異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)向試驗(yàn)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(jiǎn)稱天安化工）3套硫磺制酸裝置共有4臺(tái)同步發(fā)電機(jī)和3套汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)，發(fā)電機(jī)為6 MW中壓發(fā)電機(jī)2臺(tái)、12 MW凝汽式低壓發(fā)電機(jī)1臺(tái)、12 MW抽背式中壓發(fā)電機(jī)1臺(tái)。汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)為一期800 kt/a硫酸裝置風(fēng)機(jī)（國(guó)產(chǎn)）、二期300 kt/a硫酸裝置風(fēng)機(jī)和二期800 kt/a硫酸裝置風(fēng)機(jī)（進(jìn)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(jī)容量24 MW，正常發(fā)電負(fù)荷約12 MW；0.6 MPa低壓余熱裝機(jī)容量12 MW，正常發(fā)電負(fù)荷約9 MW。按照電價(jià)0.3元/kWh、每年運(yùn)行300 d計(jì)算，可節(jié)約電費(fèi)約4 536萬元/a。

中壓發(fā)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)汽輪機(jī)進(jìn)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(gè)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(jìn)入1臺(tái)12 MW凝汽式低壓發(fā)電機(jī)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(fèi)。經(jīng)過某設(shè)計(jì)院測(cè)算，可設(shè)置3臺(tái)3.15 MW異步發(fā)電機(jī)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(shí)用于發(fā)電回收余熱。

按照目前的蒸汽量計(jì)算，每臺(tái)異步發(fā)電機(jī)按2 400 kW發(fā)電負(fù)荷運(yùn)行，按照電價(jià)0.3元/kWh、每年運(yùn)行300 d計(jì)算，可節(jié)約電費(fèi)約1 555萬元/a。項(xiàng)目投資約3 800萬元，項(xiàng)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(yàn)必要性

同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率S=0，有配套的勵(lì)磁系統(tǒng)，可以通過沖轉(zhuǎn)、勵(lì)磁升壓后在并網(wǎng)柜處核對(duì)發(fā)電機(jī)和電力系統(tǒng)的相序正確性。異步發(fā)電機(jī)不可能裝設(shè)配套的勵(lì)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(chǎng)。采取異步發(fā)電機(jī)并電網(wǎng)的發(fā)電方式，其正常運(yùn)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(chǎng)。從異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線（見圖1）可以看出：在第一象限中電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)，其額定轉(zhuǎn)速ne不會(huì)超過同步轉(zhuǎn)速n0；當(dāng)電動(dòng)機(jī)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(shí)，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)入第二象限，運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)為異步發(fā)電狀態(tài)，即當(dāng)汽輪機(jī)推動(dòng)異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子超過同步轉(zhuǎn)速才能發(fā)電[1]。轉(zhuǎn)向試驗(yàn)的目的就是要保證發(fā)電狀態(tài)時(shí)汽輪機(jī)推動(dòng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向要和電動(dòng)機(jī)狀態(tài)時(shí)的自然轉(zhuǎn)向一致[2]。若2個(gè)轉(zhuǎn)向不一致，會(huì)導(dǎo)致待并側(cè)和系統(tǒng)側(cè)的兩相短路和機(jī)組軸系的嚴(yán)重機(jī)械事故。

圖1 異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線

2 異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)向時(shí)存在問題

異步發(fā)電機(jī)確認(rèn)自然轉(zhuǎn)向時(shí)，需要當(dāng)作電動(dòng)機(jī)狀態(tài)啟動(dòng)一次（不必完成啟動(dòng)全過程）。相對(duì)一般的電動(dòng)機(jī)容量，異步發(fā)電機(jī)機(jī)組容量比較大，其脫開汽輪機(jī)直接空載啟動(dòng)需要從電網(wǎng)吸收大量的無功。因此，異步發(fā)電機(jī)當(dāng)作異步電動(dòng)機(jī)狀態(tài)直接空載啟動(dòng)過程中，可能會(huì)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(jī)容量特別大，在其啟動(dòng)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(huì)由于電壓暫降使在網(wǎng)運(yùn)行其他電動(dòng)機(jī)發(fā)生低電壓動(dòng)作保護(hù)跳閘。此外，還有可能因啟動(dòng)電流過大、時(shí)間過長(zhǎng)導(dǎo)致母線進(jìn)線開關(guān)速斷保護(hù)，或者帶時(shí)限過電流保護(hù)動(dòng)作跳開進(jìn)線柜，進(jìn)而擴(kuò)大影響范圍。

