柴油發(fā)電機組并聯(lián)運行典型故障分析

張 潔

(青島前進船廠，山東 青島 200331)

柴油發(fā)電機組并聯(lián)運行是一種重要運行狀態(tài)。當船舶電網(wǎng)負荷用電量較大或船舶?？看a頭、狹水道航行等特殊情況下，就會啟動第二臺或更多的柴油發(fā)電機組參與發(fā)電以滿足更大的船舶負荷要求。2臺或2臺以上柴油發(fā)電機組并聯(lián)運行的供電品質(zhì)和可靠運行必須滿足相序一致、頻率一致和電壓一致3個基本前提，其中相序由發(fā)電機制造和電纜布置確定，頻率和電壓則與柴油發(fā)電機組的運行參數(shù)和運行特性密不可分。柴油機的穩(wěn)態(tài)調(diào)速率和發(fā)電機的靜態(tài)電壓調(diào)整率是柴油發(fā)電機組正常并聯(lián)運行以及運行品質(zhì)的決定因素。

柴油發(fā)電機組并聯(lián)運行時，如果出現(xiàn)負荷分配不均和負荷分配不穩(wěn)等現(xiàn)象，會直接影響電站系統(tǒng)的運行安全，甚至對柴油發(fā)電機組本身造成不可逆轉(zhuǎn)的損傷。柴油發(fā)電機組并聯(lián)運行時有功功率分配不平衡，低負荷時往往會在并聯(lián)機之間引起有功環(huán)流，嚴重時出現(xiàn)逆功；高負荷時會出現(xiàn)1臺柴油發(fā)電機組已經(jīng)滿載或過載，而另1臺柴油發(fā)電機組仍處于輕載狀態(tài)，機組過載會引起柴油發(fā)電機組安全保護裝置動作，影響整個電站系統(tǒng)的正常運行，嚴重時會造成柴油機拉缸等重大傷害。

1 柴油發(fā)電機組并聯(lián)運行時負荷分配超差

1.1 故障描述

3臺TBD604柴油發(fā)電機組修后單機水阻負荷試驗，運行參數(shù)正常，試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 TBD604柴油發(fā)電機組單機水阻負荷試驗數(shù)據(jù)記錄表

1.2 故障分析和定位

由表1知，3臺柴油發(fā)電機組單機水阻負荷試驗數(shù)據(jù)無明顯異常、機組運行時無異?，F(xiàn)象、電壓調(diào)整率基本一致，穩(wěn)態(tài)調(diào)速率1#機組和2#機組基本一致，3#機組的穩(wěn)態(tài)調(diào)速率較其他2臺機組偏大。

柴油發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速理論上為設(shè)定的恒定轉(zhuǎn)速，從而確保供電時頻率穩(wěn)定以滿足設(shè)備使用要求，然而機組實際運行中由于負荷不斷發(fā)生變化，柴油機的實際轉(zhuǎn)速會偏離設(shè)定值。這種隨著負荷增大或減小而發(fā)生實際轉(zhuǎn)速偏離設(shè)定值的關(guān)系，稱為柴油機的穩(wěn)態(tài)調(diào)速率。穩(wěn)態(tài)調(diào)速率允許柴油機轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)波動，這種柴油機轉(zhuǎn)速的變化反映在發(fā)電機組上就是發(fā)電機輸出電壓頻率的變化。

