張宇

摘 要：京能集團(tuán)北京京西燃?xì)鉄犭娪邢薰狙b有三套西門子F級燃機(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)啟動失敗的情況。故障主要為SFC啟動失敗及發(fā)電機(jī)無法勵磁。為保證燃機(jī)平穩(wěn)、快速、可靠、頻繁啟動，本文分析了燃機(jī)啟動期間SFC啟動及起勵時出現(xiàn)的故障，并提出排查方法和對策。

關(guān)鍵詞：燃機(jī);啟動;SFC;起勵

中圖分類號：TM921.51;TM62 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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)為西門子重型單缸SGT5-4000F（+）型，共有三套機(jī)組，全廠配置了法國CONVERTEAM公司靜止變頻器，共2套（一用一備），供3臺燃機(jī)啟動使用。靜止變頻器（以下簡稱SFC）是一個轉(zhuǎn)速可調(diào)的交流驅(qū)動系統(tǒng)，每臺裝置的輸入電源各取自6 kV一、三段母線，變頻啟動裝置可交叉使用。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)動發(fā)電機(jī)在基本工況和尖峰工況下運行，燃?xì)廨啓C(jī)啟?？?，便于電網(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)啟動簡介

本公司的燃?xì)廨啓C(jī)為西門子重型單缸SGT5-4000F（+）型，整個機(jī)組的啟動和調(diào)速的實現(xiàn)由啟動裝置完成，低速盤車時用液壓盤車，啟動時采用SFC裝置。一般來講，燃機(jī)在長時間停機(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，由盤車進(jìn)入SFC拖動狀態(tài)，燃機(jī)頻率在3 Hz時實行點火程序，當(dāng)其與SFC—起工作至轉(zhuǎn)速2 100 r/min時，SFC程序自動退出運行，SFC的控制策略如表1所示。表1控制策略中的轉(zhuǎn)速會因機(jī)組不同略有差異，僅供參考。

控制系統(tǒng)調(diào)速器對燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，在規(guī)定時間內(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)組運行平穩(wěn)準(zhǔn)備并網(wǎng)時，起勵電源裝置投入，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子形成磁場，定子線圈實現(xiàn)電壓輸出。然后，同期控制器投入運行，當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出負(fù)荷滿足限定條件時，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)變頻啟動及勵磁系統(tǒng)如圖1所示。

燃機(jī)為程序控制啟動，SFC對系統(tǒng)中的設(shè)備可靠性要求較高，SFC運行中會一直檢測設(shè)備狀態(tài)及開關(guān)位置，監(jiān)控燃機(jī)轉(zhuǎn)速、勵磁電流、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，SFC就會立即中止啟動，開關(guān)自動跳閘，所以燃機(jī)啟動前要對相關(guān)設(shè)備、開關(guān)、刀閘位置進(jìn)行檢查，停機(jī)時加強(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。

2 SFC啟動及起勵原理

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、過電壓保護(hù)裝置、整流橋、斷路器、逆變橋、隔離開關(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，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，實質(zhì)上是設(shè)法改變定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(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)拖動起來。當(dāng)機(jī)組的發(fā)電機(jī)作為電動機(jī)拖動時，SFC變頻啟動，并且啟動頻率很低，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，同時通過勵磁盤向轉(zhuǎn)子繞組通入勵磁電流建立磁場，定子的可調(diào)旋轉(zhuǎn)磁場與轉(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脫開減力矩到零[2]。

本公司發(fā)電機(jī)采用的是自并勵方式勵磁，自并勵靜止勵磁系統(tǒng)是指發(fā)電機(jī)的勵磁電源是通過勵磁變壓器和整流裝置從發(fā)電機(jī)機(jī)端取得的。勵磁控制系統(tǒng)主要構(gòu)成有發(fā)電機(jī)滅磁裝置、勵磁變壓器、功率整流裝置、過電壓保護(hù)裝置、勵磁調(diào)節(jié)裝置、起勵設(shè)備以及勵磁操作設(shè)備等部分。發(fā)電機(jī)自動勵磁調(diào)節(jié)是通過改變轉(zhuǎn)子勵磁電流大小進(jìn)行的。因為轉(zhuǎn)子回路通過的勵磁電流很大（燃機(jī)勵磁電流1 500 A左右），所以勵磁電流調(diào)節(jié)一般不在其轉(zhuǎn)子回路中進(jìn)行，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路沒有調(diào)節(jié)勵磁電流裝置。通常采用的方法是用勵磁控制系統(tǒng)改變勵磁電流，主要方法有：改變勵磁控制系統(tǒng)勵磁回路的電阻;改變勵磁控制系統(tǒng)的附加勵磁電流;改變勵磁控制系統(tǒng)可控硅的導(dǎo)通角等。其中，起勵單元包括起勵電源、起勵接觸器、起勵二極管和限流電阻。當(dāng)發(fā)電機(jī)準(zhǔn)備并網(wǎng)起勵時，要合入交流380 V起勵電源，將其整流為直流電，然后為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供勵磁電流，用以建立初步的旋轉(zhuǎn)磁場，10 s左右后程序自動斷開起勵電源，如果此時發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓達(dá)到或超過10%額定電壓時，勵磁控制系統(tǒng)中的勵磁調(diào)節(jié)裝置向可控硅開放觸發(fā)脈沖，將勵磁變壓器來的交流電在整流橋中轉(zhuǎn)換為直流，為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組提供勵磁電流。隨著勵磁電流的增加，發(fā)電機(jī)逐步升壓至額定值。

