9E聯(lián)合循環(huán)汽輪發(fā)電機(jī)同期裝置的應(yīng)用淺析

浙能金華燃機(jī)發(fā)電有限責(zé)任公司 趙 云

1 引言

燃?xì)饴?lián)合循環(huán)機(jī)組屬調(diào)峰機(jī)組，頻繁啟停，同期裝置的使用頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于火力發(fā)電廠，在此情況下，若能縮短同期并網(wǎng)時(shí)間，將大大提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益，因此也對(duì)同期裝置提出了更高的要求。某廠9E聯(lián)合循環(huán)汽輪發(fā)電機(jī)同期裝置采用ABB公司的TAS01同期卡控制，該卡通過DCS控制DEH汽輪機(jī)數(shù)字電液控制及AVR勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)速調(diào)壓，執(zhí)行并網(wǎng)?；诖?，為更好地提升同期并網(wǎng)的性能，本文通過對(duì)TAS01同期卡工作原理及特性對(duì)同期過程中的問題進(jìn)行了分析處理，提出了改進(jìn)方法，取得了較好的效果，對(duì)機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性有著積極的意義。

2 TAS01同期卡模件介紹

2.1 TAS01同期卡功能

TAS01同期卡是一個(gè)控制模件，安裝在DCS控制柜中，集成了自動(dòng)同期調(diào)整及發(fā)電機(jī)自動(dòng)并網(wǎng)功能，該模件能夠接交流電源在0～150V或0～50V，輸入頻率在50Hz或60Hz的發(fā)電機(jī)電壓（TV1）和待并側(cè)電壓（TV2）。模件可自動(dòng)通過AVR勵(lì)磁裝置及DEH數(shù)液系統(tǒng)調(diào)整發(fā)電機(jī)電壓及頻率，使兩側(cè)電壓、頻率、相位匹配，然后自動(dòng)發(fā)合發(fā)電機(jī)開關(guān)指令[1]，待發(fā)電機(jī)合閘后同期裝置功能退出。圖1為系統(tǒng)控制示意圖。

圖1 同期并網(wǎng)模塊控制示意圖

2.2 TAS01同期卡工作原理

發(fā)電機(jī)一旦建立了初始電壓和頻率條件，令DCS同期投入，TAS01同期卡投入工作，當(dāng)發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)不同步時(shí)，該同期卡將檢測(cè)發(fā)電機(jī)和待并側(cè)的電壓和頻率是否滿足同期要求。若頻率和電壓均不滿足時(shí)，此時(shí)同期卡上的FREQ和VOLTS指示燈不亮。當(dāng)啟用電壓調(diào)節(jié)，同期卡將向AVR電壓調(diào)節(jié)器脈沖輸出升高或降低電壓，直到發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)電壓匹配，此時(shí)同期卡VOLTS指示紅燈亮。當(dāng)啟用頻率控制，同期卡通過脈沖升高或降低向DEH輸出轉(zhuǎn)速控制，以調(diào)整轉(zhuǎn)速，直到發(fā)電機(jī)與待并側(cè)頻率相匹配，此時(shí)同期卡FREQ指示紅燈亮。如圖2所示。

圖2 TAS01同期卡面板說明

當(dāng)電壓和頻率滿足要求后，TAS01同期卡顯示同期相位角差，開始計(jì)算發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)相位角的差值，相位角差值從359°逐步降到0°，此時(shí)TAS01做好了合閘準(zhǔn)備，當(dāng)相位差角度至發(fā)電機(jī)斷路器合閘脈沖角時(shí)，同期卡CLOSE紅燈亮，向發(fā)電機(jī)出口斷路器發(fā)出合閘脈沖，同期卡面板相位角差將瞬間鎖定在開關(guān)合閘時(shí)角度，同時(shí)結(jié)束同期并網(wǎng)程序。圖3為模擬同步工作過程中應(yīng)有的工作行為。

