異步發(fā)電機轉(zhuǎn)向試驗的安全措施分析

李海存

（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（以下簡稱天安化工）3套硫磺制酸裝置共有4臺同步發(fā)電機和3套汽輪機驅(qū)動風(fēng)機，發(fā)電機為6 MW中壓發(fā)電機2臺、12 MW凝汽式低壓發(fā)電機1臺、12 MW抽背式中壓發(fā)電機1臺。汽輪機驅(qū)動風(fēng)機為一期800 kt/a硫酸裝置風(fēng)機（國產(chǎn)）、二期300 kt/a硫酸裝置風(fēng)機和二期800 kt/a硫酸裝置風(fēng)機（進口）。目前除裝置正常生產(chǎn)使用的蒸汽外，富余蒸汽用來發(fā)電。3.2 MPa中壓裝機容量24 MW，正常發(fā)電負荷約12 MW；0.6 MPa低壓余熱裝機容量12 MW，正常發(fā)電負荷約9 MW。按照電價0.3元/kWh、每年運行300 d計算，可節(jié)約電費約4 536萬元/a。

中壓發(fā)電機和驅(qū)動風(fēng)機汽輪機進口蒸汽壓力3.2 MPa，出口蒸汽壓力 0.6 MPa。0.6 MPa 低壓蒸汽有2個用途：主要供給磷酸裝置的濃縮工序生產(chǎn)使用，剩余蒸汽進入1臺12 MW凝汽式低壓發(fā)電機發(fā)電。在濕法磷酸裝置濃縮工序，石墨換熱器使用的蒸汽壓力為0.2 MPa，目前是通過噴射脫鹽水的減溫減壓裝置將0.6 MPa蒸汽減壓到0.2 MPa，減溫減壓過程中有大量的熱能被浪費。經(jīng)過某設(shè)計院測算，可設(shè)置3臺3.15 MW異步發(fā)電機代替?zhèn)鹘y(tǒng)的減溫減壓裝置，將0.6 MPa蒸汽減溫減壓到0.2 MPa，同時用于發(fā)電回收余熱。

按照目前的蒸汽量計算，每臺異步發(fā)電機按2 400 kW發(fā)電負荷運行，按照電價0.3元/kWh、每年運行300 d計算，可節(jié)約電費約1 555萬元/a。項目投資約3 800萬元，項目資金回收期不超過2年，投資預(yù)期效果良好。

1 異步發(fā)電轉(zhuǎn)向試驗必要性

同步發(fā)電機轉(zhuǎn)差率S=0，有配套的勵磁系統(tǒng)，可以通過沖轉(zhuǎn)、勵磁升壓后在并網(wǎng)柜處核對發(fā)電機和電力系統(tǒng)的相序正確性。異步發(fā)電機不可能裝設(shè)配套的勵磁系統(tǒng)，只能依靠轉(zhuǎn)差率建立定子與轉(zhuǎn)子之間能量轉(zhuǎn)換的磁場。采取異步發(fā)電機并電網(wǎng)的發(fā)電方式，其正常運行就必須從電網(wǎng)吸收無功功率才能建立定子和轉(zhuǎn)子之間的磁場。從異步電動機的機械特性曲線（見圖1）可以看出：在第一象限中電動機處于電動狀態(tài)，其額定轉(zhuǎn)速ne不會超過同步轉(zhuǎn)速n0；當(dāng)電動機轉(zhuǎn)子在其自然轉(zhuǎn)向基礎(chǔ)上繼續(xù)升速超過同步轉(zhuǎn)速n0時，電動機運行狀態(tài)進入第二象限，運行狀態(tài)轉(zhuǎn)為異步發(fā)電狀態(tài)，即當(dāng)汽輪機推動異步發(fā)電機轉(zhuǎn)子超過同步轉(zhuǎn)速才能發(fā)電[1]。轉(zhuǎn)向試驗的目的就是要保證發(fā)電狀態(tài)時汽輪機推動轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向要和電動機狀態(tài)時的自然轉(zhuǎn)向一致[2]。若2個轉(zhuǎn)向不一致，會導(dǎo)致待并側(cè)和系統(tǒng)側(cè)的兩相短路和機組軸系的嚴(yán)重機械事故。

圖1 異步電動機的機械特性曲線

2 異步發(fā)電機轉(zhuǎn)向時存在問題

異步發(fā)電機確認(rèn)自然轉(zhuǎn)向時，需要當(dāng)作電動機狀態(tài)啟動一次（不必完成啟動全過程）。相對一般的電動機容量，異步發(fā)電機機組容量比較大，其脫開汽輪機直接空載啟動需要從電網(wǎng)吸收大量的無功。因此，異步發(fā)電機當(dāng)作異步電動機狀態(tài)直接空載啟動過程中，可能會出現(xiàn)電力系統(tǒng)的電壓暫降、母線電流過大等問題。如果異步發(fā)電機容量特別大，在其啟動過程中極有可能導(dǎo)致系統(tǒng)母線電壓降深度過大，可能會由于電壓暫降使在網(wǎng)運行其他電動機發(fā)生低電壓動作保護跳閘。此外，還有可能因啟動電流過大、時間過長導(dǎo)致母線進線開關(guān)速斷保護，或者帶時限過電流保護動作跳開進線柜，進而擴大影響范圍。

