6 MW發(fā)電機(jī)逆功率運(yùn)行分析及技術(shù)改造

李海波

（云南天安化工有限公司，云南安寧 650309）

云南天安化工有限公司（以下簡稱天安公司）一期800 kt/a硫酸裝置于2003年竣工開車，裝置利用焚硫余熱鍋爐產(chǎn)生的中壓蒸汽配套建設(shè)1套6 MW發(fā)電機(jī)機(jī)組。自運(yùn)行以來回收余熱發(fā)電量可觀，以2019年11月29日至2020年11月29日發(fā)電量計算，發(fā)電量可達(dá) 7 990 000 kWh/a，折合人民幣約295萬元/a，經(jīng)濟(jì)效益顯著。然而，近幾年裝置運(yùn)行過程中發(fā)生過多次發(fā)電機(jī)逆功率運(yùn)行的情況，不僅影響了公司電網(wǎng)的正常運(yùn)行，而且還造成汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片損壞事故，給天安公司帶來一定的損失。

1 主要存在問題及分析

1.1 現(xiàn)象描述

天安公司一期6 MW發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行中，同期屏監(jiān)測表計測量值正常時有功和無功顯示均為正值（第一象限），但在運(yùn)行過程中出現(xiàn)了有功功率為負(fù)值，無功功率為正值的現(xiàn)象，發(fā)電機(jī)的運(yùn)行由正常的發(fā)電機(jī)狀態(tài)（第一象限）過渡到不正常的逆功率運(yùn)行狀態(tài)（第二象限），如圖1所示[1]。由于逆功率值很小，電網(wǎng)的頻率和電壓都能滿足電網(wǎng)系統(tǒng)的要求，在此不正常狀態(tài)下檢查發(fā)現(xiàn)：汽輪機(jī)速關(guān)閥已經(jīng)關(guān)閉，發(fā)電機(jī)并網(wǎng)柜斷路器未分閘，勵磁系統(tǒng)運(yùn)行正常。PLC控制器程序檢查發(fā)現(xiàn)，速關(guān)閥行程觸點(diǎn)“關(guān)”信號來反饋到PLC。

1.2 逆功率運(yùn)行原因分析

如圖1所示，定義發(fā)電機(jī)發(fā)出有功和發(fā)出無功為正方向，即功率方向由發(fā)電機(jī)流向電網(wǎng)系統(tǒng)方向，由于發(fā)電機(jī)速關(guān)閥關(guān)閉，聯(lián)鎖限位觸點(diǎn)信號未進(jìn)入PLC，所以主聯(lián)鎖并未動作，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)并網(wǎng)柜未跳閘，勵磁系統(tǒng)運(yùn)行正常。

圖1 發(fā)電機(jī)的四象限運(yùn)行

發(fā)電機(jī)在失去原動力的情況下，功率方向變?yōu)橛上到y(tǒng)方向流向發(fā)電機(jī)，此時發(fā)電機(jī)不能向系統(tǒng)發(fā)出有功功率，反而從系統(tǒng)吸收一部分有功來維持發(fā)電機(jī)本身運(yùn)轉(zhuǎn)。由于勵磁系統(tǒng)正常跟蹤運(yùn)行，發(fā)電機(jī)仍然輸出無功功率，這時發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)吸收有功，發(fā)出無功，變?yōu)橥诫妱訖C(jī)運(yùn)行，即發(fā)電機(jī)進(jìn)入逆功率運(yùn)行狀態(tài)。

1.3 發(fā)電機(jī)逆功率運(yùn)行的危害

1.3.1 對電力系統(tǒng)的不良影響

電力系統(tǒng)的頻率僅當(dāng)發(fā)電機(jī)的總有功出力與總有功負(fù)荷(包括電網(wǎng)的所有損耗)相等時，才能保持不變。當(dāng)發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)吸收有功，正常發(fā)出無功時，如果系統(tǒng)有功功率缺額大于系統(tǒng)有功備用容量的數(shù)值較多，則電網(wǎng)的運(yùn)行頻率就不能穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)下降。如果不能采取緊急措施，及時切除相應(yīng)容量的有功負(fù)荷，則系統(tǒng)將走向頻率崩潰。逆功率現(xiàn)象在中大型發(fā)電機(jī)組中對電網(wǎng)的影響十分明顯，而且造成系統(tǒng)瓦解的可能性很大。

當(dāng)系統(tǒng)有功功率占比過低，無功功率占比過大時，會導(dǎo)致線損增加、容量下降、設(shè)備使用率下降，從而導(dǎo)致電能浪費(fèi)加大。

由于該發(fā)電機(jī)組較小，公司電網(wǎng)容量較大，出現(xiàn)逆功率時只有400 kW左右，對公司電網(wǎng)的影響不太敏感。但是這種不正常的運(yùn)行狀態(tài)是極其危險的，原則上是不允許出現(xiàn)的運(yùn)行狀態(tài)。

