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案例頻道1 背景及概況
隨著社會的進步、科技的發(fā)展，電力在日常生產(chǎn)生活中扮演著不可或缺的角色，同時對電網(wǎng)以及供電系統(tǒng)也是一種挑戰(zhàn)，要求具備一定的穩(wěn)定性和可靠性。而21世紀初的電力系統(tǒng)較為老舊，導(dǎo)致停電情況時有發(fā)生，所以電力人一直在摸索和研究，如何讓電力緊跟時代的步伐甚至超越，如今黑啟動功能已成為熱詞并且在各種類型的電廠中得到廣泛應(yīng)用，黑啟動是指當電網(wǎng)發(fā)生大面積區(qū)域停電或全部停電（全“黑”狀態(tài)）情況下，少數(shù)特殊配置的具有自啟動能力的發(fā)電廠先行啟動發(fā)電，恢復(fù)局部電網(wǎng)供電，再帶動電網(wǎng)內(nèi)多數(shù)沒有自啟動能力的發(fā)電廠啟動發(fā)電，逐漸恢復(fù)全部電網(wǎng)供電。
協(xié)鑫（集團）控股有限公司是一家以新能源、清潔能源為主，相關(guān)產(chǎn)業(yè)多元化發(fā)展的科技引領(lǐng)型綜合能源龍頭企業(yè)。廣州協(xié)鑫藍天燃氣熱電有限公司作為協(xié)鑫集團旗下標桿企業(yè)，系全國首家集“燃氣熱電冷聯(lián)供、中水循環(huán)利用、LNG冷能綜合利用、光能利用、儲能充電”于一體的國家級多能互補示范工程。
公司建設(shè)2×196MW燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱電冷聯(lián)供機組，燃氣輪機組采用美國GE公司PG9171E型重型燃氣輪機，燃機采用先進的DLN1.0低氮燃燒器，配套建設(shè)國產(chǎn)雙壓自然循環(huán)余熱鍋爐和國產(chǎn)抽汽凝汽式供熱機組，單臺機組設(shè)計額定供熱量為120t/h，最大供熱量為140t/h，年供熱量40余噸。目前已建成長達二十多公里的供熱環(huán)網(wǎng)，同時對所在園區(qū)優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、環(huán)境綜合治理做出重要貢獻。
2 燃氣輪機工作原理及啟動步驟
2.1 燃氣輪機工作原理
將過濾后符合溫度和濕度要求的空氣進入壓氣機壓縮后，一部分與天然氣混合，在火焰筒內(nèi)燃燒，產(chǎn)生高溫高壓的燃氣，另一部分作為冷卻介質(zhì)冷卻各高溫部件，最后和高溫高壓的燃氣混合，進入透平做功（類似蒸汽在汽輪機的級內(nèi)膨脹做功），作為動力源帶動發(fā)電機做功輸出電能，燃氣輪機的排煙溫度高（9E為538℃，9F為609℃左右），其尾部排煙經(jīng)過煙道排入余熱鍋爐（HRSG）中，應(yīng)用熱交換器原理加熱給水，產(chǎn)生高溫高壓的蒸汽，進入蒸汽輪機做功。燃氣輪機監(jiān)控圖如圖1所示。
圖1 燃氣輪機監(jiān)控圖
2.2 啟動步驟（如圖2所示）
圖2 啟動步驟
3 壓氣機、燃機起動電機
壓氣機是燃氣輪機各部分中重要的部件之一，也是燃氣輪機中耗能的大部件，燃氣輪機透平在正常運行中產(chǎn)生的2/3的功將消耗在壓氣機上，剩余的1/3的功作為動力源輸出到發(fā)電機。顯然存在一個問題，在啟動過程中點火之前和點火之后透平發(fā)出的功率小于壓氣機所需的功率，這段時間內(nèi)必須由燃氣輪機主機之外的動力來拖動機組的轉(zhuǎn)子。換言之，燃氣輪機的啟動必須借助外部動力設(shè)備。在啟動之后，再將外部動力設(shè)備脫開。該外部動力設(shè)備即燃機起動電機。該項目應(yīng)用燃機起動電機參數(shù)如表1所示。燃機起動電機負載圖如圖3所示。
圖3 燃機起動電機負載圖
表1 燃機起動電機參數(shù)
4 森蘭VFPS系列高壓變頻軟起裝置
4.1 變頻軟起裝置工作原理
變頻軟起裝置采用交-直-交型電壓源型逆變器，主電路采用功率單元串聯(lián)技術(shù)解決器件耐壓問題，級間SPWM信號移相后疊加，提高了輸出電壓諧波性能、降低輸出電壓的dv/dt（電壓變化率），通過電流多重化技術(shù)提高輸入側(cè)諧波性能，減小對電網(wǎng)的諧波污染，通過多樣的算法，可以為不同類型的負載提供優(yōu)異的啟動性能。
功率單元串聯(lián)式高壓變頻軟啟動裝置由旁路切換開關(guān)柜、移相變壓器、功率單元柜、控制柜和并網(wǎng)電抗器等部分組成。三相高壓電源經(jīng)高壓開關(guān)柜進入，經(jīng)移相變壓器降壓、移相給功率單元柜內(nèi)的功率單元供電，每相的功率單元輸出首尾相串聯(lián)，由控制柜的主控制器通過光纖控制每一功率單元進行整流、逆變控制與檢測。在變頻軟起模式下啟動后，變頻器的輸出頻率從0Hz逐步升至50Hz，輸出電壓從0V開始逐漸升高至電網(wǎng)電壓，此時，主控制器啟動鎖相功能，使其輸出電壓逐步與輸入電網(wǎng)電壓同相位、同幅值、同頻率后，自動切換至工頻運行。
