GE 9E燃機(jī)無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化改造

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(國(guó)電南京自動(dòng)化股份有限公司，南京 210032)

1 問(wèn)題的提出

華電上海奉賢燃機(jī)發(fā)電有限公司(以下簡(jiǎn)稱奉賢發(fā)電公司)一期為4×180 MW雙燃料9E級(jí)一拖一多軸布置燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組。機(jī)島設(shè)備采用GE公司的PG9171E型燃?xì)廨啓C(jī)(以下簡(jiǎn)稱燃機(jī))，燃機(jī)發(fā)電機(jī)采用閉式空冷，額定出力136 MW。燃機(jī)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁方式為兩機(jī)一變無(wú)刷勵(lì)磁，勵(lì)磁變壓器(以下簡(jiǎn)稱勵(lì)磁變)電源取自廠用電源母線，變比400/280，勵(lì)磁機(jī)額定勵(lì)磁電壓100 V，額定勵(lì)磁電流12.6 A。相關(guān)一次設(shè)備接線圖如圖1所示。

原勵(lì)磁系統(tǒng)采用奧地利ELIN公司生產(chǎn)的THYNE4型單通道勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，配置為單控制器單整流橋，不滿足《汽輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行規(guī)程》(國(guó)電發(fā)〔1999〕579號(hào)文)“發(fā)電機(jī)應(yīng)配備雙自動(dòng)通道勵(lì)磁

圖1 勵(lì)磁系統(tǒng)一次設(shè)備接線Fig.1 Excitation system primary equipment wiring

調(diào)節(jié)器”要求。本次改造計(jì)劃將原有單控制器改為雙控制器，雙控制器自動(dòng)通道采用一主一熱備運(yùn)行方式；單整流橋改為雙整流橋并聯(lián)互為熱備用方式運(yùn)行； 要配合機(jī)島控制系統(tǒng)(Mark VI)實(shí)現(xiàn)機(jī)組的一鍵啟停。

本文以奉賢發(fā)電公司一期#11，#21 9E燃機(jī)無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)為例，介紹了PSVR 100發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)在GE 9E燃機(jī)無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)上的國(guó)產(chǎn)化改造應(yīng)用情況。

2 主要技術(shù)工作

與常規(guī)的勵(lì)磁系統(tǒng)比較，9E燃機(jī)無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)的特殊之處在于該型勵(lì)磁系統(tǒng)需要與機(jī)島控制系統(tǒng)(Mark VI)交互配合，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的一鍵啟停，也是該型勵(lì)磁系統(tǒng)改造的技術(shù)難點(diǎn)。

經(jīng)過(guò)前期的技術(shù)研究、圖紙分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際確認(rèn)，確定了改造后的勵(lì)磁系統(tǒng)與MARK VI系統(tǒng)之間交互的關(guān)鍵信號(hào)量(見表1)，確保改造后勵(lì)磁系統(tǒng)與MARK VI系統(tǒng)之間的功能匹配一致。

表1 勵(lì)磁系統(tǒng)與MARK VI通信信號(hào)Tab.1 Excitation system and MARK VI signal

通過(guò)對(duì)該燃機(jī)啟停過(guò)程及交互信號(hào)的梳理分析、實(shí)際操作、試驗(yàn)確認(rèn)，最終確定燃機(jī)的啟停動(dòng)過(guò)程。

2.1 啟動(dòng)過(guò)程

燃機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，Mark VI根據(jù)機(jī)組的啟動(dòng)進(jìn)度情況對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的指令。在發(fā)電機(jī)到達(dá)95%額定轉(zhuǎn)速時(shí)，合勵(lì)磁系統(tǒng)電源開關(guān)，同時(shí)令勵(lì)磁系統(tǒng)投入運(yùn)行；在發(fā)電機(jī)達(dá)到98%額定轉(zhuǎn)速時(shí),令勵(lì)磁系統(tǒng)開始投入建壓，將機(jī)端電壓快速建至95%額定電壓。

勵(lì)磁系統(tǒng)在建壓完成后對(duì)Mark VI系統(tǒng)反饋建壓完成信號(hào)，允許同期，進(jìn)入下一步同期流程。

由MARK VI系統(tǒng)根據(jù)發(fā)電機(jī)電壓信號(hào)和母線電壓信號(hào)進(jìn)行同期判斷，當(dāng)轉(zhuǎn)速、電壓滿足并網(wǎng)條件后出口操作同期并網(wǎng)。

相關(guān)啟動(dòng)流程如圖2所示。

圖2 啟動(dòng)流程Fig.2 Start-up process

2.2 停機(jī)過(guò)程

燃機(jī)在停機(jī)時(shí)，首先由運(yùn)行人員將Mark VI系統(tǒng)投入恒功率因數(shù)(PF)控制模式，手動(dòng)操作降低有功負(fù)荷給定值，準(zhǔn)備機(jī)組解列；由于機(jī)組處于PF控制模式下，在減有功負(fù)荷的同時(shí)Mark VI系統(tǒng)也會(huì)控制勵(lì)磁系統(tǒng)減無(wú)功負(fù)荷。

