熱電廠利用余壓余熱發(fā)電的工作原理，在發(fā)電機(jī)選型、容量選擇和接入高壓廠用母線并網(wǎng)運(yùn)行過程中對(duì)廠用電系統(tǒng)安全運(yùn)行可能產(chǎn)生的影響方面進(jìn)行了分析，并在發(fā)電機(jī)選型和參數(shù)選擇方面提出了建議，確保新增加電機(jī)后不影響廠用電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。最后結(jié)合工程實(shí)例進(jìn)行了計(jì)算和分析。
熱電廠為了實(shí)現(xiàn)能量的梯級(jí)利用，增設(shè)余壓利用汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組，其工作原理是利用主汽輪機(jī)采暖抽汽的能級(jí)差驅(qū)動(dòng)功熱汽輪機(jī)拖動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電供機(jī)組廠用電自用，增加背壓式汽輪機(jī)組后可充分發(fā)揮熱電聯(lián)產(chǎn)優(yōu)勢(shì)，提高蒸汽利用效率，達(dá)到節(jié)能降耗提高運(yùn)行效益的目的。
增加背壓式汽輪機(jī)組的原則是以滿足熱負(fù)荷為主，在保證機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上最大化利用壓差進(jìn)行做功發(fā)電。背壓式汽輪機(jī)組容量選擇一般是根據(jù)蒸汽量、蒸汽焓降和廠用負(fù)荷進(jìn)行選擇，根據(jù)以上原則選擇的汽輪機(jī)組對(duì)于并網(wǎng)段來說屬于大容量的電機(jī)，在其運(yùn)行過程中勢(shì)必對(duì)高壓廠用系統(tǒng)有影響，所以在確定新增加電機(jī)型號(hào)和容量前需要校驗(yàn)其對(duì)系統(tǒng)的影響，確保高壓廠用電系統(tǒng)的安全。
1 電氣系統(tǒng)配置
根據(jù)電廠電壓等級(jí)結(jié)構(gòu)和負(fù)荷分布，汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電后接入廠用高壓段可以使余熱余壓做功利用最大化，所以發(fā)電機(jī)一般接入廠用高壓段。
根據(jù)電廠接線方式電機(jī)可以接入高壓工作段（見圖1）或高壓公用段（見圖2），一般高壓公用段與兩臺(tái)機(jī)組高壓段互聯(lián)，一段為正常工作電源另一段為備用電源，所以電機(jī)接入公用段可以把發(fā)電負(fù)荷更方便的在兩個(gè)機(jī)組之間切換，當(dāng)一臺(tái)機(jī)組停機(jī)時(shí)可以把發(fā)電負(fù)荷轉(zhuǎn)移到另臺(tái)機(jī)組的高壓段，汽輪機(jī)組利用率更高。
如果高壓廠用段無合適備用間隔而且在空間上增加間隔比較困難，就可以考慮在發(fā)電機(jī)安裝地增加一段高壓首站，并網(wǎng)開關(guān)放在高壓首站，再由高壓首站接入廠用高壓段（見圖3）。
圖1 接入廠用高壓工作段系統(tǒng)示意圖
圖2 接入廠用高壓公用段系統(tǒng)示意圖
圖3 新增高壓首站系統(tǒng)示意圖
電機(jī)的并網(wǎng)操作在遠(yuǎn)方DCS操作完成，發(fā)電機(jī)的電流、電壓、功率、無功、功率因數(shù)等電氣參數(shù)接入到電氣監(jiān)控畫面能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方監(jiān)控。
電機(jī)配備繼電保護(hù)裝置能確保發(fā)電機(jī)故障狀態(tài)下能從系統(tǒng)切除掉，不會(huì)造成故障擴(kuò)大，不影響廠用系統(tǒng)安全運(yùn)行。發(fā)電機(jī)配備的保護(hù)包括：差動(dòng)速斷、比例差動(dòng)、過流速斷、限時(shí)過流、過負(fù)荷、零序過流、低電壓、逆功率等保護(hù)。
在電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電運(yùn)行后，小汽機(jī)發(fā)電機(jī)組出力可以根據(jù)所接入高壓段負(fù)荷變化進(jìn)行調(diào)整，滿足發(fā)電機(jī)所發(fā)電量本段消耗，自發(fā)自用，不影響系統(tǒng)原運(yùn)行方式。
2 電機(jī)類型和容量選擇
2.1 電機(jī)類型的選擇
對(duì)于增加的發(fā)電機(jī)有以下兩種類型選擇。
1）同步發(fā)電機(jī)。其特點(diǎn)是由直流電源勵(lì)磁，既能提供有功功率，又能提供無功功率，能滿足各種負(fù)載的要求，且能方便的轉(zhuǎn)為孤立方式運(yùn)行，但控制、保護(hù)和勵(lì)磁系統(tǒng)比較復(fù)雜，需要較高的操作水平，一次性投資也比較高。
