燃機(jī)電廠靜止變頻器啟動(dòng)及起勵(lì)失敗分析與對(duì)策

張宇

摘 要：京能集團(tuán)北京京西燃?xì)鉄犭娪邢薰狙b有三套西門(mén)子F級(jí)燃機(jī)，隨著電網(wǎng)的深度調(diào)峰，燃機(jī)日啟停頻繁，出現(xiàn)了燃機(jī)啟動(dòng)失敗的情況。故障主要為SFC啟動(dòng)失敗及發(fā)電機(jī)無(wú)法勵(lì)磁。為保證燃機(jī)平穩(wěn)、快速、可靠、頻繁啟動(dòng)，本文分析了燃機(jī)啟動(dòng)期間SFC啟動(dòng)及起勵(lì)時(shí)出現(xiàn)的故障，并提出排查方法和對(duì)策。

關(guān)鍵詞：燃機(jī);啟動(dòng);SFC;起勵(lì)

中圖分類號(hào)：TM921.51;TM62 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）03-0045-03

Analysis and Countermeasures of Startup and Excitation Failure

of Static Frequency Converter in Gas Turbine Power Plant

ZHANG Yu

（Beijing Jingxi Gas-fired Thermal Power Co.， Ltd.， Powerbeijing Group，Beijing 100041）

Abstract： Beijing Jingxi Gas-fired Thermal Power Co.， Ltd. of Powerbeijing Group is equipped with three Siemens F-class gas turbines， with the in-depth peak regulation of the power grid， gas turbines start and stop frequently every day， and gas turbines fail to start. The main faults are SFC start failure and generator failure to excite. In order to ensure the stable， fast， reliable， and frequent startup of the gas turbine， this paper analyzed the failures that occur during the startup of the gas turbine during SFC startup and excitation， and proposed troubleshooting methods and countermeasures.

Keywords： gas turbine;startup;SFC;excitation

京能集團(tuán)北京京西燃?xì)鉄犭娪邢薰救細(xì)廨啓C(jī)為西門(mén)子重型單缸SGT5-4000F（+）型，共有三套機(jī)組，全廠配置了法國(guó)CONVERTEAM公司靜止變頻器，共2套（一用一備），供3臺(tái)燃機(jī)啟動(dòng)使用。靜止變頻器（以下簡(jiǎn)稱SFC）是一個(gè)轉(zhuǎn)速可調(diào)的交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，每臺(tái)裝置的輸入電源各取自6 kV一、三段母線，變頻啟動(dòng)裝置可交叉使用。燃?xì)廨啓C(jī)（包括壓氣機(jī)、燃燒室、透平）與發(fā)電機(jī)連在同一根軸上，用于驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)在基本工況和尖峰工況下運(yùn)行，燃?xì)廨啓C(jī)啟?？欤阌陔娋W(wǎng)調(diào)峰，燃?xì)廨啓C(jī)一般與汽輪機(jī)構(gòu)成燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組[1]。

1 燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)簡(jiǎn)介

本公司的燃?xì)廨啓C(jī)為西門(mén)子重型單缸SGT5-4000F（+）型，整個(gè)機(jī)組的啟動(dòng)和調(diào)速的實(shí)現(xiàn)由啟動(dòng)裝置完成，低速盤(pán)車(chē)時(shí)用液壓盤(pán)車(chē)，啟動(dòng)時(shí)采用SFC裝置。一般來(lái)講，燃機(jī)在長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)啟機(jī)前要進(jìn)行離線水洗及清吹，轉(zhuǎn)速為300～750 r/min。燃機(jī)日啟停時(shí)，由盤(pán)車(chē)進(jìn)入SFC拖動(dòng)狀態(tài)，燃機(jī)頻率在3 Hz時(shí)實(shí)行點(diǎn)火程序，當(dāng)其與SFC—起工作至轉(zhuǎn)速2 100 r/min時(shí)，SFC程序自動(dòng)退出運(yùn)行，SFC的控制策略如表1所示。表1控制策略中的轉(zhuǎn)速會(huì)因機(jī)組不同略有差異，僅供參考。

控制系統(tǒng)調(diào)速器對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)使轉(zhuǎn)速穩(wěn)定升到額定同期并網(wǎng)轉(zhuǎn)速3 000 r/min。機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)準(zhǔn)備并網(wǎng)時(shí)，起勵(lì)電源裝置投入，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子形成磁場(chǎng)，定子線圈實(shí)現(xiàn)電壓輸出。然后，同期控制器投入運(yùn)行，當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出負(fù)荷滿足限定條件時(shí)，電壓、頻率、相位達(dá)到同期條件中的具體數(shù)據(jù)值，然后進(jìn)行機(jī)組并網(wǎng)。燃機(jī)變頻啟動(dòng)及勵(lì)磁系統(tǒng)如圖1所示。