圖3 模擬同步表示意圖

TAS01同期卡發(fā)出發(fā)電機(jī)開關(guān)合閘脈沖指令后，將不會(huì)再發(fā)另外一個(gè)合閘指令，直至發(fā)電機(jī)開關(guān)合閘信號(hào)取消。合閘后的相角差應(yīng)在0°左右，接近同步點(diǎn)，此時(shí)對(duì)發(fā)電機(jī)沖擊最小，更易拉入同步，否則需根據(jù)開關(guān)合閘時(shí)間等因素調(diào)整發(fā)電機(jī)合閘脈沖角。

3 TAS01同期卡并網(wǎng)時(shí)間長(zhǎng)的問題

運(yùn)行人員一直按操作票規(guī)范執(zhí)行并網(wǎng)，但頻繁出現(xiàn)并網(wǎng)時(shí)間增長(zhǎng)問題。通過對(duì)同期并網(wǎng)觀察，同期投入時(shí)同期卡上的FREQ指示燈亮，頻率匹配，但同期卡VOLTS指示燈不亮，電壓未到匹配值，同期卡向AVR發(fā)加電壓脈沖，電壓上升，當(dāng)電壓匹配同期卡VOLTS指示燈亮，此時(shí)又出現(xiàn)同期卡上FREQ指示燈不亮，頻率不匹配，同期卡又向DEH調(diào)發(fā)頻脈沖，但轉(zhuǎn)數(shù)上升緩慢，直至FREQ指示燈和VOLTS指示燈都亮后，滿足同期匹配條并網(wǎng)件，此類情況在多次并網(wǎng)過程中出現(xiàn)，如此往復(fù)調(diào)整并網(wǎng)參數(shù)，使得并網(wǎng)時(shí)間出現(xiàn)了延長(zhǎng)?；仡櫿麄€(gè)并網(wǎng)過程，操作方式未變，調(diào)頻、調(diào)壓也正常執(zhí)行，但整個(gè)并網(wǎng)過程卻延長(zhǎng)了，因此筆者對(duì)該問題進(jìn)行了進(jìn)一步梳理。

4 問題的檢查和處理

4.1 TAS01同期卡的參數(shù)檢查

TAS01有15個(gè)參數(shù)，必須由用戶設(shè)置才能正確操作。該廠的同期卡的參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 TAS01卡同期裝置定值清單

參數(shù)說明如下：參數(shù)1。對(duì)電壓升降調(diào)節(jié)器的輸出脈沖的持續(xù)時(shí)間。參數(shù)2。電壓上下輸出脈沖之間的間隔時(shí)間。參數(shù)1和參數(shù)2決定了可以調(diào)整發(fā)電機(jī)電壓的速率。

參數(shù)3。檢測(cè)到電壓匹配時(shí)，發(fā)電機(jī)電壓與系統(tǒng)電壓差允許范圍。參數(shù)4。將檢測(cè)到電壓匹配的參數(shù)3的±死區(qū)。參數(shù)3和參數(shù)4確定發(fā)電機(jī)和系統(tǒng)電壓的電壓允許范圍。圖4說明了這兩個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系。

圖4 電壓允許范圍

參數(shù)5。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速提高/降低輸出脈沖持續(xù)時(shí)間。參數(shù)6描述轉(zhuǎn)速上下輸出脈沖之間的間隔時(shí)間。

參數(shù)7。對(duì)于要檢測(cè)到的頻率匹配條件，發(fā)電機(jī)頻率必須超過系統(tǒng)頻率的值。參數(shù)8描述參數(shù)7的±死區(qū)，參數(shù)7的±頻率匹配。參數(shù)7和參數(shù)8確定如何確定頻率的頻率允許范圍。圖5說明了這兩個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系。

