國家能源集團(tuán)宿遷發(fā)電有限公司 馬士松 婁 杉

汽電雙驅(qū)引風(fēng)機(jī)近年來逐步應(yīng)用于大型火電廠，相比傳統(tǒng)背壓機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的引風(fēng)機(jī)，汽電雙驅(qū)引風(fēng)機(jī)的小汽輪機(jī)運(yùn)行時(shí)可保持調(diào)門全開、效率高，經(jīng)濟(jì)性顯著，且背壓機(jī)和電動(dòng)機(jī)均可單獨(dú)作為引風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，較大提高了汽電雙驅(qū)引風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備選擇靈活性，在考慮常規(guī)運(yùn)行模式以外，還需要考慮引風(fēng)機(jī)電機(jī)故障時(shí)，背壓機(jī)直接驅(qū)動(dòng)軸系的特殊運(yùn)行方式。

1 汽電雙驅(qū)引風(fēng)機(jī)運(yùn)行模式簡介

某火電廠在國內(nèi)首次采用了汽電雙驅(qū)高效靈活供熱技術(shù)，設(shè)置有背壓式汽輪機(jī)、齒輪箱及離合器、異步電動(dòng)發(fā)電機(jī)和引風(fēng)機(jī)，軸系布置為引風(fēng)機(jī)汽輪機(jī)—定速比齒輪箱（帶離合器）—異步電動(dòng)/發(fā)電機(jī)—引風(fēng)機(jī)。

正常運(yùn)行時(shí)，引風(fēng)機(jī)背壓機(jī)的進(jìn)汽調(diào)門如未全開、電動(dòng)機(jī)和汽輪機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)處于汽電混驅(qū)模式；引風(fēng)機(jī)背壓機(jī)的進(jìn)汽調(diào)門全開、汽輪機(jī)輸出動(dòng)力富余時(shí)，則電動(dòng)機(jī)自動(dòng)變?yōu)榘l(fā)電狀態(tài)，供廠用電運(yùn)行，系統(tǒng)處于汽驅(qū)發(fā)電模式。

除了正常運(yùn)行方式，汽電雙驅(qū)引風(fēng)機(jī)還可以采用背壓機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)（汽動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式）、電動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)（電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式）方式。

汽電雙驅(qū)引風(fēng)機(jī)的背壓機(jī)和電動(dòng)機(jī)均可單獨(dú)作為引風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，通過理論和實(shí)踐已經(jīng)證明，引風(fēng)機(jī)背壓機(jī)跳閘時(shí)，電機(jī)能夠迅速從發(fā)電機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)為電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)為電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式，引風(fēng)機(jī)背壓機(jī)降速后離合器自動(dòng)脫開。此過程中，異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化范圍在747～753r/min，這對爐膛負(fù)壓調(diào)整、廠用電系統(tǒng)、機(jī)組負(fù)荷影響都微乎其微，工況自動(dòng)切換穩(wěn)定，完全無擾切換[1]。

對于正常運(yùn)行中，引風(fēng)機(jī)電機(jī)跳閘，但如仍可以作為傳動(dòng)軸使用時(shí)，就需要考慮汽引小機(jī)不跳閘、通過迅速關(guān)閉引風(fēng)機(jī)背壓機(jī)調(diào)門的方式控制軸系轉(zhuǎn)速，在轉(zhuǎn)速下降到某一定值后再逐步開出調(diào)門、實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制。即背壓機(jī)需要控制好轉(zhuǎn)速、直接驅(qū)動(dòng)引風(fēng)機(jī)、保證引風(fēng)機(jī)最大限度地投運(yùn)，而不觸發(fā)RB快速減負(fù)荷。這需要綜合考慮對引風(fēng)機(jī)背壓機(jī)轉(zhuǎn)速、鍋爐爐膛負(fù)壓、6kV廠用系統(tǒng)和供熱系統(tǒng)的影響，特別是小輪機(jī)與引風(fēng)機(jī)功率不平衡的問題。