柴油發(fā)電機組的穩(wěn)態(tài)調(diào)速率不同，即在設(shè)定轉(zhuǎn)速相同的情況下，帶同樣負荷后，不同機組柴油機實際轉(zhuǎn)速下降的幅度不同，發(fā)電機電壓的頻率不同，機組并聯(lián)運行后頻率相同，此時并聯(lián)柴油發(fā)電機組各自承擔的負荷不同。以1#機組帶載，3#機組并車為例，3#機組穩(wěn)態(tài)調(diào)速率高，并車后帶載使3#機組轉(zhuǎn)速按照穩(wěn)態(tài)調(diào)速率曲線下降，1#機組負荷轉(zhuǎn)移至3#機組的同時轉(zhuǎn)速按照穩(wěn)態(tài)調(diào)速率上升，直至2臺機組轉(zhuǎn)速完全一致，各自承擔相應(yīng)的負荷。如果并聯(lián)運行機組的穩(wěn)態(tài)調(diào)速率一致或接近，則并聯(lián)運行機組的負荷分配按照穩(wěn)態(tài)調(diào)速率曲線比較均衡，如果存在明顯偏差會導致在并車后負荷分配不均衡，其程度主要由穩(wěn)態(tài)調(diào)速率的差別大小決定。

根據(jù)機組試驗數(shù)據(jù)分析判斷該故障為穩(wěn)態(tài)調(diào)速率調(diào)整不當造成，需要對3#柴發(fā)機組的穩(wěn)態(tài)調(diào)速率參照1#機組穩(wěn)態(tài)調(diào)速率曲線進行調(diào)整。

1.3 故障處理和效果驗證

3#柴油發(fā)電機組重新進行負荷試驗，滿負荷后調(diào)節(jié)電壓至390 V，調(diào)節(jié)電子調(diào)速器的DROOP電位器，使頻率升高到48.7 Hz，然后主機卸荷，測量記錄電壓和頻率，試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

完成調(diào)整后進行并車試驗，以2#機組和3#機組為例，實船負荷試驗數(shù)據(jù)記錄如表3所示，負荷分配均衡，滿足修后檢驗要求。

2 柴油發(fā)電機組并聯(lián)運行時功率因數(shù)表波動

2.1 故障描述

3臺12V190型柴油發(fā)電機組，修后單機純水阻負荷試驗數(shù)據(jù)無異常，試驗期間無異?，F(xiàn)象，試驗數(shù)據(jù)如表4所示。

表2 3#柴油發(fā)電機組穩(wěn)態(tài)調(diào)速率參數(shù)調(diào)整后負荷試驗數(shù)據(jù)匯總表

表3 2#機組和3#機組并聯(lián)運行數(shù)據(jù)記錄表

表4 12V190 BCD1柴油發(fā)電機組水阻負荷試驗數(shù)據(jù)匯總表

負荷試驗時任意2臺機組并聯(lián)運行無異常，帶船上負荷進行并車時,發(fā)現(xiàn)柴油發(fā)電機組雙機并聯(lián)運行時，功率因數(shù)表顯示幅度0.2范圍內(nèi)，周期0.5 s左右的波動。

帶船上負荷試驗期間觀察發(fā)現(xiàn)任意2臺機組或3臺機組并聯(lián)都會有不同程度的功率因數(shù)表抖動情況，功率表未發(fā)現(xiàn)抖動。

2.2 故障分析和故障定位

柴油發(fā)電機組輸出的總功率為視在功率，包括有功功率和無功功率，有功功率用于保持用電設(shè)備正常運行所需的電功率，無功功率用于電路內(nèi)電場和磁場的交換，在電氣設(shè)備中建立和維持磁場的電功率。無功功率不對外做功，而是轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰俊?/p>

功率因數(shù)是有功功率和視在功率的比值，是衡量電氣設(shè)備性能的一項重要指標。水阻負荷試驗中負荷的特性為純阻性，發(fā)電機輸出的功率基本上完全消耗在水阻負荷上，視在功率中主要為有功功率，功率因數(shù)接近1。

3臺柴油發(fā)電機組單機運行工況正常，負荷試驗數(shù)據(jù)無異常，機組運行穩(wěn)定，任意兩機組并聯(lián)運行平穩(wěn)，未發(fā)現(xiàn)功率因數(shù)表抖動現(xiàn)象，可以判斷有功功率分配正常。帶船上負荷與水阻負荷的區(qū)別是船上負荷通常為感性負荷，此時發(fā)電機輸出功率包括有功功率和無功功率，分析判定導致雙機并聯(lián)運行中功率因數(shù)表抖動的原因為無功分配不均震蕩。無功功率在柴油發(fā)電機組當前輸出功率中的比重不斷變化，會引起功率因數(shù)表波動，與實際現(xiàn)象符合，該現(xiàn)象主要是由于并聯(lián)運行的柴油發(fā)電機組調(diào)差特性曲線不一致導致。