2）異步電機(jī)。大部分都是鼠籠式電動(dòng)機(jī)，其沒有獨(dú)立勵(lì)磁繞組，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作、運(yùn)維方便，并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)運(yùn)行時(shí)異步發(fā)電機(jī)被系統(tǒng)拖動(dòng)電壓穩(wěn)定不會(huì)發(fā)生失步和震蕩，外部三相短路時(shí)穩(wěn)態(tài)短路電壓幾乎為零。其缺點(diǎn)是要從電網(wǎng)吸收感性無功，必須借助電容器方可孤島運(yùn)行，且這種運(yùn)行方式供電電能質(zhì)量較差。
考慮異步發(fā)電機(jī)配套設(shè)施簡(jiǎn)單，占地面積小，投資少，根據(jù)余壓利用汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組異步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行方式，屬于和系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行，所以優(yōu)先考慮異步電機(jī)。
異步電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行，由系統(tǒng)提供電機(jī)自身需要的勵(lì)磁無功，由于系統(tǒng)對(duì)于異步發(fā)電機(jī)可視為無限大電源，所以異步發(fā)電機(jī)被系統(tǒng)拖動(dòng)電壓穩(wěn)定，電能質(zhì)量較好。異步電機(jī)作為吸收無功設(shè)備，電廠發(fā)電機(jī)無功充足完全有能力補(bǔ)償異步電機(jī)吸收的無功。
2.2 電機(jī)容量的選擇
對(duì)于電廠來說，發(fā)電機(jī)的容量選擇以滿足廠用電為主，實(shí)現(xiàn)自發(fā)自用，不能通過高廠變反送電，不影響機(jī)組系統(tǒng)的原有運(yùn)行方式，所以在容量選擇上以機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)廠用負(fù)荷為設(shè)計(jì)依據(jù)。
常規(guī)熱電廠一般有兩臺(tái)機(jī)組，每臺(tái)機(jī)組高壓廠用段有兩段分為A段和B段，工作電源由高廠變來帶，備用電源由啟備變提供，如果廠內(nèi)設(shè)有高壓公用段，高壓公用段工作電源由一臺(tái)機(jī)組的高壓A或B段供電，備用電源就由另一臺(tái)機(jī)的高壓A或B段供電。所以接入點(diǎn)可以考慮高壓工作A、B段或公用段，而接入點(diǎn)的選擇直接影響電機(jī)容量的選擇。
容量選擇原則：①統(tǒng)計(jì)機(jī)組不同運(yùn)行工況下發(fā)電機(jī)所接入高壓段的分支負(fù)荷電流，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果選擇最小電流進(jìn)行容量選擇，這樣能保證在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)所發(fā)電量自發(fā)自用；②高廠變系統(tǒng)增加電機(jī)后高廠變系統(tǒng)參數(shù)（容量、短路電流）依然合適。
3 新增異步電機(jī)對(duì)廠用電系統(tǒng)的影響
將異步電機(jī)接入頻率、電壓恒定的電網(wǎng)中時(shí)，用原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)異步發(fā)電機(jī)，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n低于氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速ns，即n＜ns轉(zhuǎn)差率S為正值，則為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)轉(zhuǎn)速n高于氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速ns，即n＞ns轉(zhuǎn)差率S為負(fù)值，則為發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)[1]。
異步電機(jī)轉(zhuǎn)差率為
（1）
式中，ns為同步轉(zhuǎn)速；n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。
當(dāng)S＜0時(shí)，電機(jī)為發(fā)電機(jī)狀態(tài)；當(dāng)0＜S＜1時(shí)，電機(jī)為電動(dòng)機(jī)狀態(tài)。所以異步電機(jī)的運(yùn)行是可逆的，運(yùn)行當(dāng)中會(huì)出現(xiàn)兩種不同的運(yùn)行工況發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)，這兩種運(yùn)行工況對(duì)系統(tǒng)的影響不相同。
3.1 異步電機(jī)當(dāng)電動(dòng)機(jī)單體試運(yùn)時(shí)對(duì)廠用系統(tǒng)的影響