2 引風(fēng)機(jī)電機(jī)故障時(shí)背壓機(jī)直接驅(qū)動(dòng)軸系的可行性分析

為分析引風(fēng)機(jī)電機(jī)故障對軸系轉(zhuǎn)速的影響，首先應(yīng)判斷電機(jī)是否具備作為傳動(dòng)軸的功能。其次要計(jì)算出甩掉發(fā)電功率后引風(fēng)機(jī)背壓機(jī)轉(zhuǎn)速的超調(diào)量，如果該數(shù)值超過引風(fēng)機(jī)背壓機(jī)超速保護(hù)定值，則不能考慮引風(fēng)機(jī)電機(jī)跳閘后由背壓機(jī)維持額定轉(zhuǎn)速的可行性，而是需要將保護(hù)邏輯設(shè)置為引風(fēng)機(jī)電機(jī)跳閘后即聯(lián)跳背壓機(jī)；如果該數(shù)值低于引風(fēng)機(jī)背壓機(jī)超速保護(hù)定值且有一定余量，則可以考慮通過構(gòu)建類似于“主機(jī)OPC超速保護(hù)”的邏輯，在引風(fēng)機(jī)電機(jī)跳閘后，即迅速關(guān)閉背壓機(jī)調(diào)門，當(dāng)背壓機(jī)轉(zhuǎn)速下降至一定值時(shí)，再將背壓機(jī)的“閥位控制模式”退出，重新投入調(diào)門的轉(zhuǎn)速控制模式。下文從電機(jī)保護(hù)設(shè)置、背壓機(jī)超速計(jì)算、轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制等幾方面進(jìn)行研究。

3 引風(fēng)機(jī)電機(jī)的電氣保護(hù)設(shè)置分析

當(dāng)引風(fēng)機(jī)電機(jī)故障、開關(guān)跳閘后，如背壓機(jī)直接驅(qū)動(dòng)引風(fēng)機(jī)，電機(jī)必須作為傳動(dòng)軸使用，必須對電機(jī)保護(hù)進(jìn)行區(qū)分，分析哪些情況下的電機(jī)保護(hù)可以不聯(lián)鎖將背壓機(jī)跳閘。

引風(fēng)機(jī)電機(jī)是異步電機(jī)，在電動(dòng)機(jī)模式或是發(fā)電機(jī)模式下，均從系統(tǒng)吸收無功、有功電流的輸入與輸出均是通過同一段動(dòng)力電纜及開關(guān)來實(shí)現(xiàn)，因此通用的引風(fēng)機(jī)電機(jī)保護(hù)就可實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)機(jī)模式和發(fā)電機(jī)模式的雙重保護(hù)（WDZ-5231、WDZ-5232）。

引風(fēng)機(jī)電機(jī)功率：6800kW、額定電流778A；一次/二次側(cè)CT變比為1250/1；二次側(cè)額定電流0.62A；零序一次/二次側(cè)CT變比為100/1；起動(dòng)電流倍數(shù)為6倍，起動(dòng)時(shí)間28s。引風(fēng)機(jī)電機(jī)輸入/輸出電流測量CT無方向性、輸入/輸出功率測量帶有方向性。

表1 汽電雙驅(qū)引風(fēng)機(jī)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)定值單

3.1 差動(dòng)保護(hù)

為了提高保護(hù)動(dòng)作的可靠性和選擇性，在設(shè)計(jì)之初，電動(dòng)機(jī)模式和發(fā)電機(jī)模式下均以光纖差動(dòng)保護(hù)作為主保護(hù)，光纖差動(dòng)保護(hù)范圍均為開關(guān)柜至電機(jī)的電纜及電機(jī)內(nèi)部繞組，其是電機(jī)內(nèi)部短路故障的主保護(hù)，如果該保護(hù)動(dòng)作，可能發(fā)生電機(jī)內(nèi)部短路、電纜短路，或保護(hù)裝置出現(xiàn)了問題。電纜短路故障觸發(fā)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作、電機(jī)開關(guān)分閘后，電機(jī)定子繞組上仍然有剩余磁場，如果繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，仍會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢，通過故障點(diǎn)繼續(xù)放電，有可能導(dǎo)致事故擴(kuò)大或人身傷害。同理，如電機(jī)內(nèi)部短路、而電機(jī)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，則會(huì)使電機(jī)內(nèi)部故障進(jìn)一步發(fā)展，有燒毀電機(jī)、導(dǎo)致設(shè)備或人身傷害的可能。

因而，差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)，軸系必須立即停止。

表2 汽電雙驅(qū)引風(fēng)機(jī)電機(jī)綜合保護(hù)定值單

3.2 其他開關(guān)綜保保護(hù)

6kV開關(guān)綜保中還設(shè)置了速斷、負(fù)序、零序、堵轉(zhuǎn)、正序過流、過負(fù)荷等后備保護(hù)。根據(jù)保護(hù)設(shè)置，速斷保護(hù)的高定值段可以避開電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流，當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)后切換為低值保護(hù)，其保護(hù)二次電流定值為3.84A，是額定電流的6.19倍。速斷保護(hù)動(dòng)作時(shí)主要反映了系統(tǒng)電壓異常、電機(jī)不對稱短路以及單相或兩相接地短路等故障。