3 異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)向試驗(yàn)前的措施

異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)向試驗(yàn)主要會(huì)引起母線電壓暫降和過電流，其主要原因是由于啟動(dòng)過程中吸收大量的無功。在轉(zhuǎn)向試驗(yàn)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(chǔ)量的措施，對(duì)此，轉(zhuǎn)向試驗(yàn)前可采取的措施有：

1）如果并網(wǎng)接入點(diǎn)母線上有同步發(fā)電機(jī)或者同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，可強(qiáng)制加勵(lì)磁降低發(fā)電機(jī)功率因數(shù)（超前），抬高母線運(yùn)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(jī)都裝設(shè)有電容補(bǔ)償裝置，可在試驗(yàn)前手動(dòng)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(jī)容量還大的直接啟動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，可以不進(jìn)行電壓降核算，但最好減負(fù)荷或者空母線試驗(yàn)轉(zhuǎn)向。

5）計(jì)算母線電壓降是否滿足要求，同時(shí)核算進(jìn)線斷路器的速斷和過電流保護(hù)定值，如果不滿足要求就要采取減負(fù)荷的方式使用空母線，并設(shè)置零時(shí)繼電保護(hù)整定值，確保不影響上級(jí)供電系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

6）如果以上措施均不能保障異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)向試驗(yàn)要求，可采取串入臨時(shí)電抗器的方式降壓?jiǎn)?dòng)。

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

圖2 轉(zhuǎn)向試驗(yàn)措施步驟確認(rèn)邏輯

4 轉(zhuǎn)向試驗(yàn)前的電壓降核算和保護(hù)定值核對(duì)

4.1 電力系統(tǒng)概述

3臺(tái)3.15 MW異步發(fā)電機(jī)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(dá)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(diǎn)即為302配電室的6 kV I段母線。異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)見圖3。

圖3 異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)示意

4.2 PCC點(diǎn)的母線電壓降和啟動(dòng)電流計(jì)算

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

4.3 核算啟動(dòng)時(shí)電壓降是否滿足要求

啟動(dòng)時(shí)母線電壓值（線電壓）計(jì)算如下：

母線上電動(dòng)機(jī)低電壓整定值（線電壓）計(jì)算如下：

得出結(jié)論：UstB＞Uop滿足要求，可以直接啟動(dòng)。

4.4 302配電室6 kV進(jìn)線601開關(guān)保護(hù)定值驗(yàn)證

母線上設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)進(jìn)線開關(guān)經(jīng)過的運(yùn)行電流值為：

異步發(fā)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，進(jìn)過601開關(guān)的負(fù)荷電流峰值為：

根據(jù)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)特性曲線，其啟動(dòng)峰值電流在2～4 s。

各級(jí)開關(guān)柜保護(hù)定值與計(jì)算值比較見表1。

表1 各級(jí)開關(guān)柜保護(hù)定值與計(jì)算值比較判斷

轉(zhuǎn)向試驗(yàn)主要保證上級(jí)開關(guān)601不動(dòng)作，“過電流”保護(hù)在按照6.5倍啟動(dòng)倍數(shù)計(jì)算時(shí)可能不通過，在確保不跳閘又保證上下幾個(gè)梯級(jí)配合的情況下，修改601開關(guān)的過電流保護(hù)動(dòng)作值為2（3200）A，延時(shí)時(shí)間為1.5 s。其他下級(jí)開關(guān)動(dòng)作不影響PCC點(diǎn)的正常運(yùn)行。

由于轉(zhuǎn)向試驗(yàn)沒必要要求電動(dòng)機(jī)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，異步電動(dòng)機(jī)柜的“過負(fù)荷”保護(hù)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(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向已經(jīng)足以確認(rèn)，所以其“過負(fù)荷”保護(hù)整定值可不做試驗(yàn)階段的臨時(shí)修改。

4.5 加強(qiáng)措施計(jì)算方式

按照4.2節(jié)計(jì)算，在加強(qiáng)保障措施時(shí)計(jì)算方法如下：①考慮投入同步發(fā)電機(jī)或同步電動(dòng)機(jī)時(shí)等于提高了系統(tǒng)的短路容量，應(yīng)核算到計(jì)算式中；②考慮投入無功補(bǔ)償設(shè)備（電容器組）時(shí)，相當(dāng)于減小了預(yù)計(jì)負(fù)荷，應(yīng)核算到計(jì)算式中，需要注意的是投入無功補(bǔ)償應(yīng)在基礎(chǔ)上減去相應(yīng)的投入無功負(fù)荷；③考慮PCC點(diǎn)停運(yùn)正常負(fù)荷時(shí)，相當(dāng)于減小了預(yù)計(jì)負(fù)荷應(yīng)核算到計(jì)算式中；④在改變變壓器分接頭提升母線電壓時(shí)，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(shí)際上減小了PCC點(diǎn)的短路阻抗，相當(dāng)于提升了PCC點(diǎn)的短路容量，計(jì)算時(shí)應(yīng)核算到計(jì)算中，其計(jì)算復(fù)雜，不在此贅述。