燃機(jī)為程序控制啟動(dòng)，SFC對(duì)系統(tǒng)中的設(shè)備可靠性要求較高，SFC運(yùn)行中會(huì)一直檢測(cè)設(shè)備狀態(tài)及開(kāi)關(guān)位置，監(jiān)控燃機(jī)轉(zhuǎn)速、勵(lì)磁電流、整流、逆變模塊的電壓和電流輸出。當(dāng)遇到偏離預(yù)設(shè)參數(shù)范圍及不滿足程序控制條件時(shí)，SFC就會(huì)立即中止啟動(dòng)，開(kāi)關(guān)自動(dòng)跳閘，所以燃機(jī)啟動(dòng)前要對(duì)相關(guān)設(shè)備、開(kāi)關(guān)、刀閘位置進(jìn)行檢查，停機(jī)時(shí)加強(qiáng)設(shè)備維護(hù)，提高設(shè)備的安全性和可靠性，保證燃機(jī)正常啟動(dòng)。

2 SFC啟動(dòng)及起勵(lì)原理

本公司使用的SFC系統(tǒng)為電流源型交直交變頻調(diào)速裝置，其主要構(gòu)成部分有隔離變壓器、過(guò)電壓保護(hù)裝置、整流橋、斷路器、逆變橋、隔離開(kāi)關(guān)和輔助控制設(shè)備。其中，隔離變壓器使SFC輸入電壓及輸出電壓與發(fā)電機(jī)端電壓相匹配，整流橋?qū)⒔涣麟娬鞒芍绷麟?，整流橋的直流平波電抗器用于整流輸出的平波和去耦，以降低直流電流脈動(dòng)，使直流電具有電流源特性。然后，逆變器將直流電逆變?yōu)轭l率可調(diào)節(jié)的交流電。

SFC系統(tǒng)是一套將恒定電壓和恒定頻率的三相交流電源變成可變電壓和可變頻率的交流電源。SFC利用可控硅變頻裝置產(chǎn)生從零到額定頻率的變頻電源，實(shí)質(zhì)上是設(shè)法改變定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，使定子、轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩能同步地將發(fā)電機(jī)與燃機(jī)拖動(dòng)起來(lái)。當(dāng)機(jī)組的發(fā)電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)時(shí)，SFC變頻啟動(dòng)，并且啟動(dòng)頻率很低，逐漸升高頻率向定子繞組輸入三相交流電，產(chǎn)生可調(diào)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，同時(shí)通過(guò)勵(lì)磁盤(pán)向轉(zhuǎn)子繞組通入勵(lì)磁電流建立磁場(chǎng)，定子的可調(diào)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子的磁極產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生加速轉(zhuǎn)矩，燃機(jī)發(fā)電機(jī)逐漸升速，直到自持轉(zhuǎn)速后，SFC脫開(kāi)減力矩到零[2]。

本公司發(fā)電機(jī)采用的是自并勵(lì)方式勵(lì)磁，自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)是指發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電源是通過(guò)勵(lì)磁變壓器和整流裝置從發(fā)電機(jī)機(jī)端取得的。勵(lì)磁控制系統(tǒng)主要構(gòu)成有發(fā)電機(jī)滅磁裝置、勵(lì)磁變壓器、功率整流裝置、過(guò)電壓保護(hù)裝置、勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置、起勵(lì)設(shè)備以及勵(lì)磁操作設(shè)備等部分。發(fā)電機(jī)自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)是通過(guò)改變轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流大小進(jìn)行的。因?yàn)檗D(zhuǎn)子回路通過(guò)的勵(lì)磁電流很大（燃機(jī)勵(lì)磁電流1 500 A左右），所以勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)一般不在其轉(zhuǎn)子回路中進(jìn)行，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路沒(méi)有調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流裝置。通常采用的方法是用勵(lì)磁控制系統(tǒng)改變勵(lì)磁電流，主要方法有：改變勵(lì)磁控制系統(tǒng)勵(lì)磁回路的電阻;改變勵(lì)磁控制系統(tǒng)的附加勵(lì)磁電流;改變勵(lì)磁控制系統(tǒng)可控硅的導(dǎo)通角等。其中，起勵(lì)單元包括起勵(lì)電源、起勵(lì)接觸器、起勵(lì)二極管和限流電阻。當(dāng)發(fā)電機(jī)準(zhǔn)備并網(wǎng)起勵(lì)時(shí)，要合入交流380 V起勵(lì)電源，將其整流為直流電，然后為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供勵(lì)磁電流，用以建立初步的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，10 s左右后程序自動(dòng)斷開(kāi)起勵(lì)電源，如果此時(shí)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓達(dá)到或超過(guò)10%額定電壓時(shí)，勵(lì)磁控制系統(tǒng)中的勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置向可控硅開(kāi)放觸發(fā)脈沖，將勵(lì)磁變壓器來(lái)的交流電在整流橋中轉(zhuǎn)換為直流，為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組提供勵(lì)磁電流。隨著勵(lì)磁電流的增加，發(fā)電機(jī)逐步升壓至額定值。