3 異步發(fā)電機轉(zhuǎn)向試驗前的措施

異步發(fā)電機轉(zhuǎn)向試驗主要會引起母線電壓暫降和過電流，其主要原因是由于啟動過程中吸收大量的無功。在轉(zhuǎn)向試驗前可以采取提高系統(tǒng)母線電壓或者增加系統(tǒng)的無功功率儲量的措施，對此，轉(zhuǎn)向試驗前可采取的措施有：

1）如果并網(wǎng)接入點母線上有同步發(fā)電機或者同步電動機運行，可強制加勵磁降低發(fā)電機功率因數(shù)（超前），抬高母線運行電壓，但一般不超過電網(wǎng)標(biāo)稱電壓的1.05倍，即抬高至系統(tǒng)的平均電壓1.05 Un（Un為電網(wǎng)標(biāo)稱電壓）。

2）一般異步發(fā)電機都裝設(shè)有電容補償裝置，可在試驗前手動投入電容器，以提升母線電壓至系統(tǒng)電壓的平均電壓水平。

3）電源側(cè)降壓站有載調(diào)壓主變壓器，改變變壓器的檔位，提升母線電壓水平。

4）如果同一母線上有比異步發(fā)電機容量還大的直接啟動的電動機，可以不進行電壓降核算，但最好減負荷或者空母線試驗轉(zhuǎn)向。

5）計算母線電壓降是否滿足要求，同時核算進線斷路器的速斷和過電流保護定值，如果不滿足要求就要采取減負荷的方式使用空母線，并設(shè)置零時繼電保護整定值，確保不影響上級供電系統(tǒng)的正常運行。

6）如果以上措施均不能保障異步發(fā)電機轉(zhuǎn)向試驗要求，可采取串入臨時電抗器的方式降壓啟動。

以上幾點措施主要是增加系統(tǒng)的無功功率或者增加PCC點的短路容量，提升母線電壓。進一步梳理各項措施之間的邏輯關(guān)系見圖2，可以單獨采取一種措施也可以多項措施并舉。

圖2 轉(zhuǎn)向試驗措施步驟確認(rèn)邏輯

4 轉(zhuǎn)向試驗前的電壓降核算和保護定值核對

4.1 電力系統(tǒng)概述

3臺3.15 MW異步發(fā)電機發(fā)出的電能通過電纜線路接入302配電室6 kV I段高壓母線，達到就地消耗電能的目的。多余的電能再反饋回總降壓站6 kV系統(tǒng)消耗，PCC點即為302配電室的6 kV I段母線。異步發(fā)電機系統(tǒng)見圖3。

圖3 異步發(fā)電機系統(tǒng)示意

4.2 PCC點的母線電壓降和啟動電流計算

按照最嚴(yán)苛條件進行核算，即PCC點（302配電室6 kV I段母線）帶本段負荷正常運行，母線上無電容器投入，PCC點最小運行方式下如果校驗通過，則其他情況下保證能正常運行。母線電壓降計算如下[3]。

4.3 核算啟動時電壓降是否滿足要求

啟動時母線電壓值（線電壓）計算如下：

母線上電動機低電壓整定值（線電壓）計算如下：

得出結(jié)論：UstB＞Uop滿足要求，可以直接啟動。

4.4 302配電室6 kV進線601開關(guān)保護定值驗證

母線上設(shè)備正常運行時進線開關(guān)經(jīng)過的運行電流值為：

異步發(fā)電機啟動時，進過601開關(guān)的負荷電流峰值為：

根據(jù)電動機啟動特性曲線，其啟動峰值電流在2～4 s。

各級開關(guān)柜保護定值與計算值比較見表1。

表1 各級開關(guān)柜保護定值與計算值比較判斷

轉(zhuǎn)向試驗主要保證上級開關(guān)601不動作，“過電流”保護在按照6.5倍啟動倍數(shù)計算時可能不通過，在確保不跳閘又保證上下幾個梯級配合的情況下，修改601開關(guān)的過電流保護動作值為2（3200）A，延時時間為1.5 s。其他下級開關(guān)動作不影響PCC點的正常運行。

由于轉(zhuǎn)向試驗沒必要要求電動機進入穩(wěn)定狀態(tài)，異步電動機柜的“過負荷”保護雖然可能在峰值過后超過6 s但還沒有下降到400 A的設(shè)定值而跳閘，但電動機的旋轉(zhuǎn)方向已經(jīng)足以確認(rèn)，所以其“過負荷”保護整定值可不做試驗階段的臨時修改。