異步發(fā)電機(jī)在并網(wǎng)前需要作為電機(jī)起動(dòng)空載運(yùn)行進(jìn)行單機(jī)試運(yùn)，所以在首次并網(wǎng)前需要作為電動(dòng)機(jī)起動(dòng)運(yùn)行。一般作為電動(dòng)機(jī)起動(dòng)有兩種方式，即直接起動(dòng)和降壓起動(dòng)。
直接起動(dòng)最為簡(jiǎn)單，直接合出口開關(guān)，電機(jī)從零轉(zhuǎn)起動(dòng)，起動(dòng)電流一般為5～7倍的額定電流，電流衰減時(shí)間也比較長(zhǎng)，所造成的廠用電壓降較大。
按照規(guī)定當(dāng)廠用系統(tǒng)新增加一個(gè)比較大的異步電動(dòng)機(jī)后需要對(duì)高廠變?nèi)萘俊⒏邚S變分支過流保護(hù)、母線起動(dòng)電壓進(jìn)等行校驗(yàn)以驗(yàn)證系統(tǒng)增加電機(jī)后以上參數(shù)是否還合適。
3.2 異步電機(jī)并網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)的影響
異步電機(jī)并網(wǎng)前，首先用小汽機(jī)帶異步電機(jī)進(jìn)行沖轉(zhuǎn)，等到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n接近3000r/min時(shí)，合上高壓段并網(wǎng)開關(guān)，此時(shí)由于轉(zhuǎn)差率 S＜1，異步電機(jī)為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行方式，拖動(dòng)原動(dòng)機(jī)運(yùn)行，運(yùn)行平穩(wěn)后通過調(diào)節(jié)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)門調(diào)節(jié)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速，當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速大于同步轉(zhuǎn)速3000r/min時(shí)，轉(zhuǎn)差率S＜0，異步電機(jī)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)[2]。
在異步電機(jī)并網(wǎng)時(shí)，由于異步電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速已經(jīng)接近同步轉(zhuǎn)速n0，其轉(zhuǎn)速差S≈0。
根據(jù)異步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩T公式：
（2）
理論上當(dāng)n=n0時(shí)，S=0旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相對(duì)轉(zhuǎn)子為靜止電磁轉(zhuǎn)矩為0，起動(dòng)電流大約為0。
實(shí)際過程中，異步發(fā)電機(jī)在并網(wǎng)瞬時(shí)，為了建立磁場(chǎng)會(huì)從系統(tǒng)吸收無功，瞬時(shí)會(huì)有大電流沖擊，且導(dǎo)致廠用電壓降低。通過仿真軟件，計(jì)算6000kW異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)廠用6kV段時(shí)，沖擊電流峰值為3.8kA，時(shí)間瞬時(shí)很短。
在并網(wǎng)穩(wěn)定后，異步發(fā)電機(jī)需要從機(jī)組上吸收無功進(jìn)行激磁，勵(lì)磁電流為電機(jī)的空載運(yùn)行電流，發(fā)電機(jī)從系統(tǒng)吸收約為額定容量20%～25%的無功，所以此時(shí)并網(wǎng)電流大約是電機(jī)的20%～25%額定電流。
3.3 異步發(fā)電機(jī)對(duì)廠用快切過程的影響
6kV廠用負(fù)荷多為異步電動(dòng)機(jī)，廠用母線失電后電動(dòng)機(jī)將惰行，對(duì)單臺(tái)電機(jī)而言，工作電源切斷后電動(dòng)機(jī)定子電流變?yōu)榱?，轉(zhuǎn)子電流逐漸衰減。由于機(jī)械慣性，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速將從額度值逐漸減速，轉(zhuǎn)子電流磁場(chǎng)將在定子繞組中反向感應(yīng)電勢(shì)，形成反饋電壓，也就是所謂的母線失電后的母線殘壓，6kV廠用電母線電壓和頻率衰減的時(shí)間、速度跟該段母線所帶的負(fù)載有關(guān)，負(fù)載越多，電壓、頻率下降的越慢而且下降的速率隨著時(shí)間的推移不斷呈現(xiàn)加速下滑的趨勢(shì)。
理論上增加異步發(fā)電機(jī)后其會(huì)減緩母線電壓和頻率的衰減，有利于廠用電的快速切換成功率，在實(shí)際工程當(dāng)中還需要實(shí)際做廠用切換試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。
