藺奕存，普建國，高景輝，呂海濤，張明理，閆文辰，楊博，邵亞飛，張一帆

（1.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054；2.華能秦煤瑞金發(fā)電有限責(zé)任公司，江西 贛州 341000；3.西安益通熱工技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710032）

給水泵小汽輪機(jī)作為電站重要的輔機(jī)設(shè)備，已在電站中得到了廣泛應(yīng)用[1]。對其啟動(dòng)及運(yùn)行優(yōu)化已經(jīng)有了大量研究[2-3]。在超超臨界1 000 MW 二次再熱機(jī)組中，為滿足鍋爐上水需求，給水泵需要更高的揚(yáng)程，因此給水泵組運(yùn)行的可靠性及經(jīng)濟(jì)性顯得尤為重要[4-5]。

此外，二次再熱機(jī)組中，在超高壓缸與高壓缸做完功的乏汽分別在一級再熱器與二級再熱器中經(jīng)過加熱，從而具有較高的過熱度。若此時(shí)從高壓缸與中壓缸進(jìn)行抽汽，在加熱器中換熱溫差大，增加了不可逆損失，降低了機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性[6]。為解決上述問題，利用抽汽背壓式汽輪機(jī)（back pressure extraction steam turbine，BEST）作為給水泵汽輪機(jī)增加獨(dú)立的回?zé)嵯到y(tǒng)，不僅可以驅(qū)動(dòng)給水泵為鍋爐上水，而且可以降低抽汽過熱度，提高能級利用率及系統(tǒng)可靠性[7]。與此同時(shí)，汽輪機(jī)高、中壓缸無抽汽，這有助于提高機(jī)組效率，降低機(jī)組煤耗[8]。目前，BEST 已在廣東陸豐甲湖灣電廠超超臨界1 000 MW 一次再熱機(jī)組中得以應(yīng)用，但BEST 轉(zhuǎn)速由進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，造成了一定的節(jié)流損失。同時(shí)，機(jī)組仍需要通過配置電動(dòng)給水泵以供機(jī)組啟動(dòng)初期使用。

變流器是一種使單元系統(tǒng)的電壓、頻率、相數(shù)和其他電量或特性發(fā)生改變的電氣設(shè)備[9]，變流器的應(yīng)用已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)[10-11]。變流器作為風(fēng)力發(fā)電的核心設(shè)備，通過變流器可以輸出持續(xù)平穩(wěn)的電能。但由于風(fēng)力發(fā)電的不確定性，使發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速不斷變化。因此，對變流器在寬轉(zhuǎn)速范圍下的控制方法有了大量的研究[12-13]，使得變流器可以在更廣的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)輸出穩(wěn)定電能，并使其可以應(yīng)用于更多的領(lǐng)域。

某火電廠的汽動(dòng)給水泵組選用的汽輪機(jī)為BEST，與汽輪機(jī)構(gòu)成了雙回?zé)嵯到y(tǒng)；同時(shí)為汽動(dòng)給水泵組增設(shè)了電機(jī)-變流器組。汽動(dòng)給水泵組運(yùn)行過程中，通過變流器對BEST 的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。BEST進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥全開，解決了汽門調(diào)節(jié)帶來的節(jié)流損失。在機(jī)組啟動(dòng)初期利用與變流器相連的交流變頻同步電機(jī)為BEST 提供動(dòng)力，使BEST 可以電動(dòng)啟動(dòng)，具備了啟動(dòng)方式靈活的特點(diǎn)。汽源充足時(shí)，BEST拖動(dòng)給水泵組后的多余功率利用電機(jī)-變流器組向外輸出電能。該布置方式不用單獨(dú)設(shè)置電動(dòng)給水泵，降低了工程造價(jià)。

由于變流器首次應(yīng)用于火力發(fā)電機(jī)組，因此對其工作方法及控制方式尚無調(diào)試及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)可循。本文在機(jī)組試運(yùn)過程中對變流器進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)，以確保機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 BEST 系統(tǒng)介紹