有功負(fù)荷低于一定門檻值后，由運(yùn)行人員將Mark VI投入恒無(wú)功模式，將無(wú)功負(fù)荷給定值設(shè)為零，控制勵(lì)磁系統(tǒng)減無(wú)功負(fù)荷到零，由勵(lì)磁裝置判斷有功負(fù)荷、無(wú)功負(fù)荷均低于門檻值且有MARK VI系統(tǒng)發(fā)來(lái)的停機(jī)指令(L94X1)后動(dòng)作出口解列。

這一點(diǎn)區(qū)別于常規(guī)機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)只接收無(wú)功負(fù)荷減載命令減無(wú)功負(fù)荷，勵(lì)磁裝置作為停機(jī)過(guò)程中解列指令的發(fā)出者，既要?jiǎng)幼鳒?zhǔn)確，還要防止誤動(dòng)。

發(fā)電機(jī)解列后一段時(shí)間，勵(lì)磁系統(tǒng)根據(jù)MARK VI系統(tǒng)停機(jī)指令(L94X1)繼續(xù)自動(dòng)完成下列操作：逆變停機(jī)，將機(jī)端電壓減小到零；分勵(lì)磁電源開關(guān)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置退出運(yùn)行，最終完成燃機(jī)發(fā)電機(jī)組的停機(jī)流程。相關(guān)停機(jī)流程如圖3所示。

3 改造方案及試驗(yàn)

3.1 改造方案

針對(duì)該型機(jī)組的特點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，改造方案為：PSVR 100發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)柜1面(即燃機(jī)勵(lì)磁控制盤)，柜內(nèi)布置滿足該燃機(jī)啟?？刂埔蟮碾p套發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置，一主一熱備；雙套三相全控整流橋并列運(yùn)行；增加1套就地勵(lì)磁人機(jī)界面(HMI)監(jiān)控系統(tǒng)以及與MARK VI系統(tǒng)配合所需的全套接口回路(包括1套發(fā)電機(jī)測(cè)控變送器、同期控制回路、保護(hù)出口回路等)。

圖3 停機(jī)流程Fig.3 Shutdown process

根據(jù)該型燃機(jī)無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)的特點(diǎn)，基于成熟的啟停控制策略和交互式設(shè)計(jì)理念，對(duì)PSVR 100勵(lì)磁系統(tǒng)功能進(jìn)行優(yōu)化和拓展，并進(jìn)行靜態(tài)及動(dòng)態(tài)啟停過(guò)程模擬，實(shí)現(xiàn)與原Mark VI設(shè)備快速交互控制、一鍵啟停等功能。

該燃機(jī)無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)為常規(guī)二機(jī)一變勵(lì)磁系統(tǒng)，由于勵(lì)磁機(jī)時(shí)間常數(shù)較大，PSVR 100勵(lì)磁系統(tǒng)使用如圖4所示的傳遞函數(shù)，采用了轉(zhuǎn)子電壓負(fù)反饋，以減少勵(lì)磁機(jī)的時(shí)間常數(shù)，將常規(guī)勵(lì)磁系統(tǒng)改造成為接近快速勵(lì)磁系統(tǒng)水平，提高了發(fā)電機(jī)及電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。

圖4 調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)Fig.4 Regulator transfer function

PSRV 100勵(lì)磁系統(tǒng)配有專用的HMI，其配置如圖5所示。該人機(jī)界面能夠就地顯示雙套勵(lì)磁裝置的狀態(tài)和信息；可方便進(jìn)行定值修改、試驗(yàn)操作、錄波查詢等功能；界面友好，易操作，可提高現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試效率，方便運(yùn)行人員維護(hù)[1]。

圖5 HMI配置Fig.5 HMI configuration

3.2 相關(guān)試驗(yàn)

改造完成后對(duì)新的勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行了靜態(tài)模擬及動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。靜態(tài)試驗(yàn)包括勵(lì)磁屏柜內(nèi)開入開出傳動(dòng)、模擬量通道校驗(yàn)、保護(hù)校驗(yàn)、小電流試驗(yàn)、邏輯功能聯(lián)調(diào)等。動(dòng)態(tài)試驗(yàn)分為空載試驗(yàn)及負(fù)載試驗(yàn)，空載動(dòng)態(tài)試驗(yàn)包括零起升壓、階躍、逆變、通道切換、自動(dòng)手動(dòng)切換及各種保護(hù)限制功能及滅磁試驗(yàn)等，負(fù)載動(dòng)態(tài)試驗(yàn)包括并網(wǎng)帶負(fù)荷、通道切換、低勵(lì)進(jìn)相、調(diào)差等試驗(yàn)。選取部分靜態(tài)、動(dòng)態(tài)試驗(yàn)如下。

