馬桂芳,劉生建

(龍巖學院物理與機電工程學院,福建龍巖364012)

GE 9FA燃氣輪機靜態(tài)變頻啟動裝置故障分析及處理

馬桂芳,劉生建

(龍巖學院物理與機電工程學院,福建龍巖364012)

靜態(tài)變頻裝置是9FA燃機的重要部件,根據(jù)GE 9FA中所采用的型號為LS2100變頻啟動裝置的啟動特性,通過電廠因靜態(tài)變頻啟動裝置造成機組無法啟動的實例分析LCI在運行中出現(xiàn)的故障及處理辦法.

燃氣輪機;LS2100;靜態(tài)變頻啟動;故障處理

燃氣---蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組是一種高效環(huán)保的發(fā)電裝置,近年來在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的發(fā)展,而靜態(tài)變頻啟動系統(tǒng)(GE公司簡稱為LCI)是現(xiàn)代電力電子技術(shù)在燃機領(lǐng)域的一種新的應用,它具有操作簡單、維護量小、運行成本低等優(yōu)點,因此在ABB、GE、SIEMENS、三菱等公司得到廣泛的應用.

燃氣輪機透平在運行中產(chǎn)生的功率有2/3用于壓氣機,在啟動過程中透平?jīng)]有做功,聯(lián)合循環(huán)機組只有在燃氣輪機啟動后才能進入系統(tǒng)正常運行.然而機組只有達到自持轉(zhuǎn)速(一般為額定轉(zhuǎn)速的90%)以后,才能夠獨立地運轉(zhuǎn)和加速,在達到自持轉(zhuǎn)速之前,它必須借助于外界的動力啟動和加速.所以燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)機組必須有一套額外的裝置供給燃機功率,在控制系統(tǒng)的命令下,幫助燃氣輪機按照啟動程序旋轉(zhuǎn)、點火、升速,最后完成燃氣輪機的啟動.目前GE 9FA機組使用的啟動方式為LCI靜態(tài)變頻啟動.LCI的正常運行與機組的正常啟動有著密不可分的聯(lián)系[1].

針對電廠出現(xiàn)的幾個LCI故障導致機組啟動失敗的案例進行分析,提出解決方案.

1 靜態(tài)變頻系統(tǒng)的啟動過程

1.1 工作原理

聯(lián)合循環(huán)機組啟動時發(fā)電機是作為同步電動機工作的,其定子繞組由LCI供電,轉(zhuǎn)子繞組由廠用6 KV電源供電.在定子和轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的電磁力作用下使發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動并升速[2].

LCI是用電流這個物理量來控制發(fā)電機轉(zhuǎn)速的,通過傳感器反饋來的實際轉(zhuǎn)速與給定的轉(zhuǎn)速相比較后進入速度調(diào)節(jié)器.速度調(diào)節(jié)器產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩電流命令,此命令經(jīng)過最小電流限定器后與定子反饋的電流進行比較,最后進入電流調(diào)節(jié)器,調(diào)節(jié)定子電流,從而調(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速[3].靜態(tài)變頻啟動裝置的單線圖如圖1所示.

圖1 靜態(tài)啟動裝置的單線圖

1.2 啟動過程

起初燃氣輪機---發(fā)電機組盤車轉(zhuǎn)速為4 rpm.LS2100型LCI的工作過程為:啟動時,LCI連接到發(fā)電機定子并承擔勵磁器轉(zhuǎn)子電壓基準的控制.LCI將機組加速到清吹轉(zhuǎn)速設(shè)定值699 rpm,保持在此轉(zhuǎn)速大約11 min.清吹結(jié)束之后,LCI停止輸出,機組惰走到點火轉(zhuǎn)速399 rpm,一旦達到這個轉(zhuǎn)速,輸出再次啟動,燃機點火.機組保持在恒定轉(zhuǎn)速421 rpm來暖機.暖機1min后結(jié)束,LCI使機組加速到自持轉(zhuǎn)速2 700 rpm,在此轉(zhuǎn)速LCI停止并從發(fā)電機斷開.啟動時LCI電流與機組轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線如圖2所示.

圖2 燃氣輪機機組啟動時LCI電流與機組轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線

1.3 控制方式

GE 9FA單軸聯(lián)合循環(huán)機組采用LCI啟動,在我國一般采用一拖二(兩臺燃機配置1臺LCI)、二拖二(2臺燃機配置2臺LCI)、二拖三(3臺燃機配置2臺LCI).某電廠采用"一拖二"的方式,2臺LCI負責啟動4臺透平發(fā)電機組.每個LCI有1個馬達操作的開關(guān)89MD,用于連接到各自的啟動母線.每個發(fā)電機有一個馬達操作的開關(guān)89SS,用于將2條啟動母線中的一條連接到發(fā)電機定子[4].系統(tǒng)圖如圖3所示.