圖5 頻率允許范圍

參數(shù)9。斷路器合閘輸出脈沖持續(xù)時(shí)間（脈沖寬度）。參數(shù)10。斷路器關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間（從斷路器關(guān)閉輸出脈沖開始到實(shí)際斷路器關(guān)閉的時(shí)間）。參數(shù)11。最大允許的斷路器閉合角度，此參數(shù)用作對(duì)其他參數(shù)的檢查，使用以下公式。如果計(jì)算出的最大斷路器閉合角度超過參數(shù)11指定得值，則當(dāng)按下CAL按鈕并保留舊值時(shí)，將顯示錯(cuò)誤代碼E020。再次按CAL按鈕將重新啟動(dòng)參數(shù)1處的配置序列。（參數(shù)10）x（參數(shù)7+參數(shù)8）x360°＜參數(shù)11范圍。

參數(shù)12。工作頻率范圍：50Hz。參數(shù)13。頻率偏差允許低限值。參數(shù)14。頻率偏差允許高限值。參數(shù)12、13、14建立TAS01將在工作的頻帶，這被用作頻率輸入信號(hào)的完整性檢查。如果頻率不在此波段內(nèi)，則該模塊假設(shè)頻率信號(hào)有問題，并且將不會(huì)同步該單元。允許的頻帶從（參數(shù)12-參數(shù)13）=49Hz到（參數(shù)12+參數(shù)14）=51Hz。

該廠的待并側(cè)和發(fā)電機(jī)側(cè)的電壓等級(jí)為10kV左右，通過表1舉例說明參數(shù)的匹配情況，若系統(tǒng)側(cè)電壓為10kV，同期裝置允許電壓的匹配計(jì)算：10×1%=0.1kV，則發(fā)電機(jī)側(cè)電壓需＞10.1kV，電壓死區(qū)0.15kV，則其電壓允許范圍在10.05～10.25kV，這里需根據(jù)待并側(cè)電壓值確定發(fā)電機(jī)側(cè)電壓匹配值。同期裝置允許頻率匹配參數(shù)計(jì)算，為防止出現(xiàn)發(fā)電機(jī)逆功率，同期卡要求并網(wǎng)時(shí)發(fā)電機(jī)頻率必須超過系統(tǒng)頻率值，若系統(tǒng)頻率為50Hz則參數(shù)計(jì)算如下：0.12Hz×60r/min=7.2r/min，則發(fā)電機(jī)側(cè)頻率需＞3007.2r/min=50.12Hz，頻率死區(qū)0.1Hz，則其頻率允許范圍在50.02～50.22Hz，即3001.2r/min～3013.2r/min，大于系統(tǒng)側(cè)頻率50Hz。通過參數(shù)檢查發(fā)現(xiàn)該廠參數(shù)定值均符合準(zhǔn)同期并網(wǎng)要求，并網(wǎng)參數(shù)未發(fā)生變化，且在并網(wǎng)過程中也按此參數(shù)并網(wǎng)。

4.2 TAS01同期卡在并網(wǎng)過程中電壓、頻率不匹配情況檢查

4.2.1 電壓不匹配檢查

回顧同期卡的動(dòng)作情況，在同期投入并網(wǎng)時(shí)發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)REQ指示燈亮，頻率已匹配，同期卡VOLTS指示燈不亮，電壓卻未匹配，通過同對(duì)電壓觀察發(fā)現(xiàn)，此時(shí)系統(tǒng)側(cè)電壓10.1kV，而待并側(cè)電壓只有9.9kV，故兩側(cè)電壓不能匹配，但發(fā)電機(jī)側(cè)電壓在緩慢上升，這說明同期卡在給AVR發(fā)升脈沖指令，因加壓需用一個(gè)過程，故此時(shí)電壓第一時(shí)間未能完成匹配。通過分析，主要原因是該廠AVR勵(lì)磁系統(tǒng)投勵(lì)后的給定值是9.9kV，此時(shí)投入同期后，低于系統(tǒng)側(cè)電壓，故需通過脈沖調(diào)整電壓至匹配值，影響了同期時(shí)間。