3 SFC啟動(dòng)失敗情況描述及對(duì)策

SFC程序啟動(dòng)時(shí)，進(jìn)入吹掃步驟后，啟動(dòng)失敗，導(dǎo)致燃機(jī)轉(zhuǎn)速無(wú)法進(jìn)入升速過(guò)程，轉(zhuǎn)速下降至盤(pán)車(chē)轉(zhuǎn)速。在查找報(bào)警后，判斷其為“斷路器合閘超時(shí)”及“風(fēng)機(jī)啟動(dòng)超時(shí)”等故障，通過(guò)報(bào)警信息分析，查找到可能出現(xiàn)問(wèn)題的設(shè)備并進(jìn)行電阻測(cè)量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，功率柜控制模塊上的卡件在上電時(shí)發(fā)生內(nèi)部擊穿，控制模塊中的一部分卡件通道損壞。在更換受損控制模塊卡件后，SFC程序啟動(dòng)正常。在工作中，要保持設(shè)備間干燥通風(fēng)，定期對(duì)控制柜中的模塊進(jìn)行絕緣測(cè)量，提高控制模塊的絕緣性[3]。

SFC程序啟動(dòng)時(shí)，DCS（分散控制系統(tǒng)）畫(huà)面顯示，中壓斷路器、電動(dòng)切換刀閘和出口電動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)均已合閘，燃機(jī)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速升速至750 r/min后跳閘，轉(zhuǎn)速下降至盤(pán)車(chē)轉(zhuǎn)速。SFC系統(tǒng)沒(méi)有發(fā)出任何報(bào)警和故障信號(hào)，并且DCS畫(huà)面顯示中壓斷路器開(kāi)關(guān)狀態(tài)最先由合轉(zhuǎn)分，不符合程序分合閘邏輯。通過(guò)對(duì)中壓斷路器開(kāi)關(guān)停電并測(cè)絕緣性能，中壓斷路器絕緣值正常，送電后開(kāi)關(guān)狀態(tài)正常，但在停電過(guò)程中，小車(chē)開(kāi)關(guān)行程未搖滿20圈（正常為20圈），判斷小車(chē)開(kāi)關(guān)未嚴(yán)格送到位而導(dǎo)致上電后保護(hù)跳閘觸發(fā)。重新順控啟動(dòng)SFC后，結(jié)果正常。在停送電過(guò)程中，嚴(yán)格執(zhí)行兩票制度，送電時(shí)要將小車(chē)嚴(yán)格送到位。

在燃機(jī)水洗后進(jìn)行清吹，清吹結(jié)束后，SFC模式選擇仍處于“清吹”模式，未切換至“NO SEL”模式，因模式不對(duì)應(yīng)，投入SFC及燃機(jī)啟動(dòng)順控后，SFC未接收到直啟指令，步序未執(zhí)行。所以，在當(dāng)前控制邏輯未優(yōu)化前，在清吹結(jié)束停運(yùn)SFC后，手動(dòng)將功能SFC模式選擇塊置于“NO SEL”模式。運(yùn)行人員在機(jī)組啟動(dòng)前再次確認(rèn)模式選擇塊處于“NO SEL”模式。

在啟動(dòng)SFC時(shí)，將SFC模式選擇塊切至“DIR STR”模式后，再次投入SFC及啟動(dòng)順控，6 kV開(kāi)關(guān)未合入，SFC跳閘，報(bào)警為“電源斷路器1故障”“缺少順序控制使能”。根據(jù)對(duì)順控邏輯的分析，在保證SFC和勵(lì)磁系統(tǒng)均無(wú)報(bào)警的情況下，SFC先收到被TCS選擇的指令。之后發(fā)出MBM1（IKG01）開(kāi)關(guān)合閘指令和MBM01開(kāi)關(guān)合閘指令，配合著燃機(jī)準(zhǔn)備就緒的信號(hào)，SFC準(zhǔn)備就緒指令發(fā)出。然后，TCS發(fā)出具體模式選擇的指令（輕吹、水洗、直啟）。在模式選擇指令下達(dá)前，SFC被選擇指令必須先下達(dá)且SFC接收到，才能正常拖動(dòng)，若順序顛倒，則會(huì)報(bào)出F49902缺少順序控制功能的故障報(bào)文。所以，SFC未啟動(dòng)原因?yàn)橄冗x擇“DIR STR”模式，再選擇SFC，影響SFC順控邏輯判斷。