BEST 系統(tǒng)設(shè)備的連接方式如圖1 所示。BEST設(shè)置了3 路驅(qū)動(dòng)汽源，分別是一次再熱低溫蒸汽、輔助蒸汽以及臨機(jī)供熱母管蒸汽。在BEST 本體連接有2—6 段抽汽的抽汽管道，BEST 排汽可以通往7 號低壓加熱器或者凝汽器。與傳統(tǒng)“前置泵-小汽輪機(jī)-給水泵”的布置方式不同，該系統(tǒng)采用“前置泵-給水泵-BEST”的布置方式，在BEST 后設(shè)置同軸的交流變頻同步發(fā)電機(jī)/電動(dòng)機(jī)（下稱“電機(jī)”）。該電機(jī)與變流器通過電纜相連，變流器與廠用電母線相連。

圖1 BEST 系統(tǒng)設(shè)備連接示意Fig.1 Schematic diagram of device connection in BEST system

采用圖1 方式布置的雙機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)，一方面可以減小機(jī)組回?zé)岢槠倪^熱度，降低回?zé)峒訜崞鳒夭顐鳠岙a(chǎn)生的不可逆損失；另一方面，通過配備“變流器-電機(jī)”系統(tǒng)以平衡BEST 調(diào)節(jié)汽門全開后的過剩功率，不僅可使各回?zé)峒訜崞鞯某槠髁侩S主機(jī)負(fù)荷變化，避免調(diào)節(jié)閥節(jié)流造成抽汽量減少及給水溫度受限，而且減少了進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥的節(jié)流損失。

該機(jī)組汽輪機(jī)選用超超臨界、二次中間再熱、單軸、五缸四排汽、雙背壓、凝汽式汽輪機(jī)，型號為N1000-31/605/622/620。給水泵汽輪機(jī)選用變參數(shù)、變功率、變轉(zhuǎn)速式BEST，從而適應(yīng)主機(jī)變工況變負(fù)荷時(shí)鍋爐給水流量及壓力的不斷變化。BEST結(jié)構(gòu)上為單缸、反動(dòng)式、單流、抽汽背壓式汽輪機(jī)。采用配備電子注入增強(qiáng)柵晶體管（injection enhanced gate transistor，IEGT）功率單元H 橋多級串聯(lián)式四象限變流器，具有啟動(dòng)電流小、高效節(jié)能、高功率因數(shù)及高可靠性等特點(diǎn)。變流器采用載波調(diào)制（sinusoidal pulse width modulation，SPWM）脈寬調(diào)制技術(shù)及水冷散熱技術(shù)，搭配變流變頻同步發(fā)電機(jī)/電動(dòng)機(jī)使用，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變頻調(diào)速，同時(shí)保障設(shè)備安全穩(wěn)定。BEST、變流器及電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1—表3。

表1 BEST 主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of the BEST

表2 變流器主要技術(shù)參數(shù)Tab.2 Main technical parameters of the converter

表3 電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab.3 Main technical parameters of the motor

2 啟動(dòng)及運(yùn)行方式

BEST 既可通過汽動(dòng)方式啟動(dòng)，也可選擇電動(dòng)方式啟動(dòng)，使汽動(dòng)給水泵組的啟動(dòng)方式更具有靈活性。

2.1 汽動(dòng)方式啟動(dòng)及運(yùn)行

選擇BEST 模式啟動(dòng)，與傳統(tǒng)的啟動(dòng)方式相同，即為小汽輪機(jī)電液控制系統(tǒng)（micro electrohydraulic control system，MEH）對汽輪機(jī)進(jìn)行控制，此即“MEH 主控”模式。MEH 通過調(diào)節(jié)進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥開度控制BEST 轉(zhuǎn)速，從而滿足鍋爐所需的上水量。在啟動(dòng)過程中，需要足夠壓力及流量的輔助蒸汽或外源供汽來驅(qū)動(dòng)BEST 升速，以防止機(jī)組啟動(dòng)點(diǎn)火初期由于給水流量低造成鍋爐主燃料跳閘（main fuel trip，MFT）。正常運(yùn)行時(shí)，供汽汽源為一次再熱冷段蒸汽。

由于BEST 轉(zhuǎn)速是通過進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥調(diào)整閥門開度控制，這會(huì)造成一定的節(jié)流損失，降低了BEST的運(yùn)行效率。