圖3 LCI一拖二單線圖

2 LCI運行故障分析及處理

LCI的正常運行是機組正常啟動的先決條件,特別對于早起晚停的調(diào)峰機組來說,LCI的重要性更是不言而喻的,在此對于LCI在日常出現(xiàn)的故障進行分析和提出處理方案.

2.1 輸出熔斷器燒毀

2.1.1 某事件過程(采用一拖二的方式,即2臺LCI啟動四組發(fā)電機組,#1LCI代表第一臺LCI)

5:30,#1機選擇#1LCI啟動.5:50升速至1 512 rpm,機組跳閘,首出"靜態(tài)啟動裝置遮斷".人員到現(xiàn)場檢查未發(fā)現(xiàn)異常,報警未發(fā)現(xiàn)異常,對控制器重啟后報警消失.6:00#2機選擇#2LCI啟動,正常升速.6:24機組并列.6:27,#1機選擇#2LCI啟動,正常升速.6:52機組并列.7:19#3機選擇#2LCI啟動.7:39升速至1 723 rpm,機組跳閘,首出"靜態(tài)啟動裝置遮斷".裝置報警"整流橋A過載",檢修人員到場檢查未發(fā)現(xiàn)異常,復位后報警消失.8:12#3機選擇#1LCI啟動,升速至40 rpm,機組跳閘,首出"靜態(tài)啟動裝置遮斷".8:17#3機選擇#2LCI啟動,升速至71 rpm,機組跳閘,首出"靜態(tài)啟動裝置遮斷".8:30就地檢查#2LCI控制器報警"Load overcurrent"負荷過載.控制小間有輕微異味,檢查89MD-1的輸出保險,發(fā)現(xiàn)A相3個保險均炸裂.檢查#1LCI控制器報警"Failure to start"啟動失敗.

2.1.2 原因分析

(1)#1LCI第一次啟動到1 512 rpm跳閘時,#1LCI的輸入電流1 049 A,與正常啟動時此轉(zhuǎn)速下對應的輸入電流基本一致,LCI的輸出電流無法直接讀得.核對LCI故障跳閘的電流變化曲線與正常啟動的電流曲線一致.判斷#1LCI內(nèi)部沒有問題,輸出保險炸裂的原因是器件老化.

(2)#1LCI第二次啟動時跳閘,分析由于LCI已缺相輸出,在發(fā)電機加勵磁后,由于初期LCI是采用強制整流啟動的,故兩個磁場的作用仍將發(fā)電機拖動到40 rpm,但隨即整流橋檢測到缺相過載,立即保護動作跳閘.

(3)#2LCI第三次啟動到1 723 rpm時跳閘,報警已發(fā)出"整流橋A過載",由于經(jīng)驗原因及搶著開機,沒有仔細分析,這時輸出保險應該已經(jīng)炸裂.炸裂的原因主要是由于連續(xù)啟動機組,保險絲的熱量未完全散化,熱量積累導致熔絲熔斷.核對LCI故障跳閘的電流變化曲線與正常啟動的電流曲線一致.判斷#2LCI內(nèi)部沒有問題.

(4)#2LCI第四次啟動到71 rpm跳閘,原因與#1LCI第二次啟動跳閘一致.同樣是由于此時#2LCI單相輸出保險已經(jīng)炸裂,LCI缺相輸出,在發(fā)電機加勵磁后,LCI初期強制整流啟動,磁場作用將發(fā)電機拖動至71 rpm,而后整流橋檢測到缺相運行,保護動作跳閘[5].

2.1.3 處理方式

(1)由于LCI輸入電流與發(fā)電機的輸出保險的定值相差不遠,導致LCI長期在定值邊緣運行,加速了輸出保險的老化,故根據(jù)GE的TIL文件,將LCI的輸出保險由現(xiàn)在的1 050 A更換為1 400 A.

(2)對LCI的連續(xù)啟動,規(guī)定15min的冷卻時間,以使隔離變、可控硅、輸出保險的熱量能散出,保證設(shè)備的正常運行.

(3)增加LCI小室的空調(diào)數(shù)量,加大LCI小室室內(nèi)的冷卻力度,使得LCI小室內(nèi)隔離變、可控硅、輸出保險的熱量能夠盡快散出,保證了LCI的正常運行.

2.1.4 處理結(jié)果

由于多項措施的及時執(zhí)行,保證了LCI輸出保險的冷卻和延期了老化,措施執(zhí)行兩年多來,未發(fā)生同類事故.

2.2 差動保護跳閘

2.2.1 某事件過程

NEP984是國電南自制造的數(shù)字式變壓器差動保護裝置.