當(dāng)廠用母線系統(tǒng)發(fā)生不對稱短路時(shí)，引風(fēng)機(jī)電機(jī)的負(fù)序動(dòng)作，該情況下，只要能迅速將引風(fēng)機(jī)電機(jī)開關(guān)分閘，即可切除外部故障，而不會(huì)對系統(tǒng)、引風(fēng)機(jī)電機(jī)等電氣設(shè)備造成進(jìn)一步損害。當(dāng)廠用母線系統(tǒng)或電機(jī)接線電纜上發(fā)生接地等故障時(shí)，零序保護(hù)動(dòng)作，因此要盡快停止軸系轉(zhuǎn)動(dòng)。

堵轉(zhuǎn)保護(hù)二次電流定值為2.72A，是額定電流的4.39倍，延時(shí)11.2s，按照定時(shí)限動(dòng)作設(shè)置，保護(hù)動(dòng)作電流略小于啟動(dòng)電流。正序過流保護(hù)二次電流定值為0.93A，是額定電流的1.5倍，延時(shí)19.6s，主要針對電機(jī)長時(shí)間過負(fù)荷或啟動(dòng)時(shí)電機(jī)啟動(dòng)電流不及時(shí)返回造成電機(jī)過熱損壞。過負(fù)荷保護(hù)二次電流定值為0.75A，是額定電流的1.21倍，延時(shí)33.6s，也是按照定時(shí)限動(dòng)作設(shè)置。以上三種保護(hù)主要針對電機(jī)過載的異常情況，在及時(shí)切斷輸入/輸出電流后，即可切除故障。

3.3 電機(jī)非電量保護(hù)

此外，在DCS中還設(shè)置了電機(jī)軸承溫度高、電機(jī)軸承振動(dòng)大等非電量保護(hù)，發(fā)生這類保護(hù)觸發(fā)時(shí)，說明電機(jī)軸承甚至電機(jī)內(nèi)部已損壞，不能繼續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)行。

3.4 結(jié)論

當(dāng)引風(fēng)機(jī)電機(jī)因差動(dòng)保護(hù)、速斷保護(hù)、負(fù)序過流保護(hù)、零序過流保護(hù)、電機(jī)軸承溫度高、電機(jī)軸承振動(dòng)大等電機(jī)或電纜的永久性故障發(fā)生時(shí)，電機(jī)軸系不能繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，必須盡快停轉(zhuǎn)，需要立即聯(lián)鎖將引風(fēng)機(jī)背壓機(jī)跳閘。

而當(dāng)引風(fēng)機(jī)電機(jī)堵轉(zhuǎn)保護(hù)、正序過流保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)動(dòng)作時(shí)，電機(jī)軸系仍可以作為傳動(dòng)軸使用。需要進(jìn)一步分析引風(fēng)機(jī)電機(jī)開關(guān)分閘后，引風(fēng)機(jī)背壓機(jī)轉(zhuǎn)速是否會(huì)迅速上升至超速保護(hù)動(dòng)作值。

4 引風(fēng)機(jī)電機(jī)故障對軸系轉(zhuǎn)速的影響分析

引風(fēng)機(jī)背壓機(jī)控制系統(tǒng)硬件主要包括電液控制系統(tǒng)（IMEH）及緊急跳閘系統(tǒng)（IMETS），由引風(fēng)機(jī)背壓機(jī)供貨商配供，采用與機(jī)組DCS一致的硬件設(shè)備并實(shí)現(xiàn)與機(jī)組DCS一體化。引風(fēng)機(jī)背壓機(jī)本體監(jiān)視儀表（IMTSI）也采用常規(guī)配置，主要包括轉(zhuǎn)速、鍵相、軸向位移、軸承振動(dòng)的監(jiān)視。該硬件配置在常規(guī)汽動(dòng)引風(fēng)機(jī)方案中已有較多應(yīng)用實(shí)例，方案成熟可靠。

引風(fēng)機(jī)背壓機(jī)轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)超一般工業(yè)汽輪機(jī)，超速后果更加嚴(yán)重，必須嚴(yán)防超速。引風(fēng)機(jī)背壓機(jī)的超速保護(hù)采用電超速加機(jī)械飛錘，引風(fēng)機(jī)背壓機(jī)布置了兩套TSI電超速保護(hù)，動(dòng)作值為8143r/min；并安裝有一個(gè)機(jī)械飛錘，動(dòng)作值8221±92r/min。