2.2 電動(dòng)方式啟動(dòng)及運(yùn)行

選擇電動(dòng)機(jī)模式，即在啟動(dòng)過程中使用蒸汽將BEST 沖轉(zhuǎn)至1 000 r/min 后，BEST 轉(zhuǎn)速將由變流器進(jìn)行控制，此即“變流器主控”模式。啟動(dòng)時(shí)，變流器從廠用電中攝取電能，通過將工頻交流電變?yōu)樽冾l交流電供給電機(jī)。該交流電頻率取決于電機(jī)所需轉(zhuǎn)速（頻率）；而電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號通過分布式控制系統(tǒng)（distributed control system，DCS）發(fā)至變流器就地可編程控制器（programmable logic controller，PLC）控制柜，從而利用變流器驅(qū)動(dòng)電機(jī)將BEST 拖動(dòng)升速至所需轉(zhuǎn)速。BEST 的轉(zhuǎn)速通過變流器對電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制而比例積分（proportion integration，PI）間接控制。

變流器控制電機(jī)調(diào)速是通過調(diào)節(jié)變流器調(diào)制度（相當(dāng)于汽門開度）實(shí)現(xiàn)。DCS 發(fā)出轉(zhuǎn)速或給水流量信號指令，變流控制系統(tǒng)通過指令與BEST 實(shí)際轉(zhuǎn)速進(jìn)行PI 調(diào)節(jié)改變變流器調(diào)制度，從而改變轉(zhuǎn)矩電流量（相當(dāng)于進(jìn)汽量）的大小。由于轉(zhuǎn)矩電流量的大小決定了電機(jī)轉(zhuǎn)矩（出力）的大小，從而實(shí)現(xiàn)了對軸系轉(zhuǎn)速的控制。變流器工作原理如圖2 所示。啟動(dòng)初期，使用蒸汽將BEST 沖轉(zhuǎn)至1 000 r/min 的目的是為了消除變流器拖動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的鼓風(fēng)摩擦對末級葉片產(chǎn)生的負(fù)面影響。因此，在電動(dòng)方式啟動(dòng)前，應(yīng)確認(rèn)有一定量蒸汽可以向BEST 內(nèi)部供給冷卻汽。正常運(yùn)行時(shí)，BEST 需完成汽源切換，將由一次再熱冷段蒸汽供汽。當(dāng)BEST 進(jìn)汽完成汽源切換后，BEST 的供汽調(diào)節(jié)閥將逐漸開啟直至全開且不參與轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，以此消除進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥未全開造成的節(jié)流損失。有研究表明，電機(jī)調(diào)節(jié)方式下具有較好的熱經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)可以將多余的能量回饋至廠用電，降低了廠用電率[14]。

圖2 變流器工作原理Fig.2 Working principle of the converter

3 控制模式及相關(guān)切換試驗(yàn)

BEST 轉(zhuǎn)速可在“MEH 主控”及“變流器主控”2 種模式下進(jìn)行控制，且2 種主控模式可以進(jìn)行相互切換。不同的是，“MEH 主控”是通過調(diào)節(jié)進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥開度進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，而“變流器主控”是通過改變電機(jī)轉(zhuǎn)矩從而對軸系轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。

為提高BEST 的經(jīng)濟(jì)性，減少進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥的節(jié)流損失，減少廠用電率，BEST 的啟動(dòng)方式通常選擇“變流器主控”模式、“MEH 主控”模式作為變流器故障時(shí)的備用控制方式，因此在各種工況下2種控制模式間的無擾切換對機(jī)組安全平穩(wěn)地運(yùn)行有重要意義。

在機(jī)組整套啟動(dòng)前，對變流器相關(guān)性能及一些特殊工況下的主控方式的相互切換進(jìn)行了試驗(yàn)，以保證機(jī)組運(yùn)行時(shí)的安全可靠性。

3.1 變流器飛車啟動(dòng)試驗(yàn)

機(jī)組正常運(yùn)行過程中，若變流器發(fā)生故障時(shí)需要退出控制，MEH 應(yīng)接管控制權(quán)對BEST 轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。當(dāng)變流器故障消除后，此時(shí)BEST 帶動(dòng)電機(jī)有一定的轉(zhuǎn)速，若變流器需繼續(xù)對BEST 轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，則變流器需要具備在線對電機(jī)恢復(fù)控制的功能（飛車啟動(dòng)），可以使變流器恢復(fù)對BEST 轉(zhuǎn)速的控制。

機(jī)組啟動(dòng)過程中，分別選取BEST 在低、高轉(zhuǎn)速2 個(gè)工況對變流器的飛車啟動(dòng)技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)。