某天,檢修人員按計劃對#1機6KV IA段母線、開關(guān)進行試驗、保護定值核對、傳動試驗及LCI隔離變檢修、試驗.其中對隔離變試驗項目有:直流電阻測試、繞組絕緣測量、鐵芯絕緣電阻測量,測試結(jié)果合格;隔離變進線開關(guān)檢修項目有:清灰、端子緊固、圖紙核對、定值核對.當日終結(jié)工作票[5].

5:28,#2機使用#1LCI啟動,MK6發(fā)"Static Starter Fault/Trip""STARTING DEVICE TRIP"報警,機組啟動失敗,就地檢查發(fā)現(xiàn)隔離變進線柜報差動保護動作,LCI系統(tǒng)告"Source breaker fault",復位后報警消失. #2機改用#2LCI啟動.

6:03,#3機使用#1LCI啟動,MK6發(fā)"Static Starter Fault/Trip""STARTING DEVICE TRIP"報警,啟動失敗,就地檢查無告警.檢查隔離變進線柜及隔離變無異常.隔天5:20,#2機組選擇#1LCI啟動,52SS合閘成功,89MD合閘失敗,啟動失敗,就地隔離變保護裝置無告警;就地檢查89MD控制電源未送,將其送上,再次發(fā)啟動令,#2機啟動成功.

2.2.2 原因分析

(1)檢查NEP984動作歷史,確有一次差動動作信號,查錄波信息,差動啟動時各側(cè)電流及相角如表1所示.

表1差動啟動時各側(cè)電流及相角

(2)檢查NEP984定值與定值單一致,主要定值如表2所示.

表2 NEP984定值

(3)檢查隔離變進線柜二次回路正常,試驗繞組直阻、絕緣、鐵芯絕緣合格,初步判斷:隔離變檢修后空載投入,電壓從零忽然升至運行電壓,由于勵磁涌流的影響造成保護誤動.

(4)針對此次誤動,在此僅對二次諧波制動原理進行分析.變壓器差動保護需躲過差動回路中的不平衡電流,通常差動回路中的不平衡電流主要由以下幾種:計算變比與實際變比不一致、互感器傳變誤差、勵磁涌流.根據(jù)三相變壓器勵磁涌流的特點,我國通常采用二次諧波制動的方法來防止勵磁涌流引起差動誤動, NEP984保護裝置也采用此法.

二次諧波制動的差動保護:勵磁涌流中含有大量的二次諧波分量,若檢測到二次諧波含量大于整定值時就將差動繼電器閉鎖.其動作依據(jù)為:I2>K2I1,I1、I2分別為差動電流中的基波分量和二次諧波分量的幅值. K2稱為二次諧波制動比,按躲過各種勵磁涌流下最小的二次諧波含量整定,通常K2=0.15~0.20.

對于該電廠LCI隔離變壓器,南自NEP984保護裝置采用按相制動的方案,若某相差動電流中二次諧波分量大于制動比K2,則閉鎖該相差動保護,各相是相互獨立的.保護裝置中對K2的整定范圍建議值為0.1~0.25,該廠實際整定值為0.15.

(5)通過故障錄波信息分析,此次事件為C相差動動作,原因為勵磁涌流的影響.對數(shù)據(jù)用傅里葉算法進行分析后發(fā)現(xiàn),本次事件差動啟動時,高壓側(cè)A相二次諧波幅值為2.0 A(實際大于2.0 A,取2.0 A,暫時未取得數(shù)據(jù)),B相二次諧波幅值為2.66 A,C相二次諧波幅值為1.2 A.計算二次諧波含量,根據(jù)差動保護機理,A、B相二次諧波含量分別為23.5%、52.66%,大于整定值15%,閉鎖;C相二次諧波含量為11.06%,小于整定值15%,不閉鎖,且此時穿越電流達到10.85 A.由于各相獨立,故總出口為差動動作,跳變壓器高壓側(cè)開關(guān).

C相比率差動動作計算如下:比率制動系數(shù)K=0.6,啟動電流Icd=0.5Ie=1.335 A,拐點電流Ig=0.7Ie= 1.869 A,制動電流Iz為最大穿越電流(裝置內(nèi)部考慮變比、電壓等級、接線方式等因素可能進行轉(zhuǎn)變)10.85 A.則動作值為Icd+(Iz-Ig)X K=1.335+(10.85-1.869)X0.6=6.723 6 A.C相差動電流達10.56 A遠大于動作值,故比率差動動作.

此次事件的原因為:由于變壓器空載合閘,勵磁涌流嚴重,造成C相二次諧波含量小于整定值,未閉鎖保護,且此時穿越電流已超過動作值,故進行保護動作.