甩掉電機(jī)的發(fā)電功率后，電機(jī)發(fā)電功率降低至0，瞬時(shí)的引風(fēng)機(jī)背壓機(jī)功率高于引風(fēng)機(jī)耗能，引風(fēng)機(jī)背壓機(jī)轉(zhuǎn)速必然升高，而轉(zhuǎn)速升高的極限值主要取決于以下幾個(gè)因素：背壓機(jī)軸系的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量包括背壓機(jī)轉(zhuǎn)子、減速箱小軸、電機(jī)軸、引風(fēng)機(jī)軸；背壓機(jī)主汽門/調(diào)門的延遲關(guān)閉時(shí)間；主汽門/調(diào)門后的蒸汽管道及背壓機(jī)汽缸腔室容積。將ASME規(guī)范中的計(jì)算方法結(jié)合汽電雙驅(qū)引風(fēng)機(jī)的實(shí)際情況，可得如下計(jì)算公式[2]。

在背壓機(jī)主汽門/調(diào)門的延遲時(shí)間Ta內(nèi)進(jìn)入背壓機(jī)的蒸汽能量Ea：

Ea=（N0-NM-0.2NE）Ta

式中：Ea—背壓機(jī)主汽門/調(diào)門的延遲時(shí)間Ta內(nèi)進(jìn)入背壓機(jī)的蒸汽能量，MW；Ta—背壓機(jī)主汽門及調(diào)門關(guān)閉延遲時(shí)間相比較的最小值，s；N0—甩負(fù)荷時(shí)背壓機(jī)內(nèi)功率，MW；NM—機(jī)械損失，含背壓機(jī)、減速箱、電機(jī)及引風(fēng)機(jī)的機(jī)械損失，MW；NE—電機(jī)損失。

在汽門關(guān)閉時(shí)間期間進(jìn)入背壓機(jī)的蒸汽能量Eb：

Eb=0.85（N0-NM-0.2NE）Tb

式中：Eb—在汽門關(guān)閉時(shí)間期間進(jìn)入背壓機(jī)的蒸汽能量，MW；Tb—汽門關(guān)閉時(shí)間，s。

進(jìn)入背壓機(jī)的蒸汽在各級葉柵中的膨脹做功Ec：

Ec=（Ein-Eout-Ez）ηT

式中：Ec—進(jìn)入背壓機(jī)的蒸汽在各級葉柵中的膨脹做功，MW；Ein—進(jìn)入背壓機(jī)蒸汽的初始內(nèi)能，MW；Eout—蒸汽在背壓機(jī)中膨脹的終了內(nèi)能，MW ；ηT—背壓機(jī)的絕對內(nèi)效率。

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣性能量Ed：

式中：

Ed—全軸系轉(zhuǎn)動(dòng)慣性能量，MW；

I背壓機(jī)、I減速箱高速軸—背壓機(jī)及減速箱高速軸的軸系轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；

I電機(jī)、I減速箱低速軸、I引風(fēng)機(jī)—電機(jī)、減速箱低速軸及引風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；

W高速軸—甩負(fù)荷時(shí)背壓機(jī)及高速軸的初始頻率；

W低速軸—甩負(fù)荷時(shí)電機(jī)、引風(fēng)機(jī)及低速軸的初始頻率。

一般汽輪發(fā)電機(jī)甩負(fù)荷時(shí)，發(fā)電機(jī)出口開關(guān)跳閘，汽輪機(jī)甩掉全軸系全部負(fù)荷，轉(zhuǎn)子最高轉(zhuǎn)速nmax：

對于汽電雙驅(qū)引風(fēng)機(jī)而言，由于引風(fēng)機(jī)還在運(yùn)行消耗軸系功率，并非甩掉全部負(fù)載，因此需要減去引風(fēng)機(jī)軸功率，可得引風(fēng)機(jī)電機(jī)跳閘時(shí)，轉(zhuǎn)子最高轉(zhuǎn)速nmax的計(jì)算公式：

式中 ：Ef—引風(fēng)機(jī)軸功率，MW；n0—初始轉(zhuǎn)速，r/min。

由上述計(jì)算公式可知，引風(fēng)機(jī)背壓機(jī)轉(zhuǎn)速飛升極限的各個(gè)影響因素中，背壓機(jī)腔室內(nèi)部積存的蒸汽繼續(xù)膨脹做功量和全軸系轉(zhuǎn)動(dòng)慣量兩個(gè)數(shù)值影響最大。因此，在機(jī)組負(fù)荷為額定、背壓機(jī)帶最高出力時(shí)，甩掉發(fā)電功率后引風(fēng)機(jī)背壓機(jī)轉(zhuǎn)速上升最多。