低轉(zhuǎn)速下主控方式的切換如圖3 所示，當(dāng)BEST轉(zhuǎn)速為1 000 r/min 時(shí)，MEH 通過控制進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥開度從而對轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)變流器準(zhǔn)備就緒后發(fā)出“變流器請求”信號，確認(rèn)“變流器主控”后，BEST 進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥開度鎖定，指令不再發(fā)生變化，控制方式由“MEH 主控”切換為“變流器主控”，變流器通過改變轉(zhuǎn)矩電流量實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的控制，這一切換過程平穩(wěn)。切換完成后，BEST 保持原轉(zhuǎn)速運(yùn)行，轉(zhuǎn)速?zèng)]有明顯變化。

圖3 低轉(zhuǎn)速下主控方式的切換Fig.3 Switching of control mode at low speed

為驗(yàn)證主控狀態(tài)無擾切換的重復(fù)性及穩(wěn)定性，對高轉(zhuǎn)速下主控方式的切換進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果如圖4 所示。在整個(gè)切換過程中，BEST 轉(zhuǎn)速?zèng)]有明顯的變化，切換過程平穩(wěn)，沒有對機(jī)組的安全運(yùn)行產(chǎn)生影響。

圖4 高轉(zhuǎn)速下主控方式的切換Fig.4 Switching of control mode at high speed

綜上，變流器在故障切除后，重新具備轉(zhuǎn)速控制能力時(shí)，可以無擾接管對BEST 轉(zhuǎn)速的控制，保障了機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。

3.2 轉(zhuǎn)速偏差大試驗(yàn)

機(jī)組在“變流器主控”模式下正常運(yùn)行時(shí)，由于變流器設(shè)備故障導(dǎo)致當(dāng)前轉(zhuǎn)速無法維持，會(huì)造成實(shí)際轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速指令偏差過大，導(dǎo)致鍋爐給水量不足，危害機(jī)組的安全運(yùn)行。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)速反饋與轉(zhuǎn)速指令偏差大時(shí)，MEH 需快速接管控制權(quán)，從而維持BEST 當(dāng)前轉(zhuǎn)速以保證正常給水流量。該試驗(yàn)過程如圖5 所示。

圖5 轉(zhuǎn)速偏差大試驗(yàn)過程Fig.5 Large speed differences test process

通過就地短路變流器元件，使變流器無法對BEST 轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，造成BEST 實(shí)際轉(zhuǎn)速與指令轉(zhuǎn)速偏差大工況。

實(shí)際運(yùn)行過程中，當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)速與指令轉(zhuǎn)速偏差大于100 r/min 時(shí)，保護(hù)邏輯判斷變流器無法控制轉(zhuǎn)速，“變流器主控”模式主動(dòng)退出，轉(zhuǎn)速控制模式切換為“MEH 主控”模式。由圖5 可以看到：當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)速為2 340 r/min 時(shí)，與轉(zhuǎn)速指令2 440 r/min相差100 r/min，“變流器主控”信號消失，BEST 進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥迅速開啟，由6%開啟至18.67%，轉(zhuǎn)速由2 294 r/min 升至2 568 r/min；轉(zhuǎn)速過調(diào)后，進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥快速關(guān)閉，在1 個(gè)震蕩周期內(nèi)完成了對BEST轉(zhuǎn)速的調(diào)整。從試驗(yàn)過程中可以看出，事故狀態(tài)下主控方式切換快速，MEH 對轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)迅速，轉(zhuǎn)速短時(shí)間內(nèi)可以恢復(fù)正常，能夠有效保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

3.3 變流器電動(dòng)/發(fā)電模式切換試驗(yàn)

機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，變流器攝取電能以控制電機(jī)處于電動(dòng)機(jī)模式以驅(qū)動(dòng)給水泵組。