2.2.3 處理方式

方案一:降低二次諧波制動系數(shù)整定值,但降低整定值會影響變壓器內(nèi)部故障時差動保護的速動性,原因為差動動作需等待保護閉鎖解除,即等待二次諧波衰減,而二次諧波衰減速度很慢[6].

方案二:采用三相制動方案,即只要有一相二次諧波含量超過整定值,就閉鎖三相保護.該方案與方案一有同樣的缺點,影響速動性.同時當空載合閘前變壓器已經(jīng)存在故障,合閘后故障相位為故障電流,非故障相位為勵磁涌流,此時差動保護很可能被閉鎖[7].

2.3 冷卻系統(tǒng)故障

1.2方法 對照組使用常規(guī)護理[2]。研究組使用分層次護理管理:(1)對護理人員的背景、能力進行了解,分層級進行劃分,進行護理管理[3]。(2)根據(jù)護理人員級別來制定護理方案,不同護理能力制定的培訓護理方案不同。(3)采取獎懲方式,將績效和獎勵聯(lián)系在一起,鼓勵護理人員,激發(fā)他們的工作激情[4]。(4)對排班模式進行改革,讓護理人員有足夠休息時間。(5)實行“一帶一”的模式,促進全體護士進步,經(jīng)驗豐富的護士帶新入職護士,可以減少新護士的差錯率。(6)對護士的精神需求給予重視,對疲憊狀態(tài)給予緩解。開展一些娛樂活動來減輕護理人員壓力。此外,舉辦交流會,相互交流心得,增進感情[10]。

2.3.1 某事件說明

該電廠自運行以來出現(xiàn)了多起由于LCI冷卻系統(tǒng)故障,而造成了LCI無法啟動的事故.

2.3.2 原因分析

(1)靜態(tài)啟動裝置的電導率與閉冷水水溫有著直接的關(guān)系,閉冷水水溫升高LCI的水質(zhì)電阻率會降低.因水溫升高,水中的離子熱運動加快,在電場作用下,離子的定向運行加快,使水中的電阻率降低.當電阻率低于1.0MΩ.m時,靜態(tài)啟動裝置閉鎖機組無法啟動.

(2)水中的雜質(zhì)和懸浮物,使離子交換器堵塞,去離子器漸漸失去交換功能.長期沒有更換或清洗,也會導致電阻率的下降.

2.3.3 處理方式

(1)保證公用閉冷水系統(tǒng)的供應,不可中斷,必須保證開式循環(huán)水的溫度以及熱交換器正常運行,特別是在夜班機組停運的情況下,加強監(jiān)視閉冷水溫度,必要時啟動開式泵,冷卻閉冷水溫度.

(2)加強就地巡檢,每班兩次抄錄電阻率,如遇電阻率偏低持續(xù)現(xiàn)象,及時更換冷卻液.

(3)使用冷卻水系統(tǒng)再沖洗方案,對去離子器進行清洗,通過三個階段的清洗:1)加洗滌液沖洗階段, 1~3天;2)開式循環(huán)沖洗階段,1天左右;3)用超純水閉式循環(huán)階段,一周左右.清除附著在去離子器樹脂上的雜質(zhì)和懸浮物.

3 結(jié)語

對于大部分作為調(diào)峰甚至兩班制的燃氣輪機機組來說,作為啟動裝置的LCI其性能的可靠性和安全性是燃氣輪機機組發(fā)電、調(diào)峰的不容忽視的先決條件[8].LS2100型LCI的啟動特性容易導致一些問題的出現(xiàn),通過分析并解決這些問題,使LCI的啟動得到了可靠的保障,使9FA燃氣輪機作為調(diào)峰機組在迎峰度夏這樣的非常時刻充分的發(fā)揮了作用.

參考文獻:

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[2]劉惠明.大型燃氣輪機發(fā)電機組靜態(tài)變頻起動裝置及其運行維護[J].燃氣輪機發(fā)電技術(shù),2000,2(3-4):198-202.

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On the fault analysis and hand ling of GE 9FA gas turbine static frequency converter device

MA Gui-fang,LIU Sheng-jian
(Physical and Mechanical and Electrical Engineering College,Longyan University, Longyan 364012,Fujian,China)

Static frequency converter is an important component of 9FA gas turbine,starting characteristics of the LS2100 inverter using GE in 9FA is introduced in this paper.A case study of the failure of the power plant due to static frequency-converted device group shows the dealing of its errors during operation of LCI.

gas turbine;LS2100;static frequency converter;fault handling

TM311

:A

:1007-5348(2014)06-0041-06

(責任編輯:李婉)

2014-03-14

馬桂芳(1984-),女,福建龍巖人,龍巖學院物理與機電工程學院講師,碩士,主要研究從事電機控制與電氣控制方面的研究.