4.2 變頻軟起裝置現(xiàn)場應(yīng)用
現(xiàn)場運行的PG9171E燃氣輪機本身不具備黑啟動功能，需要配備合適的柴油發(fā)電機來提供電力給起動電機以及一些輔機，從表1可知啟動馬達電壓等級6kV，同時燃氣輪機在啟動過程中最大負載為起動電機，需要考慮到起動電機從帶電到脫扣階段的負荷特性，最終為現(xiàn)場提供希望森蘭出品的VFPS-060-630變頻軟起裝置，變頻器容量為630kVA，額定輸出電流為62A，輸入頻率50Hz，輸出頻率范圍0～60Hz。該變頻器電源由高壓6kV輸入，高壓輸出范圍0～6000V。
4.3 變頻軟起裝置一次回路（如圖4所示）
圖4 變頻軟起裝置一次回路
4.4 一次回路構(gòu)成及互鎖要求
（1）一次回路構(gòu)成
該裝置包含用戶進線開關(guān)QF1、燃機起動電機工頻切換開關(guān)6104與6209、柜內(nèi)隔離開關(guān)QS1與QS2、變頻器充電電阻、柜內(nèi)真空接觸器KM1與KM2、輸出電抗器L、一次系統(tǒng)預(yù)充電回路以及電流電壓采樣回路等。采用一次系統(tǒng)預(yù)充電的好處：
? 可大大抑制變頻器上電時對電網(wǎng)的沖擊電流，限制在額定電流以下；
? 降低對電網(wǎng)容量的需求，上電時不影響電網(wǎng)上其它設(shè)備的正常運行；
? 延長干式移相變壓器及功率單元中電容及整流橋等設(shè)備的使用壽命；
? 限流開關(guān)無需上級斷路器QF的接地刀互鎖，不改變開關(guān)柜“五防”，不存在安全隱患，優(yōu)于其它限流方式，為安全、性能優(yōu)的限流方式。
（2）互鎖要求
QS1與KM1，QS2與KM2相互聯(lián)鎖，即隔離開關(guān)合上后，與隔離開關(guān)對應(yīng)的真空接觸器才能合閘，真空接觸器合上后，與真空接觸器對應(yīng)的隔離開關(guān)不能分開；KM1、KM2之間相互聯(lián)鎖，只要其中一個合上，另一個不能合閘。KM1與6104互鎖、KM2與6209互鎖，正常情況下只允許一個合閘。只有當變頻軟起輸出與電網(wǎng)達到同步時，才能解鎖KM1與6104、KM2與6209的互鎖關(guān)系。
4.5 燃機起動電機工作流程（如圖5所示）
圖5 燃機起動電機工作流程
5 軟起裝置應(yīng)用效果
5.1 工作性能
鎖相功能確保了變頻器輸出電壓與工頻電網(wǎng)電壓的主參數(shù)一致性，解決了電動機變頻運行切換工頻運行時可能產(chǎn)生電流沖擊的問題。該裝置將電動機由變頻器拖動切換至工頻電網(wǎng)過程中，電動機的電流波形和電網(wǎng)電壓及變頻器輸出電壓波形如圖6所示。
圖6 電流波形和電網(wǎng)電壓及變頻器輸出電壓波形
注：綠色（通道2）——變頻器輸出電壓；
黃色（通道1）——變頻器輸入電壓；
藍色（通道3）——變頻器輸出電流；
高壓變頻軟起裝置在啟動燃機起動電機時，由變頻拖動切換至工頻拖動過程中，輸出電壓可以跟隨電網(wǎng)電壓使兩者頻率、幅值、相位均保持一致，幾乎沒有沖擊電流產(chǎn)生，不僅降低了電機啟動時的發(fā)熱問題，減小了大電流對電機壽命的影響，還解決了超大功率電機在啟動時對電網(wǎng)的沖擊問題。
5.2 裝置優(yōu)點
（1）設(shè)置一次預(yù)充功能，對設(shè)備及電網(wǎng)無沖擊，延長設(shè)備使用壽命；
（2）能夠?qū)崿F(xiàn)電動機的軟啟動，延長機械使用壽命，減小維護工作量，降低維護費用等；
（3）啟動全過程均小于額定電流，屬于柔性啟動，可大大降低對電網(wǎng)容量的需求，節(jié)省電網(wǎng)容量。
6 結(jié)語
希望森蘭VFPS系列變頻軟起裝置滿足大功率電機柔性起動的需求，針對電網(wǎng)黑啟動應(yīng)用時，啟動機容量有限、全程啟動電流小于額定電流、投切平滑的特點，為電廠黑啟動提供了一種解決方案，具有良好的應(yīng)用前景。
作者簡介：
陶 頂（1991-），男，云南曲靖人，工程師，學士，現(xiàn)就職于希望森蘭科技股份有限公司，長期從事高壓變頻器在各類工業(yè)現(xiàn)場的應(yīng)用研究。
呂海波（1982-），男，四川南充人，工程師，學士，現(xiàn)就職于希望森蘭科技股份有限公司，長期從事高壓變頻器現(xiàn)場應(yīng)用及研究工作。
摘自《自動化博覽》2021年6月刊
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號