正常運(yùn)行時(shí)，為了維系軸系功率平衡，當(dāng)BEST拖動(dòng)給水泵組后仍有軸系功率剩余時(shí)，將通過變流器向外輸出電能。

在“變流器主控”模式下，隨著BEST 大量進(jìn)汽，變流器出力逐漸減少；當(dāng)進(jìn)汽量充足時(shí)，變流器可由電動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)至發(fā)電狀態(tài)。為了保證這一工況平穩(wěn)過渡，需要在機(jī)組正式試運(yùn)前進(jìn)行該試驗(yàn)。在BEST 進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥開度一定的前提下，逐漸提升進(jìn)汽壓力，通過觀察電機(jī)功率的變化來確認(rèn)變流器模式是否切換成功。圖6 為電動(dòng)/發(fā)電模式切換試驗(yàn)過程。由圖6 可見：隨著BEST 進(jìn)汽壓力由1.05 MPa提升至1.64 MPa 時(shí)，功率由-4.33 MW 逐漸升至-4.2 MW；當(dāng)進(jìn)汽壓力升至1.77 MPa 時(shí)，功率為0.11 MW，變流器由用電模式切換為發(fā)電模式。進(jìn)一步地，通過改變進(jìn)汽壓力，驗(yàn)證進(jìn)汽壓力對發(fā)電功率的影響。由試驗(yàn)曲線可以看出，發(fā)電狀態(tài)下，發(fā)電功率與進(jìn)汽壓力呈正相關(guān)趨勢。

圖6 電動(dòng)/發(fā)電模式切換試驗(yàn)Fig.6 Resultsof the electric/power generation mode switching test

3.4 “MEH 主控”下變流器減功率試驗(yàn)

當(dāng)變流器發(fā)生輕故障時(shí)，“變流器主控”模式主動(dòng)退出，BEST 轉(zhuǎn)速由MEH 進(jìn)行控制。此時(shí)由于變流器仍然處于熱備用狀態(tài)，為了確認(rèn)變流器故障，必須人為降低變流器的出力使變流器平穩(wěn)退出運(yùn)行，因此對變流器在“MEH 主控”模式下減功率工況進(jìn)行了試驗(yàn)。圖7 記錄了整個(gè)試驗(yàn)過程中重要參數(shù)的變化過程。手動(dòng)將“變流器主控”模式退出，調(diào)節(jié)閥指令釋放，由MEH 對BEST 轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。由圖7 可見，試驗(yàn)前電機(jī)在功率1.75 MW 運(yùn)行，降負(fù)荷指令為1 MW，電機(jī)功率實(shí)際降為0.95 MW，BEST 轉(zhuǎn)速由2 440 r/min 飛升至2 487 r/min，進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥開度由34%降至19%，轉(zhuǎn)速有波動(dòng)，但迅速穩(wěn)定。由于為試驗(yàn)工況，變流器實(shí)際無故障，檢查變流器狀態(tài)良好。基于飛車啟動(dòng)試驗(yàn)的成功，再次恢復(fù)“變流器主控”，調(diào)節(jié)閥指令鎖定，變流器功率0.95 MW，維持機(jī)組2 440 r/min 繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

圖7 “MEH 主控”下變流器減功率試驗(yàn)Fig.7 The results of reduced load test of the converter under MEH control mode

從試驗(yàn)過程中可以發(fā)現(xiàn)，在手動(dòng)減功率過程時(shí)，BEST 轉(zhuǎn)速有飛升，BEST 調(diào)節(jié)閥開度迅速減小。機(jī)組高負(fù)荷或滿負(fù)荷運(yùn)行工況下，該現(xiàn)象會(huì)對鍋爐給水流量及一次再熱蒸汽壓力造成擾動(dòng)，這是由于在手動(dòng)減負(fù)荷過程中變流器減負(fù)荷速率過快所致。變流器目標(biāo)負(fù)荷指令是由MEH 將負(fù)荷指令直接發(fā)至變流器就地控制柜，使變流器主動(dòng)降低出力。這一過程需要在無擾的狀態(tài)下進(jìn)行，才能保障給水流量沒有較大的波動(dòng)，因此需要設(shè)置合適的減負(fù)荷速率以消除轉(zhuǎn)速波動(dòng)帶來的干擾。理想狀態(tài)下，減功率過程中BEST 進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥開度緩慢關(guān)小，變流器逐漸緩慢減小出力。兩者相互配合從而維持BEST 在轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的條件下，電機(jī)變流器組減去相應(yīng)的功率。在運(yùn)行過程中，應(yīng)對這一工況的控制進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，使變流器減功率速率與進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥的關(guān)閉速率相互匹配。

3.5 功率超限試驗(yàn)

發(fā)電狀態(tài)時(shí)，為了保護(hù)變流器不會(huì)過載，因此當(dāng)實(shí)際功率超出當(dāng)前轉(zhuǎn)速下的變流器的額定出力時(shí)，變流器控制器會(huì)主動(dòng)甩去30%～40%的功率。在甩去功率瞬間會(huì)造成BEST 轉(zhuǎn)速出現(xiàn)飛升，同時(shí)轉(zhuǎn)速主控權(quán)交給MEH。進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥應(yīng)快速響應(yīng)調(diào)節(jié)，防止BEST 出現(xiàn)超速。