該型機(jī)組勵(lì)磁方式為兩機(jī)一變勵(lì)磁，可以利用勵(lì)磁變作為小電流試驗(yàn)所需電源，在確保設(shè)備和人員安全的情況下還可直接利用勵(lì)磁繞組作為負(fù)載進(jìn)行小電流試驗(yàn)。該試驗(yàn)方式可驗(yàn)證勵(lì)磁系統(tǒng)主回路的正確性，并可直接驗(yàn)證手動(dòng)環(huán)(恒電流模式PID)的調(diào)節(jié)性能。

邏輯功能聯(lián)調(diào)作為靜態(tài)試驗(yàn)的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，模擬燃機(jī)啟停過(guò)程中對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)的配合情況進(jìn)行校驗(yàn)。由于MARK VI系統(tǒng)所需的發(fā)電機(jī)電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率等相關(guān)電氣量(DC 4～20 mA)來(lái)自于勵(lì)磁屏柜內(nèi)測(cè)控變送器，因此利用繼電保護(hù)測(cè)試儀對(duì)勵(lì)磁屏柜相關(guān)端子外加模擬量，模擬出發(fā)電機(jī)建壓，帶有功功率、無(wú)功功率等工況。該試驗(yàn)還需分散控制系統(tǒng)(DCS)熱控專業(yè)人員配合將MARK VI系統(tǒng)內(nèi)的一些DI，DO量根據(jù)需要進(jìn)行強(qiáng)制，配合繼電保護(hù)測(cè)試儀，驗(yàn)證勵(lì)磁系統(tǒng)在燃機(jī)啟停過(guò)程中的邏輯功能是否正確。

相關(guān)空載試驗(yàn)波形如圖6所示。 圖6a為自動(dòng)建壓試驗(yàn)波形，設(shè)定目標(biāo)值95%額定機(jī)端電壓，步長(zhǎng)每秒10%，建壓過(guò)程中超調(diào)量為0.253%；圖6b為階躍響應(yīng)(±5%)試驗(yàn)波形，設(shè)定100%額定機(jī)端電壓下給定階躍量5%，試驗(yàn)按先下階躍再上階躍方式，計(jì)算出上階躍上升時(shí)間0.52 s，調(diào)節(jié)時(shí)間2.40 s，階躍過(guò)程中超調(diào)量為7.533%，無(wú)振蕩，試驗(yàn)結(jié)果均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求[2]。

圖6 空載試驗(yàn)波形Fig.6 No-load test waveform

電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)采用PSS2B的模型，如圖7所示，將經(jīng)過(guò)掃頻試驗(yàn)后確定的PSS參數(shù)固化到裝置，分別進(jìn)行PSS功能投/退試驗(yàn)。圖8為PSS功能投退情況下階躍有功功率錄波，根據(jù)試驗(yàn)波形可看出，PSS投入后發(fā)電機(jī)的有功功率振蕩得到了明顯抑制，增加了勵(lì)磁系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，波形振蕩頻率變化符合要求，阻尼比有較大提高， PSS作用正確[3]。

圖7 PSS2B模型Fig.7 PSS2B model

圖8 PSS功能投退情況下階躍有功功率錄波Fig.8 Step active power recording with/without PSS

上述靜態(tài)試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果表明，國(guó)產(chǎn)化PSVR 100發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)能夠滿足該9E 燃機(jī)及類似機(jī)組的運(yùn)行及啟停要求，調(diào)節(jié)控制性能優(yōu)良，相關(guān)保護(hù)邏輯功能動(dòng)作準(zhǔn)確。

4 結(jié)論

PSVR100發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)成功地實(shí)現(xiàn)了在奉賢發(fā)電公司9E燃機(jī)#11，#21機(jī)組的國(guó)產(chǎn)化改造。近1年來(lái)，PSVR100勵(lì)磁系統(tǒng)各項(xiàng)控制性能良好，通過(guò)各種運(yùn)行工況的考驗(yàn)，運(yùn)行平穩(wěn)，與MARKVI系統(tǒng)交互配合良好，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，機(jī)組啟停正常，獲得了用戶的認(rèn)可和好評(píng)。與改造前相比，大大提高了機(jī)組的可靠性，縮短了維護(hù)響應(yīng)時(shí)間，降低了勵(lì)磁設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。

9E燃機(jī)無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)的成功國(guó)產(chǎn)化改造表明，PSVR 100勵(lì)磁系統(tǒng)各項(xiàng)性能優(yōu)越，運(yùn)行穩(wěn)定，保護(hù)和控制性能符合國(guó)家及行業(yè)勵(lì)磁標(biāo)準(zhǔn)，滿足燃機(jī)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的各項(xiàng)技術(shù)要求，打破了進(jìn)口設(shè)備的技術(shù)壟斷，實(shí)現(xiàn)了9E燃機(jī)無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)以及該類電力控制設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化，為國(guó)內(nèi)很多相同或類似機(jī)組提供了更多、更好的選擇，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著。