啟動(dòng)SFC失敗后，將各報(bào)警復(fù)位，再次投入SFC及直啟順控，SFC因?yàn)槌瑫r(shí)自動(dòng)退出。在查找順控邏輯框圖后，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，再次投入SFC及直啟順控，因投入時(shí)盤(pán)車(chē)未達(dá)到SFC拖動(dòng)最低轉(zhuǎn)速，造成SFC超時(shí)自動(dòng)退出。復(fù)位后，再次啟動(dòng)正常。運(yùn)行人員在操作時(shí)應(yīng)注意，在SFC啟動(dòng)發(fā)生異常后，經(jīng)復(fù)位完成，重新檢查機(jī)組啟動(dòng)條件，待READY FOR START中條件都滿足后再投入SFC及啟動(dòng)順控。

4 起勵(lì)啟動(dòng)失敗原因及對(duì)策

燃?xì)廨啓C(jī)定速3 000 r/min后，并網(wǎng)前轉(zhuǎn)子需要建立初步磁場(chǎng)，這就需要起勵(lì)設(shè)備。起勵(lì)設(shè)備有時(shí)會(huì)起勵(lì)失敗，而導(dǎo)致起勵(lì)失敗的因素有很多，主要包含勵(lì)磁系統(tǒng)本體故障、發(fā)電機(jī)電氣一次設(shè)備損壞以及運(yùn)行人員自身的誤操作等。下面介紹了幾種燃機(jī)發(fā)電機(jī)起勵(lì)失敗的原因，然后進(jìn)行故障分析，找到起勵(lì)失敗的對(duì)策。

就地檢查勵(lì)磁系統(tǒng)有無(wú)異常，有無(wú)報(bào)警信息，有報(bào)警信息時(shí)是否已復(fù)位，勵(lì)磁開(kāi)關(guān)分合閘位置是否正確，是否合入起勵(lì)電源。在DCS畫(huà)面中，要查看燃機(jī)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速是否在3 000 r/min，進(jìn)而排查運(yùn)行人員是否有誤操作。

就地檢查勵(lì)磁碳刷是否完整及引線接觸是否良好，檢查發(fā)電機(jī)的高壓、短路、空載試驗(yàn)數(shù)據(jù)是否真實(shí)、合格，啟動(dòng)前有無(wú)測(cè)量發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、定子絕緣數(shù)值，測(cè)量數(shù)據(jù)是否合格，進(jìn)而排查其是否由發(fā)電機(jī)電氣一次設(shè)備故障引起[4]。

檢查勵(lì)磁系統(tǒng)有無(wú)故障。檢查起勵(lì)回路接線是否緊固，接觸器吸合是否正常，起勵(lì)二極管、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器是否損壞，啟動(dòng)及工作交流滅磁開(kāi)關(guān)狀態(tài)是否正確，還可以進(jìn)一步對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)做假負(fù)載試驗(yàn)，計(jì)算起勵(lì)回路電阻是否與設(shè)計(jì)值一致，作為勵(lì)磁系統(tǒng)是否正常的依據(jù)。

調(diào)節(jié)器沒(méi)有發(fā)出“起勵(lì)失敗”的信號(hào)，但發(fā)電機(jī)仍然無(wú)法自動(dòng)起勵(lì)，那么可以在勵(lì)磁盤(pán)附近起勵(lì)或者遠(yuǎn)方人工起勵(lì)。如果燃機(jī)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組已有勵(lì)磁電流輸入，燃機(jī)發(fā)電機(jī)定子仍無(wú)法建立電壓，則應(yīng)考慮適當(dāng)調(diào)節(jié)起勵(lì)限流電阻，增加發(fā)電機(jī)起勵(lì)電流并進(jìn)行試驗(yàn)[5]。

勵(lì)磁系統(tǒng)沒(méi)有問(wèn)題仍不能起勵(lì)時(shí)，應(yīng)該檢查燃機(jī)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵芯中的剩磁方向是否與起勵(lì)時(shí)勵(lì)磁電流建立的磁場(chǎng)方向相反而進(jìn)行了反向充磁，造成鐵芯剩磁減少甚至反向[6]。

5 結(jié)語(yǔ)

在電網(wǎng)深度調(diào)峰的要求下，燃機(jī)的日啟停穩(wěn)定性及安全性變得極為重要。這就對(duì)電廠靜止變頻器啟動(dòng)及起勵(lì)提出較高的可靠性要求。對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行狀況及SFC系統(tǒng)運(yùn)行特性，人們還需要進(jìn)一步深入了解，這是一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間的積累探索過(guò)程。隨著燃?xì)怆姀S數(shù)量的增加，本文所述的問(wèn)題及處理方法可以供其他燃?xì)怆姀S借鑒交流，積累經(jīng)驗(yàn)，以便及時(shí)解決問(wèn)題，保證燃?xì)廨啓C(jī)的正常安全運(yùn)行。

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