圖8 展示了模擬功率超限時(shí)的試驗(yàn)過程，該試驗(yàn)共進(jìn)行了2 次。第1 次試驗(yàn)前，變流器帶1.5 MW功率運(yùn)行，通過修改額定功率定值，進(jìn)行模擬試驗(yàn)。為了驗(yàn)證該試驗(yàn)的可靠性，緊接著進(jìn)行第2 次試驗(yàn)，變流器帶1.2 MW 穩(wěn)定運(yùn)行。由圖8 可以看到：第1 次試驗(yàn)時(shí)，變流器甩負(fù)荷瞬間，變流器負(fù)荷降為1.2 MW，BEST 轉(zhuǎn)速由2 440 r/min 飛升至2 458 r/min，轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)超調(diào)量為0.74%，MEH接管轉(zhuǎn)速主控權(quán)，BEST 進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥快速響應(yīng)，開度由31%關(guān)至22.8%；第2 次試驗(yàn)時(shí)，變流器甩負(fù)荷瞬間，變流器負(fù)荷下降0.46 MW，進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥關(guān)閉5.1%，BEST 轉(zhuǎn)速上升了25 r/min，轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)超調(diào)量為1%。

圖8 負(fù)荷超限試驗(yàn)過程Fig.8 The power over-limit test process

由試驗(yàn)過程還可以看出：在負(fù)荷超限后，變流器保護(hù)快速動(dòng)作，BEST 轉(zhuǎn)速由于負(fù)荷的減少出現(xiàn)波動(dòng)，但波動(dòng)量較??；由于進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥關(guān)小，BEST進(jìn)汽壓力有所提升。

3.6 電機(jī)變流器組甩負(fù)荷試驗(yàn)

機(jī)組運(yùn)行過程中，若變流器在發(fā)電狀態(tài)下出現(xiàn)“重故障”需要打閘或高壓側(cè)電源跳閘，變流器立即退出運(yùn)行，此時(shí)變流器將迅速甩去當(dāng)前功率，MEH 同時(shí)接管BEST 的轉(zhuǎn)速控制。此工況下，由于功率突然降為0，若MEH 無法對轉(zhuǎn)速進(jìn)行及時(shí)有效的調(diào)節(jié)，BEST 會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)速飛升甚至超速觸發(fā)超速保護(hù)動(dòng)作，造成機(jī)組MFT?；谏鲜龈黜?xiàng)試驗(yàn)的成功，為了考驗(yàn)變流器退出運(yùn)行時(shí)MEH 對BEST轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)性能，對電機(jī)變流器組進(jìn)行高負(fù)荷（50%及以上額定負(fù)荷）下的甩負(fù)荷試驗(yàn)。

在鍋爐點(diǎn)火、汽輪機(jī)尚未沖轉(zhuǎn)的前提下，對BEST 進(jìn)行了甩負(fù)荷試驗(yàn)。圖9 為變流器甩負(fù)荷過程中主要參數(shù)的變化過程。試驗(yàn)前，BEST 在“變流器主控”模式下運(yùn)行，BEST 進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥門全開，轉(zhuǎn)速為3 704 r/min，電機(jī)變流器組發(fā)電功率為10 MW（50%額定功率），主蒸汽壓力為8.0 MPa，一次再熱蒸汽壓力為6.4 MPa，二次再熱蒸汽壓力為0.8 MPa。通過手動(dòng)觸發(fā)“變流器打閘”按鈕，變流器高壓側(cè)開關(guān)斷開，電機(jī)變流器組功率瞬間減為0。BEST 轉(zhuǎn)速最高飛升至3 899 r/min，BEST 進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥由100%瞬時(shí)最小關(guān)至15%，以維持轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定，BEST 轉(zhuǎn)速最終穩(wěn)定在3 702 r/min。鍋爐給水流量由最初的1 150 t/h 最大波動(dòng)至1 196 t/h。由于BEST進(jìn)汽汽源為一次再熱冷段，調(diào)節(jié)閥的快速關(guān)閉造成了一次再熱蒸汽壓力及二次再熱蒸汽壓力的波動(dòng)。對試驗(yàn)過程中各參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行了記錄，結(jié)果見表4。

