GE 9FA燃气轮机静态变频启动装置故障分析及处理

马桂芳,刘生建

(龙岩学院物理与机电工程学院,福建龙岩364012)

GE 9FA燃气轮机静态变频启动装置故障分析及处理

马桂芳,刘生建

(龙岩学院物理与机电工程学院,福建龙岩364012)

静态变频装置是9FA燃机的重要部件,根据GE 9FA中所采用的型号为LS2100变频启动装置的启动特性,通过电厂因静态变频启动装置造成机组无法启动的实例分析LCI在运行中出现的故障及处理办法.

燃气轮机;LS2100;静态变频启动;故障处理

燃气---蒸汽联合循环发电机组是一种高效环保的发电装置,近年来在世界范围内得到了广泛的发展,而静态变频启动系统(GE公司简称为LCI)是现代电力电子技术在燃机领域的一种新的应用,它具有操作简单、维护量小、运行成本低等优点,因此在ABB、GE、SIEMENS、三菱等公司得到广泛的应用.

燃气轮机透平在运行中产生的功率有2/3用于压气机,在启动过程中透平没有做功,联合循环机组只有在燃气轮机启动后才能进入系统正常运行.然而机组只有达到自持转速(一般为额定转速的90%)以后,才能够独立地运转和加速,在达到自持转速之前,它必须借助于外界的动力启动和加速.所以燃气轮机联合循环机组必须有一套额外的装置供给燃机功率,在控制系统的命令下,帮助燃气轮机按照启动程序旋转、点火、升速,最后完成燃气轮机的启动.目前GE 9FA机组使用的启动方式为LCI静态变频启动.LCI的正常运行与机组的正常启动有着密不可分的联系[1].

针对电厂出现的几个LCI故障导致机组启动失败的案例进行分析,提出解决方案.

1 静态变频系统的启动过程

1.1 工作原理

联合循环机组启动时发电机是作为同步电动机工作的,其定子绕组由LCI供电,转子绕组由厂用6 KV电源供电.在定子和转子电流产生的电磁力作用下使发电机转子转动并升速[2].

LCI是用电流这个物理量来控制发电机转速的,通过传感器反馈来的实际转速与给定的转速相比较后进入速度调节器.速度调节器产生转矩电流命令,此命令经过最小电流限定器后与定子反馈的电流进行比较,最后进入电流调节器,调节定子电流,从而调节发电机转子的转速[3].静态变频启动装置的单线图如图1所示.

图1 静态启动装置的单线图

1.2 启动过程

起初燃气轮机---发电机组盘车转速为4 rpm.LS2100型LCI的工作过程为:启动时,LCI连接到发电机定子并承担励磁器转子电压基准的控制.LCI将机组加速到清吹转速设定值699 rpm,保持在此转速大约11 min.清吹结束之后,LCI停止输出,机组惰走到点火转速399 rpm,一旦达到这个转速,输出再次启动,燃机点火.机组保持在恒定转速421 rpm来暖机.暖机1min后结束,LCI使机组加速到自持转速2 700 rpm,在此转速LCI停止并从发电机断开.启动时LCI电流与机组转速的关系曲线如图2所示.

图2 燃气轮机机组启动时LCI电流与机组转速的关系曲线

1.3 控制方式

GE 9FA单轴联合循环机组采用LCI启动,在我国一般采用一拖二(两台燃机配置1台LCI)、二拖二(2台燃机配置2台LCI)、二拖三(3台燃机配置2台LCI).某电厂采用"一拖二"的方式,2台LCI负责启动4台透平发电机组.每个LCI有1个马达操作的开关89MD,用于连接到各自的启动母线.每个发电机有一个马达操作的开关89SS,用于将2条启动母线中的一条连接到发电机定子[4].系统图如图3所示.

图3 LCI一拖二单线图

2 LCI运行故障分析及处理

LCI的正常运行是机组正常启动的先决条件,特别对于早起晚停的调峰机组来说,LCI的重要性更是不言而喻的,在此对于LCI在日常出现的故障进行分析和提出处理方案.