4.2.2 頻率不匹配檢查

該廠并網(wǎng)同期時(shí)DCS汽機(jī)選擇轉(zhuǎn)數(shù)設(shè)置為3000r/min定速，在沖至3000r/min前，運(yùn)行的沖轉(zhuǎn)操作一般從0r/min開始逐步先沖至2950r/min，再由2950r/min沖至3000r/min，此時(shí)的沖轉(zhuǎn)速率也由原來(lái)的400r/min調(diào)整到50r/min，由于閥門線性等問題，該廠沖至3000r/min的轉(zhuǎn)數(shù)第一波均會(huì)超調(diào)，轉(zhuǎn)數(shù)會(huì)沖高至3009r/min左右。然后有一個(gè)回調(diào)，回至3000r/min，當(dāng)此時(shí)投入同期，由于3000r/min低于3007.2r/min，同期卡頻率將無(wú)法匹配，同期卡需發(fā)升轉(zhuǎn)數(shù)脈沖指令，由于DEH此時(shí)轉(zhuǎn)數(shù)速率設(shè)置50r/min，為防止轉(zhuǎn)數(shù)超調(diào)，加上機(jī)組調(diào)閥特性有了一定的改變等原因，上升速率緩慢，故轉(zhuǎn)數(shù)到3007.2r/min匹配轉(zhuǎn)數(shù)時(shí)間也將變長(zhǎng)，對(duì)同期并網(wǎng)時(shí)間必定產(chǎn)生影響。

4.3 同期卡并網(wǎng)時(shí)間長(zhǎng)問題的優(yōu)化及措施

4.3.1 針對(duì)同期卡頻率匹配優(yōu)化

由于機(jī)組頻繁啟停，機(jī)組運(yùn)行時(shí)間近17年，調(diào)閥特性有所改變，且主要問題從3000r/min到3007.2r/min升速時(shí)間過長(zhǎng)，增加了匹配時(shí)間，為便于頻率匹配，將TAS01同期卡的頻率匹配參數(shù)7定值改為0.06Hz，參數(shù)8的死區(qū)改為0.06Hz。按此計(jì)算，若系統(tǒng)側(cè)頻率50Hz，則0.06Hz×60r/min=3.6r/min，發(fā)電機(jī)側(cè)頻率需大于3003.6r/min=50.06Hz，頻率死區(qū)0.06Hz，則其頻率允許范圍在50.00～50.12Hz，即3000r/min～3007.2r/min，轉(zhuǎn)速并未小于系統(tǒng)側(cè)轉(zhuǎn)速。

考慮逆功率問題，如按不等率5%計(jì)算，機(jī)組額定有功60MW，則3003.6r/min所對(duì)應(yīng)負(fù)荷大致為60/150×3.6=1.44MW，即為并網(wǎng)初始負(fù)荷，一般不會(huì)出現(xiàn)逆功率。因此通過參數(shù)修改，相對(duì)于3007.2r/min原參數(shù)轉(zhuǎn)數(shù)小了一半，即可使3000r/min～3003.6r/min同期匹配時(shí)間縮短一半，若轉(zhuǎn)速為3007.2r/min，沖擊電流800A左右，按此推算，沖擊電流大致能降低到400A左右，可減少對(duì)系統(tǒng)的沖擊。同期卡對(duì)轉(zhuǎn)數(shù)調(diào)整后，自身內(nèi)部將自動(dòng)計(jì)算合閘相角，若相角不滿足卡件會(huì)自動(dòng)報(bào)錯(cuò)，通過轉(zhuǎn)速調(diào)整相角仍滿足要求，小于參數(shù)11，并未報(bào)錯(cuò)誤代碼。

