式），低于此轉(zhuǎn)速點火在后面點火成功轉(zhuǎn)入恒壓模式后無法提供充足動力，所以510r/min是所能達到的最低轉(zhuǎn)速。點火升速過程中直到接近自持轉(zhuǎn)速SFC是處于100%功率輸出，這說明在點火后的整個升速過程中SFC一直只是提供比維持點火轉(zhuǎn)速稍高的動力，燃機升速的動力都是由燃氣燃燒做功提供的，直到快接近自持轉(zhuǎn)速時，SFC電流逐漸減小直到自持轉(zhuǎn)速時退出，避免了燃機動力驟降造成啟動失敗。

（2）在SFC退出后，由于退出時機的不正確或者燃料量的不合理，可能會出現(xiàn)熱懸掛。熱懸掛表現(xiàn)在即使再增加燃料量，也不能使機組正常升速。那么熱懸掛的實質(zhì)是什么呢？在啟動過程中，透平扭矩加上啟動裝置扭矩構(gòu)成動力矩，壓氣機扭矩和摩擦阻力構(gòu)成阻力矩，動力矩減去阻力矩得到剩余力矩。當(dāng)SFC退出甚至在退出前導(dǎo)致剩余轉(zhuǎn)矩變成0或者負值，就有可能出現(xiàn)轉(zhuǎn)速不再增加甚至開始減少的情況，這就是熱懸掛的實質(zhì)。當(dāng)然并不是所有這種情況都是熱懸掛，當(dāng)退出過早燃料量不足導(dǎo)致的剩余力矩不足可以由增加燃料量解決。熱懸掛包括以下兩種情況：

①燃料量過大或者環(huán)境因素（氣溫，氣壓等），導(dǎo)致升速過程中燃氣初溫過高提前進入了燃機溫控模式，在溫控模式下燃料被限制增加導(dǎo)致剩余力矩不足造成升速過慢甚至熱懸掛發(fā)生。

②由于越接近喘振邊界線效率越低，當(dāng)由于設(shè)計或者臟污損壞等原因?qū)е聣簹鈾C運行在喘振邊界線，燃料增加會使壓氣機負荷同步增加從而更接近喘振邊界線，增加的燃料量與接近喘振邊界線造成的效率降低相抵消，導(dǎo)致剩余力矩不足發(fā)生熱懸掛。

（3）渡過了發(fā)生熱懸掛的階段，機組退出SFC順利上3000r/min，勵磁，同期，合GCB并網(wǎng)，接下來討論下這段過程中的一些問題：

首先是GCB，關(guān)于GCB的設(shè)置有一部分目的是出于頻繁開合的目的使用（燃氣電廠用于調(diào)峰），它的存在也可以省下啟備變直接用高廠變滿足啟機前的輔機供電需要。那它跟SFC有什么關(guān)系呢？在啟動運行期間，SFC為發(fā)電機供電，是從發(fā)電機出口接入，如果沒有GCB，我們發(fā)現(xiàn)此時SFC會往高廠變以及主變供電，雖然SFC提供的并非工頻電能并不會作為電源使用，但也會在變壓器電源側(cè)上有所損耗，這將使SFC的額定容量增大。另外可能出現(xiàn)的問題是SFC提供的低頻電能對應(yīng)的線圈電抗小，感性電流大，導(dǎo)致空載電流過大容易燒毀繞組，對設(shè)備安全和壽命有所影響。

接著關(guān)于勵磁與SFC，我們先看圖3。

圖3

由圖3我們可以了解到勵磁系統(tǒng)電源主要由起勵電源，發(fā)電機出口接勵磁變壓器和高壓廠用電系統(tǒng)提供，三路電源供電的意義是什么？在正常3000r/min起勵的時候，根據(jù)發(fā)電機殘壓是否足夠（不同廠殘壓要求不同故不考慮具體數(shù)值，一般在10～30%之間，起勵電源一般用于停機時間比較長的情況，短期停機殘壓基本能滿足要求），確定是否用起勵電源。由于發(fā)電機組采用自并勵，在殘壓（或起勵電源）提供一定勵磁電壓后，就能自己發(fā)電通過發(fā)電機出口接勵磁變壓器這一回路為自身提供穩(wěn)定勵磁電源順利建立起發(fā)電機出口電壓。而SFC系統(tǒng)運行過程中也是需要建立磁場的，起勵電源是建立初始勵磁電壓，電壓值比較小且不能長期維持，而發(fā)電機由于作為電動機，并不會發(fā)出工頻電流，所以無法用自并勵的勵磁方式。也許有人會說既然SFC為定子提供電流，也能經(jīng)由勵磁變壓器進入勵磁系統(tǒng)。但SFC提供的電流并不是工頻電流，且電壓不固定，而勵磁需要電壓穩(wěn)定的工頻電流，所以在啟動SFC階段非但不能利用發(fā)電機出口的電流作為勵磁電流，而且需要斷開自勵磁的通路以防非工頻電流的干擾。SFC啟動階段，勵磁開關(guān)合上是接通了高壓廠用電供給這一路。而在SFC退出，勵磁電源也要同時退出這一點上，是因為需要將啟動勵磁電源盤的電源供給由高壓廠用電切換成勵磁變壓器，為后面的自并勵做好準(zhǔn)備。