柴油發(fā)電機組的調(diào)差特性是指發(fā)電機端電壓隨該電機無功負荷變化而變化的曲線，當前3臺發(fā)電機并聯(lián)運行時調(diào)差為正調(diào)差特性，即當無功電流或無功功率增加時端電壓隨之下降，柴油發(fā)電機組中所配1FC5系列發(fā)電機并聯(lián)運行時調(diào)差一般設(shè)定在2%～3.6%范圍內(nèi)。

2.3 故障處理和效果驗證

在船上負荷工況下(雙機共200 kW，單機100 kW)對發(fā)電機AVR調(diào)壓板、調(diào)差裝置分別進行了調(diào)整，兩機組并聯(lián)運行時功率因數(shù)表抖動現(xiàn)象有明顯改善，幅度在±0.03范圍內(nèi)，周期在1 s左右。

重新用負荷桶加電抗器模擬船上感性負荷，分別對3臺發(fā)電機組調(diào)節(jié)調(diào)差裝置電位器調(diào)整，統(tǒng)一各臺發(fā)電機組調(diào)差特性曲線。調(diào)試后兩機組并聯(lián)運行時功率因數(shù)表在水阻及電抗器負荷工況下，低工況下幅度在±0.01范圍內(nèi)、周期在0.1 s左右。實船負荷工況下兩機組并車100 kW負荷時功率因數(shù)表幅度在±0.01范圍內(nèi)，周期在2 s左右抖動，200 kW后無波動，試驗數(shù)據(jù)見表5所示。

表5 12V190 BCD1型柴油發(fā)電機組并聯(lián)運行試驗數(shù)據(jù)匯總表

3 柴油發(fā)電機組并聯(lián)運行時功率分配不穩(wěn)

3.1 故障描述

2臺500 kW柴油發(fā)電機組，配置為TBD604L6型柴油機、1FC5型發(fā)電機，ECG1000-J型電子調(diào)速器，通過配電板內(nèi)機組控制器采集機組運行參數(shù)并控制電子調(diào)速器調(diào)速完成并車狀態(tài)下的負荷分配。單機負荷試驗正常，數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 TBD604L6型柴油發(fā)電機組負荷試驗單機數(shù)據(jù)匯總表

100 kW負荷并車試驗時出現(xiàn)2臺機組互相搶負荷的現(xiàn)象，負荷分配不穩(wěn)，總負荷增大后負荷分配有改善，250 kW以上負荷并車試驗時機組可穩(wěn)定均勻分配負荷，功率因數(shù)表無抖動，機組并聯(lián)運行期間配電板內(nèi)負荷分配器動作正常。

3.2 故障分析和故障定位

單機負荷試驗中轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，系統(tǒng)運行無異常，可初步判斷系統(tǒng)硬件無故障，并聯(lián)運行時負荷分配表現(xiàn)為2臺并聯(lián)機組來回拉負荷無法穩(wěn)定。遙控調(diào)速電位器阻值不均勻可導致調(diào)速不均勻，使轉(zhuǎn)速變化過快或緩慢引起調(diào)速系統(tǒng)超調(diào)，始終在調(diào)整過程中無法穩(wěn)定；柴油發(fā)電機組電子調(diào)速器性能不匹配可導致并聯(lián)機組調(diào)整曲線不一致，負荷調(diào)整速度慢，嚴重時無法穩(wěn)定。