4.5 加強措施計算方式

按照4.2節(jié)計算，在加強保障措施時計算方法如下：①考慮投入同步發(fā)電機或同步電動機時等于提高了系統(tǒng)的短路容量，應(yīng)核算到計算式中；②考慮投入無功補償設(shè)備（電容器組）時，相當(dāng)于減小了預(yù)計負荷，應(yīng)核算到計算式中，需要注意的是投入無功補償應(yīng)在基礎(chǔ)上減去相應(yīng)的投入無功負荷；③考慮PCC點停運正常負荷時，相當(dāng)于減小了預(yù)計負荷應(yīng)核算到計算式中；④在改變變壓器分接頭提升母線電壓時，如果電網(wǎng)無功缺額較大，母線電壓提升不明顯；如果電網(wǎng)無功充足，其效果明顯，改變分接頭實際上減小了PCC點的短路阻抗，相當(dāng)于提升了PCC點的短路容量，計算時應(yīng)核算到計算中，其計算復(fù)雜，不在此贅述。

以上措施可以同時采用，有些異步發(fā)電系統(tǒng)在設(shè)計時機組容量會超過10 MW，其啟動電流非常大，但如果采取措施后計算結(jié)果仍不滿足直接啟動要求，則需要考慮采取串入臨時電抗器的方式降壓啟動。一般確認(rèn)異步發(fā)電機轉(zhuǎn)向時不必完成整個啟動過程，也就是說可以采取點動的方式確認(rèn)轉(zhuǎn)向。如果系統(tǒng)容量確實不滿足直接啟動轉(zhuǎn)向試驗時，可在保證PCC點不跳閘的情況下將異步發(fā)電機回路中的其他開關(guān)柜（如645、6001、6003）保護動作值設(shè)置得更加保守，寧可犧牲異步發(fā)電回路的跳閘也要保證PCC點的正常。

5 實際轉(zhuǎn)向試驗的記錄數(shù)據(jù)和分析

5.1 試驗數(shù)據(jù)記錄

建議試驗采用電磁式電壓表和電流表。轉(zhuǎn)向試驗過程中發(fā)現(xiàn)尖峰電流時刻滿足直起要求，對系統(tǒng)影響較小，天安化工的轉(zhuǎn)向試驗完成了整個啟動過程?？蛰d試驗數(shù)據(jù)為：

1）啟動時間 5.5～6.5 s，啟動尖峰電流 1 850 A。

2）空載運行電流60 A，空載有功消耗60 kW，空載無功消耗 650 kVar。

3）空載啟動時母線電壓降約為0.7 kV，即母線電壓 5.3 kV。

試驗轉(zhuǎn)向和汽輪機推動轉(zhuǎn)向一致，滿足項目投產(chǎn)運行需求。如果發(fā)電機的自然轉(zhuǎn)向與汽輪機推動轉(zhuǎn)向不一致，可在機端或者并網(wǎng)柜6003的出線側(cè)調(diào)相序即可。

5.2 空載試驗數(shù)據(jù)分析

試驗階段601、645、6001和6003開關(guān)柜保護器無保護動作記錄，即試驗階段臨時保護整定值滿足試驗要求。

啟動電流倍數(shù)為1 850÷344.1=5.4倍（相當(dāng)于5.5倍），其數(shù)值小于計算時的6.5倍。計算母線電壓為5.26 kV（實際值為5.3 kV）?？紤]到計算時部分阻抗的計算誤差和倍數(shù)取高，因此在啟動時母線電壓稍高于計算值。

從空載電流、有功和無功的消耗角度看，電動機空載運行的功率因素極低，主要消耗大量的無功?？紤]同步電動機提供的系統(tǒng)容量、手動投入無功補償、調(diào)整變壓器分接頭和減正常負荷都是直接有效可行的措施手段。

6 結(jié)語

異步發(fā)電機能量轉(zhuǎn)化效率明顯高于同步發(fā)電機，特別是在低壓蒸汽系統(tǒng)中其優(yōu)勢更加明顯，近幾年發(fā)展趨勢非常好。同步發(fā)電機正常發(fā)機時既發(fā)有功同時也發(fā)無功，對電力系統(tǒng)造成的影響不是很大。但是異步發(fā)電機沒有專門的勵磁系統(tǒng)，在發(fā)電狀態(tài)要想完成電磁交換就需要從電網(wǎng)中吸收大量的無功，這對電網(wǎng)的電壓造成了很大的影響，雖然采取了增加無功補償?shù)姆绞接行浹a了一部分電網(wǎng)無功的缺額，但其補償?shù)目焖傩院头€(wěn)定性仍是一個待研究課題。天安化工完成了異步發(fā)電轉(zhuǎn)向現(xiàn)場試驗，驗證了異步發(fā)電機代替?zhèn)鹘y(tǒng)的減溫減壓裝置的技術(shù)可行性，為下一步項目建設(shè)打下堅實的基礎(chǔ)。