表3 引風(fēng)機(jī)背壓機(jī)實(shí)際運(yùn)行中的性能數(shù)據(jù)

帶入?yún)?shù)可得：

在主汽門/調(diào)門的延遲時(shí)間Ta內(nèi)進(jìn)入背壓機(jī)的蒸汽能量Ea：

Ea=（N0-NM-0.2NE）Ta=（7.525-0.172-0.2×0.131）×0.02=0.1465MW

引風(fēng)機(jī)背壓機(jī)主汽門關(guān)閉情況下重新掛閘、建立一次/二次油壓，時(shí)間＞60s。因而雖然背壓機(jī)主汽門關(guān)閉時(shí)間較調(diào)門關(guān)閉時(shí)間小，但為了實(shí)現(xiàn)“OPC”功能，至多只能考慮調(diào)門全部關(guān)閉，不能關(guān)閉主汽門。因而在調(diào)門關(guān)閉時(shí)間期間進(jìn)入背壓機(jī)的蒸汽能量Eb：

Eb=0.85（N0-NM-0.2NE）Tb=0.85×（7.525-0.172-0.2×0.131）×0.804=5.007MW

進(jìn)入背壓機(jī)的蒸汽在各級葉柵中的膨脹做功Ec：

Ec=（Ein-Eout-Ez）ηT=（3412.78-3010.95）×34.263×0.8559/3600=3.2733MW

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣性能量Ed。

表4 汽電雙驅(qū)引風(fēng)機(jī)軸系轉(zhuǎn)動(dòng)慣性能表

根據(jù)轉(zhuǎn)速飛升計(jì)算公式，可計(jì)算出轉(zhuǎn)子最高轉(zhuǎn)速nmax=1.4789n0，當(dāng)甩掉發(fā)電功率后引風(fēng)機(jī)背壓機(jī)轉(zhuǎn)速將達(dá)到11402r/min，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出引風(fēng)機(jī)背壓機(jī)超速保護(hù)定值8143r/min。

由于引風(fēng)機(jī)背壓機(jī)額定運(yùn)行轉(zhuǎn)速達(dá)到7710r/min，距離超速保護(hù)動(dòng)作值的余量只有5.6%；且引風(fēng)機(jī)背壓機(jī)調(diào)門關(guān)閉速度接近1s，滯后性過強(qiáng)，極易導(dǎo)致汽輪機(jī)超速飛車事故。根據(jù)某電廠凝汽式汽電雙驅(qū)引風(fēng)機(jī)組的經(jīng)驗(yàn)，類似情況下僅一秒不到，超速保護(hù)即動(dòng)作，與上述理論計(jì)算情況接近，因而，無需實(shí)際進(jìn)行該高風(fēng)險(xiǎn)試驗(yàn)，也無需考慮電動(dòng)機(jī)跳閘但仍可作為傳動(dòng)軸使用的運(yùn)行工況。

綜上，汽電雙驅(qū)引風(fēng)機(jī)是否能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)跳閘后背壓機(jī)直接驅(qū)動(dòng)軸系，首先要考慮背壓機(jī)電機(jī)的開關(guān)保護(hù)中的各類型保護(hù)設(shè)置，再計(jì)算極端工況下引風(fēng)機(jī)背壓機(jī)轉(zhuǎn)速飛升量，對比轉(zhuǎn)速保護(hù)裕量做出最終判斷。

對于常規(guī)設(shè)計(jì)了雙列引風(fēng)機(jī)的機(jī)組而言，一臺(tái)引風(fēng)機(jī)跳閘后僅僅觸發(fā)RB保護(hù)動(dòng)作、負(fù)荷減至50%，并不會(huì)造成太大的影響。如確實(shí)需要設(shè)置，引風(fēng)機(jī)背壓機(jī)的調(diào)門關(guān)閉時(shí)間必須盡可能小，以盡可能降低背壓機(jī)調(diào)門關(guān)閉時(shí)間期間進(jìn)入背壓機(jī)的蒸汽能量Eb。另外，引風(fēng)機(jī)背壓機(jī)轉(zhuǎn)子材質(zhì)應(yīng)提高設(shè)計(jì)等級，保證轉(zhuǎn)子的超速保護(hù)裕量盡可能大。