淺談化工廠余熱汽輪發(fā)電機(jī)電氣系統(tǒng)的調(diào)試

付偉(中國(guó)五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430000)

0 引言

某公司在印尼以EPC模式承建的以硫磺為原料生產(chǎn)工業(yè)硫酸裝置，為回收利用生產(chǎn)過(guò)程中的廢熱，配套設(shè)計(jì)了1臺(tái)余熱蒸汽發(fā)電機(jī)組。在發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行前，必須對(duì)其做全面完整的調(diào)試和試驗(yàn)，以保證發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行和裝置的持續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)，減少外供電消耗，提高企業(yè)的能耗水平。

文章以該項(xiàng)目的發(fā)電機(jī)組電氣調(diào)試和并網(wǎng)過(guò)程為基礎(chǔ)，分析探討余熱汽輪發(fā)電機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試的重點(diǎn)和要點(diǎn)。

1 發(fā)電機(jī)的基本電氣信息

余熱蒸汽發(fā)電機(jī)的主要電氣參數(shù)如下：

(1)發(fā)電機(jī)及配套系統(tǒng)制造商：GE-A160A4；(2)電壓等級(jí)：6.3 kV；額定電流：1 887 A；頻率：50 Hz；(3)視在功率：20 588 kVA；有功功率：17.5 MW；(4)轉(zhuǎn)子級(jí)數(shù)：4；功率因素：0.85；(5)防護(hù)等級(jí)：IP54；絕緣等級(jí)：F；(6)繼電保護(hù)采用G60保護(hù)器，內(nèi)部冗余設(shè)計(jì)；同期和勵(lì)磁采用了DECS250系列的AVR裝置。

2 發(fā)電機(jī)系統(tǒng)冷態(tài)調(diào)試相關(guān)檢查

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，按照GB50150的要求對(duì)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)交接試驗(yàn)，主要包括[1]：

2.1 發(fā)電機(jī)絕緣和耐壓檢查

(1)測(cè)量定子繞組的絕緣電阻和吸收比或極化指數(shù)：首先打開(kāi)發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)連接端的短接銅排、斷開(kāi)PT的一次連接部分。分別測(cè)量相間和相對(duì)地的絕緣電阻。對(duì)于額定為6.3 kV的發(fā)電機(jī)，采用5 000 V絕緣搖表，分別測(cè)量15 s、60 s、1 min的絕緣電阻。該項(xiàng)目發(fā)電機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)記錄如表1所示。

表1 發(fā)電機(jī)絕緣阻值實(shí)測(cè)記錄

(2)測(cè)量定子繞組的直流電阻：定子繞組的直阻測(cè)量要求相間差別不超過(guò)其最小值的2%，與發(fā)電機(jī)出廠FAT報(bào)告中的差別不超過(guò)2%。

(3)定子繞組的交流耐壓試驗(yàn)：針對(duì)額定電壓為6.3 kV的發(fā)電機(jī)，試驗(yàn)電壓為(1+2*6.3)*0.8=10.88 kV。國(guó)外項(xiàng)目可依據(jù)IEC60034-15中4.4條規(guī)定，直接按FAT報(bào)告的80%完成交流耐壓試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)間均為1 min交流耐壓。

(4)測(cè)量轉(zhuǎn)子繞組的絕緣電阻：部分機(jī)組可利用轉(zhuǎn)子接地保護(hù)在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組引出的端子處進(jìn)行測(cè)量。如果實(shí)在無(wú)法測(cè)量，則可考慮取消該實(shí)驗(yàn)。如果以上實(shí)驗(yàn)均已完成且試驗(yàn)合格，特別是沿海項(xiàng)目，建議立刻將發(fā)電機(jī)的空間加熱器投入運(yùn)行，以保證發(fā)電機(jī)的絕緣不會(huì)因?yàn)槭艹钡纫蛩亟档汀?/p>