4.3.2 同期并網(wǎng)操作時(shí)電壓優(yōu)化

通過年度系統(tǒng)電壓數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，該廠系統(tǒng)側(cè)電壓一般均在10.1kV左右，△U=Ug-Us=0.1kV，考慮機(jī)組在同期投入時(shí)電壓能及時(shí)匹配，待并則電壓大致需設(shè)定在10.2kV。按照運(yùn)行并網(wǎng)操作票在轉(zhuǎn)數(shù)至2950r/min時(shí)投入AVR勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)建壓，為及早做好電壓匹配，該廠將原先的AVR勵(lì)磁系統(tǒng)初始值由原來(lái)的9.9kV調(diào)整至10.2kV左右，使發(fā)電機(jī)側(cè)電壓能夠在并網(wǎng)前較早完成匹配，以便縮短同期并網(wǎng)時(shí)間。

4.3.3 并網(wǎng)定數(shù)時(shí)轉(zhuǎn)數(shù)優(yōu)化

2950r/min沖轉(zhuǎn)到并網(wǎng)定速時(shí)，運(yùn)行人員會(huì)將DCS目標(biāo)轉(zhuǎn)速設(shè)定3000r/min，現(xiàn)為考慮能盡快與同期并網(wǎng)參數(shù)3003.2r/min匹配，規(guī)定運(yùn)行人員DCS目標(biāo)轉(zhuǎn)速設(shè)定到3004r/min，減少同期卡通過脈沖指令再到DEH調(diào)節(jié)系統(tǒng)影響調(diào)速時(shí)間，從而更能使同期投入時(shí)轉(zhuǎn)速快速的匹配，當(dāng)然這里主要取決于DEH對(duì)調(diào)閥控制精度及閥門的特性情況。

4.3.4 對(duì)同期卡進(jìn)行ADC自動(dòng)電壓校準(zhǔn)

ADC自動(dòng)校準(zhǔn)是TAS01同期卡內(nèi)自帶，該程序通過從發(fā)電機(jī)側(cè)和線路側(cè)端子輸入相同的電壓源，確保交流輸入轉(zhuǎn)換相同的數(shù)字值，保證兩側(cè)電壓匹配及校準(zhǔn)，如電壓有不匹配則會(huì)生成錯(cuò)誤信息。

4.3.5 規(guī)范操作流程

目標(biāo)轉(zhuǎn)數(shù)至2950r/min，調(diào)整目標(biāo)指令至3004 r/min，速率50r/min；同時(shí)合上勵(lì)磁開關(guān)，勵(lì)磁系統(tǒng)投勵(lì)建壓，檢查發(fā)電機(jī)側(cè)電壓至10.2kV，并根據(jù)大于系統(tǒng)側(cè)電壓0.1kV適當(dāng)進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整，當(dāng)汽機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)在3005r/min時(shí)投入同期，投入DEH汽機(jī)允許。

經(jīng)過多次的并網(wǎng)試驗(yàn)，發(fā)電機(jī)開關(guān)合閘時(shí)，TAS01同期卡同期角度顯示在359°或356°，基本滿足準(zhǔn)同期相位角0°要求。且同期并網(wǎng)投入啟動(dòng)到發(fā)電機(jī)開關(guān)合上基本在40s左右，最短只需23s。優(yōu)化后的沖擊電流只有350A左右，并網(wǎng)時(shí)間也得到了較大的改善。

5 結(jié)語(yǔ)

發(fā)電機(jī)的同期并網(wǎng)不僅影響機(jī)組的安全性也直接影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。本文對(duì)TAS01同期卡應(yīng)用進(jìn)行了一個(gè)說明，并對(duì)聯(lián)合循環(huán)汽輪發(fā)電機(jī)同期并網(wǎng)中的一些問題進(jìn)行了分析，結(jié)合TAS01同期卡及機(jī)組的特性，對(duì)存在的問題提出了可行的優(yōu)化措施，通過參數(shù)優(yōu)化及操作方法優(yōu)化提升了機(jī)組并網(wǎng)效能，有效地保證了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，為今后機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了一定的經(jīng)驗(yàn)，值得同類型機(jī)組的電廠借鑒及參考。