3 SFC啟動失敗情況描述及對策

SFC程序啟動時，進(jìn)入吹掃步驟后，啟動失敗，導(dǎo)致燃機(jī)轉(zhuǎn)速無法進(jìn)入升速過程，轉(zhuǎn)速下降至盤車轉(zhuǎn)速。在查找報警后，判斷其為“斷路器合閘超時”及“風(fēng)機(jī)啟動超時”等故障，通過報警信息分析，查找到可能出現(xiàn)問題的設(shè)備并進(jìn)行電阻測量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，功率柜控制模塊上的卡件在上電時發(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程序啟動正常。在工作中，要保持設(shè)備間干燥通風(fēng)，定期對控制柜中的模塊進(jìn)行絕緣測量，提高控制模塊的絕緣性[3]。

SFC程序啟動時，DCS（分散控制系統(tǒng)）畫面顯示，中壓斷路器、電動切換刀閘和出口電動隔離開關(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)速下降至盤車轉(zhuǎn)速。SFC系統(tǒng)沒有發(fā)出任何報警和故障信號，并且DCS畫面顯示中壓斷路器開關(guān)狀態(tài)最先由合轉(zhuǎn)分，不符合程序分合閘邏輯。通過對中壓斷路器開關(guān)停電并測絕緣性能，中壓斷路器絕緣值正常，送電后開關(guān)狀態(tài)正常，但在停電過程中，小車開關(guān)行程未搖滿20圈（正常為20圈），判斷小車開關(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SFC后，結(jié)果正常。在停送電過程中，嚴(yán)格執(zhí)行兩票制度，送電時要將小車嚴(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，因模式不對應(yīng)，投入SFC及燃機(jī)啟動順控后，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SFC后，手動將功能SFC模式選擇塊置于“NO SEL”模式。運行人員在機(jī)組啟動前再次確認(rèn)模式選擇塊處于“NO SEL”模式。

在啟動SFC時，將SFC模式選擇塊切至“DIR STR”模式后，再次投入SFC及啟動順控，6 kV開關(guān)未合入，SFC跳閘，報警為“電源斷路器1故障”“缺少順序控制使能”。根據(jù)對順控邏輯的分析，在保證SFC和勵磁系統(tǒng)均無報警的情況下，SFC先收到被TCS選擇的指令。之后發(fā)出MBM1（IKG01）開關(guān)合閘指令和MBM01開關(guān)合閘指令，配合著燃機(jī)準(zhǔn)備就緒的信號，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，若順序顛倒，則會報出F49902缺少順序控制功能的故障報文。所以，SFC未啟動原因為先選擇“DIR STR”模式，再選擇SFC，影響SFC順控邏輯判斷。

啟動SFC失敗后，將各報警復(fù)位，再次投入SFC及直啟順控，SFC因為超時自動退出。在查找順控邏輯框圖后，經(jīng)過數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，再次投入SFC及直啟順控，因投入時盤車未達(dá)到SFC拖動最低轉(zhuǎn)速，造成SFC超時自動退出。復(fù)位后，再次啟動正常。運行人員在操作時應(yīng)注意，在SFC啟動發(fā)生異常后，經(jīng)復(fù)位完成，重新檢查機(jī)組啟動條件，待READY FOR START中條件都滿足后再投入SFC及啟動順控。

4 起勵啟動失敗原因及對策

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，這就需要起勵設(shè)備。起勵設(shè)備有時會起勵失敗，而導(dǎo)致起勵失敗的因素有很多，主要包含勵磁系統(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)起勵失敗的原因，然后進(jìn)行故障分析，找到起勵失敗的對策。

就地檢查勵磁系統(tǒng)有無異常，有無報警信息，有報警信息時是否已復(fù)位，勵磁開關(guān)分合閘位置是否正確，是否合入起勵電源。在DCS畫面中，要查看燃機(jī)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速是否在3 000 r/min，進(jìn)而排查運行人員是否有誤操作。

就地檢查勵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、空載試驗數(shù)據(jù)是否真實、合格，啟動前有無測量發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、定子絕緣數(shù)值，測量數(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]。

檢查勵磁系統(tǒng)有無故障。檢查起勵回路接線是否緊固，接觸器吸合是否正常，起勵二極管、勵磁調(diào)節(jié)器是否損壞，啟動及工作交流滅磁開關(guān)狀態(tài)是否正確，還可以進(jìn)一步對勵磁系統(tǒng)做假負(fù)載試驗，計算起勵回路電阻是否與設(shè)計值一致，作為勵磁系統(tǒng)是否正常的依據(jù)。

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

勵磁系統(tǒng)沒有問題仍不能起勵時，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時勵磁電流建立的磁場方向相反而進(jìn)行了反向充磁，造成鐵芯剩磁減少甚至反向[6]。

5 結(jié)語

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。這就對電廠靜止變頻器啟動及起勵提出較高的可靠性要求。對于燃?xì)廨啓C(jī)運行狀況及SFC系統(tǒng)運行特性，人們還需要進(jìn)一步深入了解，這是一個長時間的積累探索過程。隨著燃?xì)怆姀S數(shù)量的增加，本文所述的問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，以便及時解決問題，保證燃?xì)廨啓C(jī)的正常安全運行。

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