2.2 發(fā)電機(jī)的PT、CT的校驗(yàn)和檢查

發(fā)電機(jī)配套的PT和CT在發(fā)電機(jī)的保護(hù)、同期、勵(lì)磁各系統(tǒng)中扮演著舉足輕重的角色。應(yīng)按照GB50150要求完成如下校驗(yàn)和檢查：(1)PT、CT的絕緣電阻測(cè)試、直流電阻、變比、極性的檢查，要求現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量值與其銘牌的標(biāo)注相匹配。(2)根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙檢查確認(rèn)二次電壓/電流回路，利用繼電保護(hù)儀器分別給定模擬電流/電壓，完成二次電流/電壓回路檢查校驗(yàn)。(3)試驗(yàn)完成后，立刻對(duì)PT和CT的線路恢復(fù)檢查，避免開(kāi)路或者短接問(wèn)題。

2.3 發(fā)電機(jī)連鎖控制保護(hù)回路模擬試驗(yàn)

發(fā)電機(jī)的連鎖控制保護(hù)回路主要是通過(guò)跳汽輪機(jī)主汽門及發(fā)電機(jī)出線柜完成，因此在冷態(tài)調(diào)試期間需要逐個(gè)回路模擬動(dòng)作和檢查，確保所有回路接線正確、功能正常。

3 發(fā)電機(jī)熱態(tài)試車階段相關(guān)試驗(yàn)

小容量型的發(fā)電機(jī)組的電氣保護(hù)，一般包含：差動(dòng)電流保護(hù)、時(shí)限(速斷)過(guò)流保護(hù)、定子接地過(guò)流保護(hù)、失磁保護(hù)、過(guò)激勵(lì)保護(hù)、低電壓保護(hù)、過(guò)電壓保護(hù)、逆功率保護(hù)、失步保護(hù)、負(fù)荷不平衡保護(hù)、最大相阻抗保護(hù)等。以上試驗(yàn)需在熱態(tài)開(kāi)車階段進(jìn)行，即汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)完成后運(yùn)行至額定轉(zhuǎn)速的情況下進(jìn)行。下面僅就部分非常規(guī)試驗(yàn)進(jìn)行介紹。

3.1 發(fā)電機(jī)同期定相試驗(yàn)

為了有效避免發(fā)電機(jī)非同期合閘，必須通過(guò)發(fā)電機(jī)同期定相試驗(yàn)，使系統(tǒng)側(cè)電壓互感器和待并側(cè)電壓互感器處于同一個(gè)電源系統(tǒng)中，此時(shí)同期點(diǎn)斷路器兩側(cè)壓差、頻差和相角差均為零的狀態(tài)，檢查同期裝置能否準(zhǔn)確反映這一情況，即同期裝置采集的壓差、頻差和相角差均為零，同步表指示在零位。同期定相試驗(yàn)，一般采用發(fā)電機(jī)帶母線零起升壓法或系統(tǒng)倒送法。發(fā)電機(jī)帶空載母線升壓法是單獨(dú)騰空一條母線，進(jìn)行大量的倒閘操作和臨時(shí)措施。由于部分新建廠區(qū)無(wú)法騰空母線，因而忽略了同期定相試驗(yàn)的重要性。系統(tǒng)倒送法是拆開(kāi)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)短接點(diǎn)，通過(guò)系統(tǒng)倒送電至發(fā)電機(jī)機(jī)端PT進(jìn)行同源核相。這兩種方法各有優(yōu)勢(shì)，適用范圍和發(fā)變組系統(tǒng)的接線方式、同期點(diǎn)的設(shè)置和機(jī)組運(yùn)行特點(diǎn)有關(guān)。在印尼的某項(xiàng)目中采取了系統(tǒng)倒送電法，對(duì)同期系統(tǒng)進(jìn)行了檢查。該試驗(yàn)前需要確保發(fā)電機(jī)出口母線絕緣合格，相間無(wú)短路，具備送電條件。另外，打開(kāi)發(fā)電機(jī)定子線圈中性點(diǎn)的短接點(diǎn)，使得三相線圈獨(dú)立為三個(gè)線圈(如圖1所示)。

圖1 發(fā)電機(jī)定子中性點(diǎn)拆除前后對(duì)照

然后模擬合閘命令將發(fā)電機(jī)出口斷路器工作位合閘，將系統(tǒng)電倒送至發(fā)電機(jī)定子，此時(shí)同期點(diǎn)兩側(cè)的PT處于同一系統(tǒng)中，使用萬(wàn)用表在同期柜電壓端子處檢查二次電壓是否正常，同相間是否有壓差。同時(shí)在同期裝置中檢查采用電壓幅值、頻率、相角是否完全一致，同步表指示在零位，具備同期條件。同期裝置后臺(tái)數(shù)據(jù)視圖如圖2所示。