1.3.2 對汽輪機(jī)的不良影響

當(dāng)發(fā)電機(jī)主汽門關(guān)閉(速關(guān)閥關(guān)閉)，失去原動力時，發(fā)電機(jī)變?yōu)殡妱訖C(jī)帶動汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，汽輪機(jī)葉片在無蒸汽情況下高速旋轉(zhuǎn)會引起鼓風(fēng)摩擦，特別是末級葉片可能會引起過熱，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子葉片損壞[2-3]。

1.4 原因查找

發(fā)電機(jī)聯(lián)鎖為：速關(guān)閥關(guān)閉信號通過限位開關(guān)干接點(diǎn)信號引至PLC，PLC經(jīng)過邏輯運(yùn)算后發(fā)跳機(jī)信號至發(fā)電機(jī)并網(wǎng)柜和勵磁柜滅磁，并網(wǎng)柜斷路器分閘，主聯(lián)鎖邏輯見圖2。由于速關(guān)閥關(guān)閉信號是由限位的干接點(diǎn)信號引至PLC，當(dāng)限位開關(guān)觸點(diǎn)故障，或是速關(guān)閥行程桿發(fā)生位移，都會導(dǎo)致主汽門開關(guān)信號拒動，聯(lián)鎖失效，引起發(fā)電機(jī)逆功率運(yùn)行。

經(jīng)過查實，主汽門關(guān)閉時，多次出現(xiàn)速關(guān)閥行程桿發(fā)生位移但行程開關(guān)不動的現(xiàn)象，聯(lián)鎖限位開關(guān)觸點(diǎn)沒有斷開，PLC未接收到主汽門關(guān)閉信號，未聯(lián)鎖跳并網(wǎng)柜，同時機(jī)組沒有設(shè)置及啟用逆功率保護(hù)，導(dǎo)致了發(fā)電機(jī)發(fā)生逆功率運(yùn)行。

圖2 發(fā)電機(jī)的主要聯(lián)鎖邏輯現(xiàn)狀

2 解決方案

2.1 方案論證

由于聯(lián)鎖實現(xiàn)利用限位開關(guān)觸點(diǎn)信號，屬于機(jī)械式聯(lián)鎖，存在很大的隱患，極易出現(xiàn)拒動作，造成發(fā)電機(jī)逆功率運(yùn)行。故改造方案需要從發(fā)電機(jī)運(yùn)行參數(shù)上根本解決發(fā)電機(jī)的逆功率問題。2019年9月原保護(hù)器多次死機(jī)和誤動作，考慮和其他幾臺發(fā)電機(jī)統(tǒng)一備件，相繼改造成G30保護(hù)器。通過和G30廠家溝通，其保護(hù)器可以實現(xiàn)“逆功率保護(hù)”功能，通過參數(shù)整定實現(xiàn)發(fā)電機(jī)逆功率運(yùn)行的保護(hù)。

G30保護(hù)器逆功率設(shè)置按電壓電流互感器的計算視在功率為基準(zhǔn)，通過標(biāo)幺值算法整定計算公式如下：

式中：Smin——逆功率保護(hù)定值（標(biāo)幺值，以發(fā)電機(jī)容量為基準(zhǔn)）；

Pe——發(fā)電機(jī)額定功率，W；

I1——單相電流互感器原邊繞組額定電流，A；

nTV——單相電壓互感器變比；

U2——單相電壓互感器二次電壓，V。

2.2 方案試驗

2.2.1 試驗數(shù)據(jù)計算

2.2.1.1 G30整定算法

根據(jù)G30保護(hù)器的給定整定計算公式，按發(fā)電機(jī)額定有功功率6 000 kW，電流互感器原邊額定電流1 000 A計算，得到逆功率保護(hù)定值如下：

按照上述G30給定公式計算所得，折算為逆功率一次值為 ：0.288×3×1 000×60×57.74=2 993.2 kW。這個值相對于6 000 kW顯然過大，不適合實際應(yīng)用，主要是因為逆功率保護(hù)針對200 MW以上機(jī)組設(shè)定，G30整定計算模型偏向于大機(jī)組。針對小型發(fā)電機(jī)組經(jīng)驗值更適合保護(hù)整定[4-5]。

2.2.1.2 經(jīng)驗算法

一般的發(fā)電機(jī)逆功率經(jīng)驗動作考慮發(fā)電機(jī)銅損加鐵損和機(jī)械損，用DL/T 684—2012《大型發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定計算導(dǎo)則》中公式進(jìn)行計算：

式中：Krel——可靠系數(shù)，取0.5～0.8，因未與主汽門輔助接點(diǎn)閉鎖，建議Krel取最大值；

P1——汽輪機(jī)在逆功率運(yùn)行時的最小損耗，一般取額定功率的2%～4%，因未與主汽門輔助接點(diǎn)閉鎖，建議P1取最大值；

P2——發(fā)電機(jī)在逆功率運(yùn)行時的最小損耗，一般取P2≈(1-η)×Pe，其中η為發(fā)電機(jī)效率，Pe為發(fā)電機(jī)額定功率；