表4 甩負(fù)荷過程數(shù)據(jù)記錄Tab.4 Data record of load throw-off test process

圖9 甩負(fù)荷試驗(yàn)過程Fig.9 The load throw-off test process

甩負(fù)荷試驗(yàn)表明，變流器跳閘后，MEH對BEST轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)性能優(yōu)異。甩負(fù)荷過程中BEST 轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)超調(diào)量為5.2%。由于BEST 汽源為一次再熱冷段蒸汽，BEST 進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥的關(guān)閉，對一次再熱蒸汽及二次再熱蒸汽的壓力造成波動(dòng)。在機(jī)組高負(fù)荷或滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，由于BEST 進(jìn)汽壓力較高，若發(fā)生變流器跳閘，此時(shí)為了控制轉(zhuǎn)速飛升，BEST 調(diào)節(jié)閥可能會(huì)大幅度關(guān)閉甚至全關(guān)以維持BEST 轉(zhuǎn)速。這一過程可能會(huì)導(dǎo)致一次再熱蒸汽壓力及二次再熱蒸汽壓力超壓，旁路閥動(dòng)作，影響機(jī)組的安全運(yùn)行。在機(jī)組高負(fù)荷運(yùn)行過程中，需做好變流器跳閘的事故預(yù)想，保障機(jī)組安全運(yùn)行。

4 經(jīng)濟(jì)性分析

結(jié)合設(shè)備說明書及汽輪機(jī)熱平衡圖對變流器投入前后機(jī)組在熱耗率驗(yàn)收（THA）工況下，滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)發(fā)電煤耗率進(jìn)行了計(jì)算[15]：

式中：q為汽輪機(jī)熱耗率，kJ/(kW·h)；qcp為發(fā)電廠熱耗率，kJ/(kW·h)；ηb為鍋爐效率，%；ηp為管道效率，%；ηcp為凝汽式發(fā)電廠總效率，%；bcp為發(fā)電廠煤耗率，kg/(kW·h)；Qnet為煤的低位發(fā)熱量，取為29 270 kJ/kg。

式(1)、式(2)可寫為：

由設(shè)備說明書及主機(jī)設(shè)備廠家提供熱平衡圖可知，在THA 工況下滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，投入變流器汽輪機(jī)熱耗率q為6 992 kJ/(kW·h)；變流器未投入時(shí)q為7 048 kJ/(kW·h)。另外，鍋爐效率為95%，管道效率為99%。通過理論計(jì)算可得，THA 工況下，機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，變流器未投入時(shí)機(jī)組的標(biāo)準(zhǔn)煤耗為256.0 g/(kW·h)。相比之下，變流器投入后，機(jī)組的標(biāo)準(zhǔn)煤耗為253.9 g/(kW·h)，可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約2.1 g/(kW·h)。

5 結(jié)論

1）變流器可在任意轉(zhuǎn)速下接管對BEST 轉(zhuǎn)速的控制。

2）BEST 進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥開度一定的情況下，通過改變BEST 進(jìn)汽汽源壓力，變流器可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)與發(fā)電狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。

3）“MEH 主控”模式下，對變流器進(jìn)行減負(fù)荷可以使變流器平穩(wěn)退出運(yùn)行，但這一過程需要優(yōu)化變流器減負(fù)荷速率，從而避免變流器的突然退出對機(jī)組運(yùn)行帶來的波動(dòng)，影響機(jī)組正常運(yùn)行。

4）“變流器主控”與“MEH 主控”之間切換快速、平穩(wěn)、可靠，可維持BEST 給水泵組的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，有效保障機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。

5）經(jīng)理論計(jì)算，機(jī)組在THA 工況下滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，變流器投入相較變流器未投入可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約2.1 g/(kW·h)。

6）相較于“汽動(dòng)給水泵+電動(dòng)給水泵”的給水模式，通過給汽動(dòng)給水泵增設(shè)電機(jī)變流器組不僅可以降低機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)BEST 進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)造成的節(jié)能損失，而且在功率富余時(shí)可以通過變流器向廠用電母線輸送電能，降低了廠用電率。此外，機(jī)組采用BEST 雙機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)并增設(shè)電機(jī)變流器組，對煤電機(jī)組的節(jié)能降耗具有一定的實(shí)用價(jià)值。