淺談化工廠余熱汽輪發電機電氣系統的調試

付偉(中國五環工程有限公司，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工業硫酸裝置，為回收利用生產過程中的廢熱，配套設計了1臺余熱蒸汽發電機組。在發電機并網運行前，必須對其做全面完整的調試和試驗，以保證發電機組的穩定運行和裝置的持續穩定生產，減少外供電消耗，提高企業的能耗水平。

文章以該項目的發電機組電氣調試和并網過程為基礎，分析探討余熱汽輪發電機組現場安裝調試的重點和要點。

1 發電機的基本電氣信息

余熱蒸汽發電機的主要電氣參數如下：

(1)發電機及配套系統制造商：GE-A160A4；(2)電壓等級：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)轉子級數：4；功率因素：0.85；(5)防護等級：IP54；絕緣等級：F；(6)繼電保護采用G60保護器，內部冗余設計；同期和勵磁采用了DECS250系列的AVR裝置。

2 發電機系統冷態調試相關檢查

結合現場實際工程經驗，按照GB50150的要求對發電機系統進行現場交接試驗，主要包括[1]：

2.1 發電機絕緣和耐壓檢查

(1)測量定子繞組的絕緣電阻和吸收比或極化指數：首先打開發電機的中性點連接端的短接銅排、斷開PT的一次連接部分。分別測量相間和相對地的絕緣電阻。對于額定為6.3 kV的發電機，采用5 000 V絕緣搖表，分別測量15 s、60 s、1 min的絕緣電阻。該項目發電機的現場實測記錄如表1所示。

表1 發電機絕緣阻值實測記錄

(2)測量定子繞組的直流電阻：定子繞組的直阻測量要求相間差別不超過其最小值的2%，與發電機出廠FAT報告中的差別不超過2%。

(3)定子繞組的交流耐壓試驗：針對額定電壓為6.3 kV的發電機，試驗電壓為(1+2*6.3)*0.8=10.88 kV。國外項目可依據IEC60034-15中4.4條規定，直接按FAT報告的80%完成交流耐壓試驗。試驗時間均為1 min交流耐壓。

(4)測量轉子繞組的絕緣電阻：部分機組可利用轉子接地保護在發電機轉子繞組引出的端子處進行測量。如果實在無法測量，則可考慮取消該實驗。如果以上實驗均已完成且試驗合格，特別是沿海項目，建議立刻將發電機的空間加熱器投入運行，以保證發電機的絕緣不會因為受潮等因素降低。

2.2 發電機的PT、CT的校驗和檢查

發電機配套的PT和CT在發電機的保護、同期、勵磁各系統中扮演著舉足輕重的角色。應按照GB50150要求完成如下校驗和檢查：(1)PT、CT的絕緣電阻測試、直流電阻、變比、極性的檢查，要求現場測量值與其銘牌的標注相匹配。(2)根據設計圖紙檢查確認二次電壓/電流回路，利用繼電保護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。(3)試驗完成后，立刻對PT和CT的線路恢復檢查，避免開路或者短接問題。

2.3 發電機連鎖控制保護回路模擬試驗

發電機的連鎖控制保護回路主要是通過跳汽輪機主汽門及發電機出線柜完成，因此在冷態調試期間需要逐個回路模擬動作和檢查，確保所有回路接線正確、功能正常。

3 發電機熱態試車階段相關試驗

小容量型的發電機組的電氣保護，一般包含：差動電流保護、時限(速斷)過流保護、定子接地過流保護、失磁保護、過激勵保護、低電壓保護、過電壓保護、逆功率保護、失步保護、負荷不平衡保護、最大相阻抗保護等。以上試驗需在熱態開車階段進行，即汽輪機沖轉完成后運行至額定轉速的情況下進行。下面僅就部分非常規試驗進行介紹。

3.1 發電機同期定相試驗

為了有效避免發電機非同期合閘，必須通過發電機同期定相試驗，使系統側電壓互感器和待并側電壓互感器處于同一個電源系統中，此時同期點斷路器兩側壓差、頻差和相角差均為零的狀態，檢查同期裝置能否準確反映這一情況，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，一般采用發電機帶母線零起升壓法或系統倒送法。發電機帶空載母線升壓法是單獨騰空一條母線，進行大量的倒閘操作和臨時措施。由于部分新建廠區無法騰空母線，因而忽略了同期定相試驗的重要性。系統倒送法是拆開發電機中性點短接點，通過系統倒送電至發電機機端PT進行同源核相。這兩種方法各有優勢，適用范圍和發變組系統的接線方式、同期點的設置和機組運行特點有關。在印尼的某項目中采取了系統倒送電法，對同期系統進行了檢查。該試驗前需要確保發電機出口母線絕緣合格，相間無短路，具備送電條件。另外，打開發電機定子線圈中性點的短接點，使得三相線圈獨立為三個線圈(如圖1所示)。

圖1 發電機定子中性點拆除前后對照

然后模擬合閘命令將發電機出口斷路器工作位合閘，將系統電倒送至發電機定子，此時同期點兩側的PT處于同一系統中，使用萬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。同期裝置后臺數據視圖如圖2所示。