經(jīng)驗計算值為364.8 kW，保守整定取300 kW。

2.2.1.3 G30保護(hù)實際整定值

由于G30保護(hù)整定值為標(biāo)幺值，所以按照其給定公式將300 kW整定值反算為標(biāo)幺值，即

2.2.2 試驗結(jié)果

通過計算一次值300 kW，發(fā)電機(jī)單相功率為8.3 W，二次電壓 57.74 V，二次電流 0.144 A，功率因素為1，功率方向為發(fā)電機(jī)指向母線。對G30保護(hù)器試驗，試驗結(jié)果見表1。

表1 G30保護(hù)器逆功率保護(hù)試驗情況

通過試驗，確定了逆功率保護(hù)定值為：二次整定 0.028 8 pu，動作時限 0.5 s跳閘，發(fā)電機(jī) G30保護(hù)器內(nèi)部提供的“逆功率保護(hù)”功能，能實現(xiàn)發(fā)電機(jī)逆功率運(yùn)行的保護(hù)，該方案可行。

3 技術(shù)改造

3.1 技術(shù)實現(xiàn)

在圖2中可知，發(fā)電機(jī)G30保護(hù)器電氣保護(hù)出口聯(lián)鎖跳閘是純電氣保護(hù)與外部聯(lián)鎖跳閘形成統(tǒng)一協(xié)調(diào)，即不管外部動作還是保護(hù)動作都能實現(xiàn)跳機(jī)功能，并且逆功率保護(hù)獨(dú)立于聯(lián)鎖跳機(jī)之外。只需在G30保護(hù)器內(nèi)部啟用逆功率保護(hù)，通過參數(shù)設(shè)置就能實現(xiàn)發(fā)電機(jī)逆功率運(yùn)行保護(hù)，具體邏輯見圖3。

圖3 聯(lián)鎖改進(jìn)邏輯

由于發(fā)電機(jī)在并網(wǎng)初期可能會出現(xiàn)短暫的逆功率情況，只有在發(fā)電機(jī)開到正常情況下才能投入逆功率保護(hù)，提高發(fā)電機(jī)并網(wǎng)的成功率，所以在保護(hù)器逆功率保護(hù)出口必須加裝“連接片”，以便實現(xiàn)逆功率保護(hù)的投切功能。

3.2 技術(shù)實施

2020年10 月發(fā)電機(jī)停車期間，將G30保護(hù)器P2c、P2b常開點(diǎn)作為逆功率保護(hù)輸出點(diǎn)，接入保護(hù)器保護(hù)出口點(diǎn)。逆功率保護(hù)動作點(diǎn)如圖4所示，在回路中加入了連接片XB6，以此實現(xiàn)逆功率保護(hù)的投切功能。

圖4 逆功率保護(hù)改造控制回路原理

將逆功率保護(hù)器整定值錄入G30保護(hù)器，即逆功率保護(hù)對話框 Stage 1 SMIN 設(shè)置為 ：0.028 86 pu，Stage 1 Dela 設(shè)置為 y ：0.5 s；Stage 2 SMIN 設(shè)置 為 ：0.028 86 pu，Stage 2 Delay 設(shè) 置 為 ：0.5 s。經(jīng)過模擬試車和開車階段的試車工作，逆功率保護(hù)動作正常。主保護(hù)試驗后能夠保證其動作的可靠性。

3.3 效果驗證

發(fā)電機(jī)逆功率保護(hù)改造實施后，發(fā)電機(jī)運(yùn)行正常。2020年9月由于工藝調(diào)整主汽門開度不當(dāng)，導(dǎo)致主汽門進(jìn)氣量驟減（接近于關(guān)閉狀態(tài)），發(fā)電機(jī)跳停。調(diào)取保護(hù)器動作值參數(shù)：逆功率值為0.035 60 pu（大于整定值0.028 86 pu），折算到一次值為370 kW，G30保護(hù)器逆功率保護(hù)出口跳閘。

此次逆功率保護(hù)正確動作，充分說明小型發(fā)電機(jī)組增加逆功率保護(hù)的必要性，同時證明此次改造取得了效果，保證了電力系統(tǒng)穩(wěn)定，保護(hù)了汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片。

4 結(jié)語

發(fā)電機(jī)逆功率運(yùn)行不僅對汽輪機(jī)葉片會造成危害，而且還會影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。天安公司針對一期6 MW發(fā)電機(jī)加入電氣逆功率保護(hù)功能，有效杜絕了發(fā)電機(jī)的逆功率運(yùn)行，同時保證了電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。天安公司共有小型發(fā)電機(jī)組5套，此次改造的成功也為其他機(jī)組完善保護(hù)提供了實踐經(jīng)驗。