調(diào)速電位器在發(fā)電機組單機負荷試驗并聯(lián)運行試驗時共用一個通道，單機試驗中手動和自動調(diào)速轉(zhuǎn)速變化均勻，無異常，同時斷電檢查調(diào)速線路絕緣良好，調(diào)速電位器電阻變化均勻，可以排除調(diào)速電位器的因素。

2臺并聯(lián)發(fā)電機組穩(wěn)態(tài)調(diào)速率過低，在低負荷時會出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象，以1#和2#柴油發(fā)電機組并聯(lián)運行帶100 kW負荷為例，負荷分配器調(diào)節(jié)一次，對應(yīng)的柴油發(fā)電機組轉(zhuǎn)速上升或下降4轉(zhuǎn)，由表6可以看到2#發(fā)電機過低的穩(wěn)態(tài)調(diào)速率會導致并聯(lián)運行時該機組負荷分配超調(diào)，無法實現(xiàn)2臺并聯(lián)機組負荷分配穩(wěn)定。

2臺并聯(lián)發(fā)電機組穩(wěn)態(tài)調(diào)速率如果過高，則會導致負荷分配器動作后負荷轉(zhuǎn)移慢，并聯(lián)機組實現(xiàn)負荷穩(wěn)定分配的過程較長。根據(jù)故障現(xiàn)象分析判斷2臺并聯(lián)機組的穩(wěn)態(tài)調(diào)速率需要調(diào)整和匹配。

3.3 故障處理措施和效果驗證

重新進行負荷試驗，調(diào)整1#、2#柴油發(fā)電機組電子調(diào)速器性能，將2臺機組穩(wěn)態(tài)調(diào)速率統(tǒng)一調(diào)整為3%左右。

調(diào)整穩(wěn)態(tài)調(diào)速率后，進行負荷并車試驗，試驗數(shù)據(jù)如表7所示，并車試驗中2臺機組負荷分配均勻，滿足試驗要求。

表7 穩(wěn)態(tài)調(diào)速率性能試驗記錄表

4 對策和建議

4.1 轉(zhuǎn)速傳感器安裝和線路檢查

檢查轉(zhuǎn)速傳感器的安裝，安裝中要注意轉(zhuǎn)速傳感器對準飛輪的齒頂，安裝完成后手動盤車，檢查間隙正常后電動盤車。防止由于安裝距離太遠無法起動，或運行過程中轉(zhuǎn)速信號丟失導致游車。

檢查電子調(diào)速器齒條連桿無松動，執(zhí)行器接線牢靠，接觸良好，避免偶發(fā)性轉(zhuǎn)速跳變。

4.2 初始值設(shè)定和參數(shù)調(diào)整

遙控調(diào)速的電動電位器應(yīng)設(shè)定在中間位置后通過電子調(diào)速器轉(zhuǎn)速設(shè)定電位器設(shè)定柴油機轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速，確保額定轉(zhuǎn)速上下可調(diào)范圍大致相同。

空車電壓按照要求調(diào)整為統(tǒng)一值，單機負荷試驗時將電壓調(diào)整率和穩(wěn)態(tài)調(diào)速率調(diào)整為統(tǒng)一值，穩(wěn)態(tài)調(diào)速率推薦調(diào)整值為3%，確保并車后電壓調(diào)整率推薦調(diào)整值為4%。

5 結(jié)束語

發(fā)電機并聯(lián)運行中影響有功功率分配穩(wěn)定、均衡的還有調(diào)速器線性、執(zhí)行器和高壓油泵齒條連桿安裝、執(zhí)行期油門反饋電位器精度、機械零位等因素；影響無功功率分配的還有AVR調(diào)壓線性，旋轉(zhuǎn)整流器等因素。但只要是合格的調(diào)速器和調(diào)壓系統(tǒng)，關(guān)鍵因素還是穩(wěn)態(tài)調(diào)速率和靜態(tài)電壓調(diào)整率這兩個特性的調(diào)整，這是決定機組并聯(lián)運行穩(wěn)定，負荷均衡的關(guān)鍵因素。