以上措施可以同時(shí)采用，有些異步發(fā)電系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)機(jī)組容量會(huì)超過10 MW，其啟動(dòng)電流非常大，但如果采取措施后計(jì)算結(jié)果仍不滿足直接啟動(dòng)要求，則需要考慮采取串入臨時(shí)電抗器的方式降壓?jiǎn)?dòng)。一般確認(rèn)異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)向時(shí)不必完成整個(gè)啟動(dòng)過程，也就是說可以采取點(diǎn)動(dòng)的方式確認(rèn)轉(zhuǎn)向。如果系統(tǒng)容量確實(shí)不滿足直接啟動(dòng)轉(zhuǎn)向試驗(yàn)時(shí)，可在保證PCC點(diǎn)不跳閘的情況下將異步發(fā)電機(jī)回路中的其他開關(guān)柜（如645、6001、6003）保護(hù)動(dòng)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(diǎn)的正常。

5 實(shí)際轉(zhuǎn)向試驗(yàn)的記錄數(shù)據(jù)和分析

5.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

建議試驗(yàn)采用電磁式電壓表和電流表。轉(zhuǎn)向試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)尖峰電流時(shí)刻滿足直起要求，對(duì)系統(tǒng)影響較小，天安化工的轉(zhuǎn)向試驗(yàn)完成了整個(gè)啟動(dòng)過程。空載試驗(yàn)數(shù)據(jù)為：

1）啟動(dòng)時(shí)間 5.5～6.5 s，啟動(dòng)尖峰電流 1 850 A。

2）空載運(yùn)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(dòng)時(shí)母線電壓降約為0.7 kV，即母線電壓 5.3 kV。

試驗(yàn)轉(zhuǎn)向和汽輪機(jī)推動(dòng)轉(zhuǎn)向一致，滿足項(xiàng)目投產(chǎn)運(yùn)行需求。如果發(fā)電機(jī)的自然轉(zhuǎn)向與汽輪機(jī)推動(dòng)轉(zhuǎn)向不一致，可在機(jī)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(yàn)數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)階段601、645、6001和6003開關(guān)柜保護(hù)器無保護(hù)動(dòng)作記錄，即試驗(yàn)階段臨時(shí)保護(hù)整定值滿足試驗(yàn)要求。

啟動(dòng)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(jì)算時(shí)的6.5倍。計(jì)算母線電壓為5.26 kV（實(shí)際值為5.3 kV）。考慮到計(jì)算時(shí)部分阻抗的計(jì)算誤差和倍數(shù)取高，因此在啟動(dòng)時(shí)母線電壓稍高于計(jì)算值。

從空載電流、有功和無功的消耗角度看，電動(dòng)機(jī)空載運(yùn)行的功率因素極低，主要消耗大量的無功。考慮同步電動(dòng)機(jī)提供的系統(tǒng)容量、手動(dòng)投入無功補(bǔ)償、調(diào)整變壓器分接頭和減正常負(fù)荷都是直接有效可行的措施手段。

6 結(jié)語

異步發(fā)電機(jī)能量轉(zhuǎn)化效率明顯高于同步發(fā)電機(jī)，特別是在低壓蒸汽系統(tǒng)中其優(yōu)勢(shì)更加明顯，近幾年發(fā)展趨勢(shì)非常好。同步發(fā)電機(jī)正常發(fā)機(jī)時(shí)既發(fā)有功同時(shí)也發(fā)無功，對(duì)電力系統(tǒng)造成的影響不是很大。但是異步發(fā)電機(jī)沒有專門的勵(lì)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(duì)電網(wǎng)的電壓造成了很大的影響，雖然采取了增加無功補(bǔ)償?shù)姆绞接行浹a(bǔ)了一部分電網(wǎng)無功的缺額，但其補(bǔ)償?shù)目焖傩院头€(wěn)定性仍是一個(gè)待研究課題。天安化工完成了異步發(fā)電轉(zhuǎn)向現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了異步發(fā)電機(jī)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(xiàng)目建設(shè)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。