圖2 同期后臺數據

該項目第一次并網調試期間，未進行倒送電試驗，從而發生非同期并網事故，導致整個變電站跳閘，機組跳車。調試期間，片面認為假同期試驗就可驗證同期系統二次回路的正確性，其實該認識是不正確的。因為同期裝置只能比較同期點兩側的相角差，不能檢測兩側的相序。比如當發電機側取A相電壓、系統側取B相電壓時，由于同期點兩側是兩個系統，同期裝置總能找到相角差為0°的時刻，而實際此時發電機側與系統側存在120°的相角差，此時并網相當于并網點三相短路。

3.2 發電機三相短路試驗

三相短路特性試驗是驗證在額定轉速下，定子繞組三相穩態短路時，定子繞組電流和轉子勵磁電流的關系曲線。三相短路試驗首先需要確定短接位置，考慮同時驗證發電機差動CT的極性，最佳位置為高壓柜內CT的外側，當產生短路電流時可以檢查到差動和制動電流是否正確。現場三相短接如圖3所示。

圖3 現場三相短接

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

該項目現場將三相短路試驗拆分為兩步：(1)在發電機出口側利用兩塊(8 mm*120 mm)的銅排進行短接，手動給定勵磁電流，逐漸增大發電機的三相短路電流直至額定電流，逐步記錄勵磁電流和對應的短路電流。降低勵磁電流至0 A，降低發電機轉速至盤車速度，移除短接銅排。(2)利用兩根150 m2的電纜在高壓柜內CT的外側進行短接。啟動發電機至額定轉速后，增加勵磁電流，使其產生約200～300 A的短路電流，觀察差動電流和制動電流是否正確，不正確則需要調整CT極性設置或者接線。通過三相短接試驗分別記錄勵磁電流、短路電流、發電機電壓數據，如圖4所示。是該項目的原始試驗記錄，可以觀察到是一條過原點，接近于直線的曲線。在三相短接狀態下，可以依次進行負荷不平衡保護、過負荷保護、最大阻抗保護等試驗。

圖4 三相短接曲線

3.3 發電機單相接地試驗

三相短路試驗結束后，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地。調節發電機至額定轉速，緩慢給定勵磁電流，觀察被短接相電壓是否為0，接地保護是否在設定值時動作。試驗過程中注意不得使發電機定子電壓超過50%以上。試驗完成后，拆除短接線，恢復發電機所有試驗臨時措施至最終運行狀態。

3.4 發電機空載試驗

并網之前需要進行發電機空載特性的檢查和相關繼電保護檢查。汽輪機轉速達到額定轉速時，逐漸增加勵磁，調整發電機的出口電壓，分別采樣5%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%、110%額定電壓下對應的勵磁電流，繪制對應曲線，檢查是否與出廠試驗曲線相對應，具體可見上圖。在空載狀態下，逐步完成過電壓保護、低電壓保護、低頻率保護、勵磁系統的檢查和測試，校驗電壓限制、U/f限制以及調整勵磁控制系統邏輯的響應等。

3.5 發電機同期試驗

(1)假同期試驗：當發電機運行到額定轉速，調節發電機勵磁電流至空載狀態，同期點斷路器至試驗位，啟動同期裝置，進行自動準同期，觀察同期裝置是否在同期點，發出合閘命令，斷路器合閘。另外，需要驗證手動同期合閘[2]。(2)同期并網試驗：假同期試驗完成后，同期點斷路器至工作位，檢查發電機各項保護均投入正常，變配電系統側運行參數正常。同期轉自動控制模式。啟動同期裝置，自動進行同期合閘工作。若同期成功，則繼續進行手動同期合閘等測試。若同期失敗，可根據發電機保護器的記錄進行系統性分析，從逆功率、同期斷路器合閘回路響應時間等方向查找分析問題。

3.6 發電機甩負荷試驗、孤島運行試驗以及性能考核

一般而言，發電機的甩負荷試驗是對廠內電網系統穩定性檢驗。當發電機發出有功功率到一定時，強制打開發電機出口斷路器，檢驗發電機系統、廠內電網系統，是否能夠在工況急速變化情況下迅速調整穩定運行。孤島模式，一般是發電機并網發電后，通過解除廠內供電與外網連接后發電機自動轉為孤島運行模式，驗證發電機系統的穩定性。在所有的測試均已完成，調節發電機在額定功率的情況下，進行24 h或者72 h的滿負荷性能考核試驗，試驗合格后正式移交機組。

4 結語

發電機作為一套發電機組，內部保護、連鎖等多且繁瑣，牽涉的面廣，同時與外部接口的聯系非常緊密。所以發電機在現場安裝調試階段的質量和深度、嚴謹細致程度，直接關系發電機能否正常運行提供合格的電能，以及對電力系統的安全。通過印尼某項目的經驗總結，主要對發電機的一些具體調試工作和注意事項作了詳細介紹，希望對類似的發電機組安裝調試能有所幫助。