圖2 同期后臺(tái)數(shù)據(jù)

該項(xiàng)目第一次并網(wǎng)調(diào)試期間，未進(jìn)行倒送電試驗(yàn)，從而發(fā)生非同期并網(wǎng)事故，導(dǎo)致整個(gè)變電站跳閘，機(jī)組跳車。調(diào)試期間，片面認(rèn)為假同期試驗(yàn)就可驗(yàn)證同期系統(tǒng)二次回路的正確性，其實(shí)該認(rèn)識(shí)是不正確的。因?yàn)橥谘b置只能比較同期點(diǎn)兩側(cè)的相角差，不能檢測(cè)兩側(cè)的相序。比如當(dāng)發(fā)電機(jī)側(cè)取A相電壓、系統(tǒng)側(cè)取B相電壓時(shí)，由于同期點(diǎn)兩側(cè)是兩個(gè)系統(tǒng)，同期裝置總能找到相角差為0°的時(shí)刻，而實(shí)際此時(shí)發(fā)電機(jī)側(cè)與系統(tǒng)側(cè)存在120°的相角差，此時(shí)并網(wǎng)相當(dāng)于并網(wǎng)點(diǎn)三相短路。

3.2 發(fā)電機(jī)三相短路試驗(yàn)

三相短路特性試驗(yàn)是驗(yàn)證在額定轉(zhuǎn)速下，定子繞組三相穩(wěn)態(tài)短路時(shí)，定子繞組電流和轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的關(guān)系曲線。三相短路試驗(yàn)首先需要確定短接位置，考慮同時(shí)驗(yàn)證發(fā)電機(jī)差動(dòng)CT的極性，最佳位置為高壓柜內(nèi)CT的外側(cè)，當(dāng)產(chǎn)生短路電流時(shí)可以檢查到差動(dòng)和制動(dòng)電流是否正確?，F(xiàn)場(chǎng)三相短接如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)三相短接

其次復(fù)核短接電纜或銅排滿足最大短路電流(即發(fā)電機(jī)的額定電流的載流量)的要求。由于高壓柜內(nèi)的空間較小、短路電流很大等原因，一般無(wú)法安裝合適的短路電纜或銅排。

該項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)將三相短路試驗(yàn)拆分為兩步：(1)在發(fā)電機(jī)出口側(cè)利用兩塊(8 mm*120 mm)的銅排進(jìn)行短接，手動(dòng)給定勵(lì)磁電流，逐漸增大發(fā)電機(jī)的三相短路電流直至額定電流，逐步記錄勵(lì)磁電流和對(duì)應(yīng)的短路電流。降低勵(lì)磁電流至0 A，降低發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速至盤車速度，移除短接銅排。(2)利用兩根150 m2的電纜在高壓柜內(nèi)CT的外側(cè)進(jìn)行短接。啟動(dòng)發(fā)電機(jī)至額定轉(zhuǎn)速后，增加勵(lì)磁電流，使其產(chǎn)生約200～300 A的短路電流，觀察差動(dòng)電流和制動(dòng)電流是否正確，不正確則需要調(diào)整CT極性設(shè)置或者接線。通過(guò)三相短接試驗(yàn)分別記錄勵(lì)磁電流、短路電流、發(fā)電機(jī)電壓數(shù)據(jù)，如圖4所示。是該項(xiàng)目的原始試驗(yàn)記錄，可以觀察到是一條過(guò)原點(diǎn)，接近于直線的曲線。在三相短接狀態(tài)下，可以依次進(jìn)行負(fù)荷不平衡保護(hù)、過(guò)負(fù)荷保護(hù)、最大阻抗保護(hù)等試驗(yàn)。

圖4 三相短接曲線

3.3 發(fā)電機(jī)單相接地試驗(yàn)

三相短路試驗(yàn)結(jié)束后，移除短接電纜或銅排后，使用接地線將三相中的任一相短接對(duì)地。調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)至額定轉(zhuǎn)速，緩慢給定勵(lì)磁電流，觀察被短接相電壓是否為0，接地保護(hù)是否在設(shè)定值時(shí)動(dòng)作。試驗(yàn)過(guò)程中注意不得使發(fā)電機(jī)定子電壓超過(guò)50%以上。試驗(yàn)完成后，拆除短接線，恢復(fù)發(fā)電機(jī)所有試驗(yàn)臨時(shí)措施至最終運(yùn)行狀態(tài)。