簡單說：①起勵電源是用于無殘壓起勵；②啟動勵磁電源盤是用于維持SFC運行；③勵磁變自并勵是用于發(fā)電機正常發(fā)電后勵磁。

（4）在SFC運行，乃至整個啟機過程中，不得不提到保護系統(tǒng)。在SFC啟動過程中有些保護是要退出的，這些保護的退出有何意義？我們先來看看哪些保護是需要退出的。

表1

從表1中我們可以看出可以退出的分別是低壓記憶過流、發(fā)電機失磁、逆功率、發(fā)電機失步、發(fā)電機頻率和100%定子接地六個保護。由于SFC的運行特性，不難判斷出發(fā)電機失磁、逆功率、發(fā)電機失步和發(fā)電機頻率保護并不需要投入。主要講講低壓記憶過流保護、發(fā)電機頻率保護和100%定子接地保護。

①低壓記憶過流保護，它是作為發(fā)電機內(nèi)部短路故障和區(qū)外短路故障的后備保護。當(dāng)外部故障時，可能出現(xiàn)發(fā)電機機端電壓降低而導(dǎo)致故障電流降低，從而使差動保護等傳統(tǒng)保護不動作，此時作為微機保護的低壓記憶過流能記憶故障初的電流而忽略以后的電流，從而在其它保護拒動的時候作為后備保護。SFC系統(tǒng)運行期間一直是低壓狀態(tài)（一般是正常機端電壓20%以下），故投入此保護并無實際意義。

②100%定子接地保護，最大的特點在于它對近中性點附近的接地短路故障也能及時反應(yīng)，避免事故進一步擴大，此保護的保護范圍能延伸到大部分接地保護的死區(qū)（中性點附近接地故障），是其極其重要的一個特點。但是在SFC運行期間，由于發(fā)電機定子上是低頻電流，此時的接地保護變壓器相當(dāng)于對地短路，如果此時出現(xiàn)啟動裝置接地短路，就有直流電流經(jīng)發(fā)電機中性點流入大地，構(gòu)成通路造成發(fā)電機定子過流燒損。從保護者的角色變成隱患，所以這個保護在SFC啟動期間需要退出運行。不過SFC裝置本身是有接地保護系統(tǒng)的，所以在SFC運行期間，啟動裝置或者定子發(fā)生接地，將由SFC系統(tǒng)動作切斷電源。

③發(fā)電機低頻過流保護，是只需在SFC啟動期間投入的保護。在SFC運行期間，由于SFC輸出電能的低頻特性，雖然其輸出電壓也比較低，但是當(dāng)發(fā)生短路時對應(yīng)的交流電抗較小，因此發(fā)電機輸送到短路點的低頻短路電流仍相當(dāng)大，可能會損壞設(shè)備。由于常規(guī)工頻互感器對低頻電流的傳變效果比較差，所以發(fā)電機的常規(guī)保護可能拒動導(dǎo)致事故進一步擴大。因此，在SFC投入運行期間有必要裝設(shè)低頻過流保護。

（5）SFC系統(tǒng)作為傳統(tǒng)燃煤電廠不具有的設(shè)備，在融入電廠的同時必然會有不同于傳統(tǒng)電廠的問題出現(xiàn)。SFC系統(tǒng)運行時電壓遠低于機端電壓，如果SFC系統(tǒng)接入帶壓的機端，無疑會造成設(shè)備損壞。而出現(xiàn)這問題的關(guān)鍵則在于SFC隔離開關(guān)與GCB。為了避免這種情況發(fā)生，就需要加入新的閉鎖條件以防止誤合閘的發(fā)生。對于SFC，必須確保GCB是斷開的以及定子上不帶壓或者只帶較低的殘壓；對于GCB，則需要確保SFC是分閘狀態(tài)才允許合閘。新的閉鎖條件的加入將使運行操作更加安全。

3 結(jié)語

從前面幾個問題可以發(fā)現(xiàn)其實看似簡單的東西里往往存在著許多需要我們?nèi)グl(fā)掘的問題，問題是需要去發(fā)現(xiàn)而不是等它發(fā)生了再去解決。燃氣電廠相對與傳統(tǒng)燃煤電廠還是比較新，新的東西引進勢必會引發(fā)很多以前不存在的問題，就如同前面提到的低頻問題，這在燃煤電廠并不多見但在SFC系統(tǒng)中卻多次出現(xiàn)。因此需要秉承初心，去發(fā)現(xiàn)關(guān)注，去探討鉆研。

[1]熊信銀.發(fā)電廠電氣部分[M].北京：中國電力出版社，2009.

[2]王仁祥.電力新技術(shù)概論[M].北京：中國電力出版社，2009.

[3]祝淑萍.工業(yè)企業(yè)電力網(wǎng)際變電設(shè)備[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2003：43～54.

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1004-7344（2016）18-0083-02

2016-6-1