如果實(shí)際切換試驗(yàn)結(jié)果對(duì)廠用電切換過程影響很大，那就需在快切動(dòng)作同時(shí)把異步發(fā)電機(jī)從系統(tǒng)切除。
4 工程實(shí)例
某熱電廠有兩臺(tái)330MW機(jī)組新上1臺(tái)背壓式發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)為額定電壓為6kV，額定功率6000kW的異步電機(jī)，發(fā)電機(jī)發(fā)出的電量直接接入廠內(nèi)兩臺(tái)機(jī)組的6kV高壓公用A段，電機(jī)容量滿足接入高壓段運(yùn)行設(shè)備自用。
電廠設(shè)備參數(shù)如下：
1）新上異步發(fā)電機(jī)容量為6000kW，額定電壓6.3kV額定電流611A。
2）高廠變參數(shù)
Sn=50000/31500?31500kVA，電壓20±2×2.5%/6.3? 6.3，Ud1-2′ =18.6%，Ud1-2〞=19%，D,yn1-yn1；分支TA變比4000/5，母線發(fā)生兩相短路短路電流為22040A。
3）高壓段原有最大容量電動(dòng)機(jī)為電動(dòng)給水泵容量為5500kW。
4）分支負(fù)荷電流為2887A（取6kV高壓工作A段）。
5）分支過流定值13.7A。
4.1 作為電動(dòng)機(jī)空載起動(dòng)時(shí)校驗(yàn)
異步電機(jī)在首次起動(dòng)時(shí)需要和汽輪機(jī)解除對(duì)輪連接，作為電動(dòng)機(jī)起動(dòng)進(jìn)行單機(jī)試運(yùn)，其目的是為了檢查電機(jī)本體的潤(rùn)滑油系統(tǒng)、振動(dòng)、溫度等情況，最主要是觀察其轉(zhuǎn)向是否和汽輪機(jī)轉(zhuǎn)向一致，由于所上電機(jī)容量很大根據(jù)相關(guān)規(guī)定當(dāng)廠用6kV段增加一個(gè)大容量電機(jī)時(shí)需要對(duì)其產(chǎn)生的影響進(jìn)行計(jì)算分析。
1）分支電流校驗(yàn)
校核定值10.284A小于原定值13.7A，分支過流定值滿足新增加大電機(jī)后的要求，所以原定值不需要修改依然可以滿足現(xiàn)系統(tǒng)要求。
2）電機(jī)起動(dòng)時(shí)母線電壓進(jìn)行校驗(yàn)
由上述計(jì)算可知：新增電機(jī)正常起動(dòng)時(shí)母線電壓下降為額定電壓的82%，大于規(guī)定要求的當(dāng)大電機(jī)正常起動(dòng)時(shí)，廠用母線電壓不應(yīng)低于額定電壓的80%。母線電壓可以滿足要求。
在電機(jī)投入運(yùn)行起動(dòng)時(shí)對(duì)電氣數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)際測(cè)量：電機(jī)的起動(dòng)電流最高值為3678A，為額定電流的6倍；高壓段母線電壓從6.28kV降到5.19kV，最低電壓為額定電壓的82%與理論計(jì)算值一致。
4.2 電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的電氣參數(shù)
異步電機(jī)并網(wǎng)前，首先用小汽機(jī)帶異步電機(jī)進(jìn)行沖轉(zhuǎn)，等到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n接近2950r/min時(shí)合上高壓段并網(wǎng)開關(guān)。
從故障錄波器讀取并網(wǎng)數(shù)據(jù)，并網(wǎng)瞬間電流峰值約為3000A，為4.9倍的額定電流，198ms衰減至額定電流，296ms衰減至正常運(yùn)行電流。
此時(shí)在DCS上觀察到的電機(jī)電流、無功功率、有功功率、母線電壓圖形如圖4所示。
圖4 異步電機(jī)并網(wǎng)錄波圖
圖4中，曲線1為異步發(fā)電機(jī)無功，曲線2為并網(wǎng)開關(guān)位置，曲線3為異步發(fā)電機(jī)電流，曲線4為發(fā)電機(jī)功率，由于DCS的采樣精度關(guān)系，從DCS錄波數(shù)據(jù)可以看到大概趨勢(shì)，在并網(wǎng)的瞬間異步電機(jī)的有功為58kW，可得知并網(wǎng)瞬間電機(jī)是被系統(tǒng)拖動(dòng)為電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，并網(wǎng)電流為106A，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于作為電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的6倍額定電流；母線電壓在并網(wǎng)瞬間電壓從6.3kV降到6.14kV，高壓母線電壓偏移為2.5%，對(duì)系統(tǒng)電壓幾乎沒有影響，異步電機(jī)作為無功并網(wǎng)瞬間吸收無功為1100kvar；對(duì)于機(jī)組的無功容量來說容量比較小，機(jī)組完全可以在異步電機(jī)并網(wǎng)前增加無功，來消除無功被吸收的影響。