3.4 發(fā)電機(jī)空載試驗(yàn)

并網(wǎng)之前需要進(jìn)行發(fā)電機(jī)空載特性的檢查和相關(guān)繼電保護(hù)檢查。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，逐漸增加勵(lì)磁，調(diào)整發(fā)電機(jī)的出口電壓，分別采樣5%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%、110%額定電壓下對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁電流，繪制對(duì)應(yīng)曲線，檢查是否與出廠試驗(yàn)曲線相對(duì)應(yīng)，具體可見(jiàn)上圖。在空載狀態(tài)下，逐步完成過(guò)電壓保護(hù)、低電壓保護(hù)、低頻率保護(hù)、勵(lì)磁系統(tǒng)的檢查和測(cè)試，校驗(yàn)電壓限制、U/f限制以及調(diào)整勵(lì)磁控制系統(tǒng)邏輯的響應(yīng)等。

3.5 發(fā)電機(jī)同期試驗(yàn)

(1)假同期試驗(yàn)：當(dāng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行到額定轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流至空載狀態(tài)，同期點(diǎn)斷路器至試驗(yàn)位，啟動(dòng)同期裝置，進(jìn)行自動(dòng)準(zhǔn)同期，觀察同期裝置是否在同期點(diǎn)，發(fā)出合閘命令，斷路器合閘。另外，需要驗(yàn)證手動(dòng)同期合閘[2]。(2)同期并網(wǎng)試驗(yàn)：假同期試驗(yàn)完成后，同期點(diǎn)斷路器至工作位，檢查發(fā)電機(jī)各項(xiàng)保護(hù)均投入正常，變配電系統(tǒng)側(cè)運(yùn)行參數(shù)正常。同期轉(zhuǎn)自動(dòng)控制模式。啟動(dòng)同期裝置，自動(dòng)進(jìn)行同期合閘工作。若同期成功，則繼續(xù)進(jìn)行手動(dòng)同期合閘等測(cè)試。若同期失敗，可根據(jù)發(fā)電機(jī)保護(hù)器的記錄進(jìn)行系統(tǒng)性分析，從逆功率、同期斷路器合閘回路響應(yīng)時(shí)間等方向查找分析問(wèn)題。

3.6 發(fā)電機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)、孤島運(yùn)行試驗(yàn)以及性能考核

一般而言，發(fā)電機(jī)的甩負(fù)荷試驗(yàn)是對(duì)廠內(nèi)電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性檢驗(yàn)。當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā)出有功功率到一定時(shí)，強(qiáng)制打開(kāi)發(fā)電機(jī)出口斷路器，檢驗(yàn)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、廠內(nèi)電網(wǎng)系統(tǒng)，是否能夠在工況急速變化情況下迅速調(diào)整穩(wěn)定運(yùn)行。孤島模式，一般是發(fā)電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電后，通過(guò)解除廠內(nèi)供電與外網(wǎng)連接后發(fā)電機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)為孤島運(yùn)行模式，驗(yàn)證發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在所有的測(cè)試均已完成，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)在額定功率的情況下，進(jìn)行24 h或者72 h的滿負(fù)荷性能考核試驗(yàn)，試驗(yàn)合格后正式移交機(jī)組。

4 結(jié)語(yǔ)

發(fā)電機(jī)作為一套發(fā)電機(jī)組，內(nèi)部保護(hù)、連鎖等多且繁瑣，牽涉的面廣，同時(shí)與外部接口的聯(lián)系非常緊密。所以發(fā)電機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試階段的質(zhì)量和深度、嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致程度，直接關(guān)系發(fā)電機(jī)能否正常運(yùn)行提供合格的電能，以及對(duì)電力系統(tǒng)的安全。通過(guò)印尼某項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，主要對(duì)發(fā)電機(jī)的一些具體調(diào)試工作和注意事項(xiàng)作了詳細(xì)介紹，希望對(duì)類似的發(fā)電機(jī)組安裝調(diào)試能有所幫助。