李嘉翔

前言

M251S型燃汽輪發(fā)電機機組是由日本三菱重工高砂制作所制造，其發(fā)電機組采用的是濟南發(fā)電機廠生產(chǎn)的WY16Z-037LLT型發(fā)電機。某日燃氣輪機正常停機過程中，發(fā)電機出口斷路器未能正常分開，發(fā)電機變成電動機逆功率運行，其運行功率達到38 MW，遠遠超出發(fā)電機額定功率28.5 MW。短時間的嚴重超負荷運行造成發(fā)電機嚴重燒毀。

1　M251S型燃氣輪發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)

1.1　本體結(jié)構(gòu)

M251S型燃機本體內(nèi)的動力及傳動設(shè)備，主要由燃機透平、空氣壓縮機、煤氣壓縮機、發(fā)電機組以及聯(lián)接它們的主齒輪箱組成。

在正常的工作狀態(tài)，由燃料通過管道進入本體燃燒室內(nèi)燃燒，產(chǎn)生的高溫高壓氣體通過燃機透平做功。燃機透平通過主齒輪箱帶動其他幾大動力設(shè)備運轉(zhuǎn)。燃機透平是整個機組的動力輸出設(shè)備。

1.2　故障原因

根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)估算各設(shè)備的額定功率如表1。

圖1　主要動力設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

表1　各設(shè)備額定功率表 MW

如表1，正常工作時燃機透平Q1為系統(tǒng)提供原動力，滿足：Q1=Q2+Q3+Q4

各設(shè)備都在額定功率范圍內(nèi)運行。

當發(fā)生燃機透平熄火失去原動力，且發(fā)電機無法正常與電網(wǎng)解列時,其發(fā)電機將變成電動機成為系統(tǒng)的原動力（若發(fā)電機勵磁跳開，發(fā)電機將變成異步電動機運行；若發(fā)電機勵磁正常工作，發(fā)電機將變成同步電動機運行）。

此時的功率分布為：Q4=Q1+Q2+Q3

此時，如表1所示，發(fā)電機逆功率時負荷達到38 MW，嚴重超負荷運行，將導(dǎo)致發(fā)電機損毀。

2　消除燃氣輪發(fā)電機組逆功率故障的方案

根據(jù)上述情況分析，運行過程必須保證燃氣輪機停、跳機時，發(fā)電機同步解列。根據(jù)現(xiàn)場具體情況，提出3種消除該隱患的方案。

2.1　串接斷路器（方案一）2.1.1 原理

在發(fā)電機出口增設(shè)1臺斷路器（發(fā)電機1#斷路器），與原有發(fā)電機出口斷路器（發(fā)電機0#斷路器）共同串接在發(fā)電機出線上，如圖2所示。常規(guī)狀況下，“發(fā)電機1#斷路器”處于合位，由“發(fā)電機0#斷路器”完成日常的并網(wǎng)、解列工作。只有在“發(fā)電機0#斷路器”拒動時，聯(lián)跳“發(fā)電機1#斷路器”，完成發(fā)電機解列動作，從而提升發(fā)電解列的可靠性（取2 s的延時是為了躲避發(fā)電機出口斷路器的動作時間）。

圖2　發(fā)電機電氣主接線圖

圖3　串接斷路器流程圖

2.1.2優(yōu)缺點

優(yōu)點：發(fā)電機采用雙出口斷路器能夠大大提升設(shè)備動作的可靠性，同時其邏輯非常簡單，易于日常的生產(chǎn)運行和設(shè)備維護，且不會造成事故的進一步擴大，益于生產(chǎn)的穩(wěn)定。

缺點：由于增設(shè)了1臺斷路器，其投資成本將大大提高，同時需要增設(shè)1面出線柜和1面線路中轉(zhuǎn)柜。其設(shè)備占用空間也將受到限制。

2.2　DCS上增設(shè)連鎖跳上一級進線開關(guān)（方案二）

2.2.1原理

在燃氣配套余熱汽輪機組DCS系統(tǒng)中，增設(shè)聯(lián)鎖裝置。檢測燃機（GTC）的運行信號、燃機發(fā)電機出口斷路器的分、合狀態(tài)信號。當系統(tǒng)檢測到燃機（GTC）停運狀態(tài)且燃機發(fā)電機出口斷路器未及時分開時，DCS聯(lián)鎖裝置將動作，發(fā)電跳閘信號，經(jīng)過2 s延時后聯(lián)跳發(fā)電機所在的母線的進線，通過切除母線上的所有電源，從而將發(fā)電機與電網(wǎng)分開（取2 s的延時是為了躲避發(fā)電機出口斷路器的動作時間）。

圖4　發(fā)電機電氣主接線圖

圖5　邏輯圖

2.2.2優(yōu)缺點

優(yōu)點：無需追加投資，只需要采集現(xiàn)有的信號，通過DCS系統(tǒng)增設(shè)聯(lián)鎖實現(xiàn)。

缺點：當故障發(fā)生，通過跳開進線從而停發(fā)電母線，將導(dǎo)致事故面積進一步擴大，同時DCS的可靠性、靈敏度滿足不了電氣保護的要求，有出現(xiàn)誤動或者拒動的可能。

2.3　采用專用的發(fā)電機斷路器失靈保護裝置（方案三）

2.3.1原理

目前300 MW 及以上并且機端有斷路器的機組，應(yīng)裝設(shè)機端斷路器失靈保護。當發(fā)電機保護動作于機端斷路器跳閘但斷路器失靈時，跳開主變高壓側(cè)斷路器并啟動廠用電切換。機端斷路器失靈保護。

由發(fā)電機保護出口接點和能快速返回的相電流、負序電流判別元件組成。

其原理圖如圖6。

圖6　發(fā)電機失靈保護原理圖

該裝置為了躲避發(fā)電機出口斷路器的動作時間，因此其控制精度取0.2～0.5 s的延時。

2.3.2優(yōu)缺點

優(yōu)點：采用了專門的失靈保護裝置，能保證發(fā)電機組停、跳機過程的穩(wěn)定性，能有效地避免發(fā)電機組嚴重損毀和電網(wǎng)崩潰等問題。相對于方案二更加專業(yè)，可靠性更強。

缺點：與方案二相似的，增設(shè)失靈保護，同樣存在保護誤動的可能，同樣會造成事故范圍進一步擴大。

3　結(jié)束語

發(fā)電機出口斷路器拒動，對于小型的常規(guī)發(fā)電機組來說無非是短時間逆功率運行，通過人為斷開上級和相鄰的電源，能夠確保發(fā)電機組安全停下來。但是對于燃氣輪機以及大型的發(fā)電機組來說，發(fā)電機出口斷路器失靈拒動將導(dǎo)致機組的嚴重損壞甚至危及電網(wǎng)安全。因此必須對其增設(shè)相應(yīng)的保護措施。

一般機組建議采用專用的發(fā)電機斷路器失靈保護裝置；對于發(fā)電母線運行要求高，不允許輕易停電的情況下，建議采用第一種增設(shè)斷路器的方法；對于老舊的發(fā)電機組保護改造升級困難的可參考方案二臨時性預(yù)防風險。

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