從圖4中還可以看出，在并網(wǎng)后隨著汽輪機(jī)增加出力異步電機(jī)的電流、電壓、有功功率、無功功率平穩(wěn)變化。
通過上面數(shù)據(jù)分析可以看出，異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)時(shí)對(duì)廠用電系統(tǒng)的沖擊遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于當(dāng)做電動(dòng)機(jī)空載起動(dòng)時(shí)的沖擊。
從前文的分析結(jié)果可以得出，新增加異步電機(jī)無論是做為電動(dòng)機(jī)空載運(yùn)行還是發(fā)電機(jī)并網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)都不會(huì)影響廠用系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
4.3 高壓母線故障時(shí)異步發(fā)電機(jī)對(duì)系統(tǒng)的影響
異步發(fā)電機(jī)是靠系統(tǒng)電壓進(jìn)行勵(lì)磁，當(dāng)其所并網(wǎng)高壓段上發(fā)生三相短路時(shí)，由于失去勵(lì)磁，異步發(fā)電機(jī)將不存在持續(xù)短路電流，但在短路瞬間，電機(jī)中存在一定的磁場(chǎng)，由于定子和轉(zhuǎn)子繞組的磁鏈不能突變，因此使定子和轉(zhuǎn)子回路產(chǎn)生很大的沖擊電流，其物理本質(zhì)和同步發(fā)電機(jī)機(jī)端突然三相短路產(chǎn)生的沖擊原理是相同的[7]。
原電廠高廠變低壓側(cè)短路時(shí)最大短路電流為25.8kA。由于增加異步發(fā)電機(jī)母線上有設(shè)備故障時(shí)最大峰值短路電流可以達(dá)到：25.8kA+7.9kA= 33.7kA。由于故障時(shí)異步發(fā)電機(jī)失去勵(lì)磁電壓，所以其衰減速度很快。
根據(jù)電廠6kV母線設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求：短時(shí)耐受電流≥40kA(4s)，峰值耐受電流≥100kA，所以對(duì)母線沒有影響；負(fù)荷真空斷路器技設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：額定熱穩(wěn)定電流（有效值）≥40kA(4s)，額定峰值耐受電流130kA，額定關(guān)合電流（峰值）130kA，負(fù)荷開關(guān)滿足要求。
通過計(jì)算可以得出，在增加異步發(fā)電機(jī)后，高壓廠用系統(tǒng)的母線和開關(guān)完全滿足安全運(yùn)行要求。
結(jié)論
1）異步發(fā)電機(jī)的應(yīng)用比較成熟且性價(jià)比高，在發(fā)電機(jī)選擇上宜選擇異步發(fā)電機(jī)。
2）發(fā)電機(jī)參數(shù)的選擇要依據(jù)電機(jī)接入點(diǎn)的負(fù)荷的容量，并根據(jù)高廠變系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行核算，確保高廠變參數(shù)滿足系統(tǒng)新增加電機(jī)。
3）異步電機(jī)對(duì)系統(tǒng)影響最大的是作為電動(dòng)機(jī)空載起動(dòng)時(shí)，如果起動(dòng)時(shí)對(duì)廠用系統(tǒng)影響大可考慮增加降壓軟起動(dòng)設(shè)備或采取轉(zhuǎn)移該段負(fù)荷的方式。
4）異步電機(jī)并網(wǎng)時(shí)對(duì)系統(tǒng)沖擊很小，正常運(yùn)行時(shí)對(duì)系統(tǒng)影響小。
5）不將異步電機(jī)看做電廠內(nèi)的重要電機(jī)，當(dāng)廠用系統(tǒng)有任何異常，可隨時(shí)把異步發(fā)電機(jī)與廠用系統(tǒng)切斷。
熱電廠利用小汽輪機(jī)對(duì)供汽抽汽的余熱余壓進(jìn)行做功利用，運(yùn)用異步發(fā)電機(jī)電供給機(jī)組廠用電自用，在經(jīng)濟(jì)上能取得可觀的效益，這一切都是在廠用電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下進(jìn)行的，所以在新增電機(jī)機(jī)型和容量選擇前需要進(jìn)行理論計(jì)算，機(jī)組投運(yùn)時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際錄波進(jìn)行驗(yàn)證，以確保機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行。
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