2.1 输出熔断器烧毁

2.1.1 某事件过程(采用一拖二的方式,即2台LCI启动四组发电机组,#1LCI代表第一台LCI)

5:30,#1机选择#1LCI启动.5:50升速至1 512 rpm,机组跳闸,首出"静态启动装置遮断".人员到现场检查未发现异常,报警未发现异常,对控制器重启后报警消失.6:00#2机选择#2LCI启动,正常升速.6:24机组并列.6:27,#1机选择#2LCI启动,正常升速.6:52机组并列.7:19#3机选择#2LCI启动.7:39升速至1 723 rpm,机组跳闸,首出"静态启动装置遮断".装置报警"整流桥A过载",检修人员到场检查未发现异常,复位后报警消失.8:12#3机选择#1LCI启动,升速至40 rpm,机组跳闸,首出"静态启动装置遮断".8:17#3机选择#2LCI启动,升速至71 rpm,机组跳闸,首出"静态启动装置遮断".8:30就地检查#2LCI控制器报警"Load overcurrent"负荷过载.控制小间有轻微异味,检查89MD-1的输出保险,发现A相3个保险均炸裂.检查#1LCI控制器报警"Failure to start"启动失败.

2.1.2 原因分析

(1)#1LCI第一次启动到1 512 rpm跳闸时,#1LCI的输入电流1 049 A,与正常启动时此转速下对应的输入电流基本一致,LCI的输出电流无法直接读得.核对LCI故障跳闸的电流变化曲线与正常启动的电流曲线一致.判断#1LCI内部没有问题,输出保险炸裂的原因是器件老化.

(2)#1LCI第二次启动时跳闸,分析由于LCI已缺相输出,在发电机加励磁后,由于初期LCI是采用强制整流启动的,故两个磁场的作用仍将发电机拖动到40 rpm,但随即整流桥检测到缺相过载,立即保护动作跳闸.

(3)#2LCI第三次启动到1 723 rpm时跳闸,报警已发出"整流桥A过载",由于经验原因及抢着开机,没有仔细分析,这时输出保险应该已经炸裂.炸裂的原因主要是由于连续启动机组,保险丝的热量未完全散化,热量积累导致熔丝熔断.核对LCI故障跳闸的电流变化曲线与正常启动的电流曲线一致.判断#2LCI内部没有问题.

(4)#2LCI第四次启动到71 rpm跳闸,原因与#1LCI第二次启动跳闸一致.同样是由于此时#2LCI单相输出保险已经炸裂,LCI缺相输出,在发电机加励磁后,LCI初期强制整流启动,磁场作用将发电机拖动至71 rpm,而后整流桥检测到缺相运行,保护动作跳闸[5].

2.1.3 处理方式

(1)由于LCI输入电流与发电机的输出保险的定值相差不远,导致LCI长期在定值边缘运行,加速了输出保险的老化,故根据GE的TIL文件,将LCI的输出保险由现在的1 050 A更换为1 400 A.

(2)对LCI的连续启动,规定15min的冷却时间,以使隔离变、可控硅、输出保险的热量能散出,保证设备的正常运行.

(3)增加LCI小室的空调数量,加大LCI小室室内的冷却力度,使得LCI小室内隔离变、可控硅、输出保险的热量能够尽快散出,保证了LCI的正常运行.

2.1.4 处理结果

由于多项措施的及时执行,保证了LCI输出保险的冷却和延期了老化,措施执行两年多来,未发生同类事故.

2.2 差动保护跳闸

2.2.1 某事件过程

NEP984是国电南自制造的数字式变压器差动保护装置.

某天,检修人员按计划对#1机6KV IA段母线、开关进行试验、保护定值核对、传动试验及LCI隔离变检修、试验.其中对隔离变试验项目有:直流电阻测试、绕组绝缘测量、铁芯绝缘电阻测量,测试结果合格;隔离变进线开关检修项目有:清灰、端子紧固、图纸核对、定值核对.当日终结工作票[5].

5:28,#2机使用#1LCI启动,MK6发"Static Starter Fault/Trip""STARTING DEVICE TRIP"报警,机组启动失败,就地检查发现隔离变进线柜报差动保护动作,LCI系统告"Source breaker fault",复位后报警消失. #2机改用#2LCI启动.

6:03,#3机使用#1LCI启动,MK6发"Static Starter Fault/Trip""STARTING DEVICE TRIP"报警,启动失败,就地检查无告警.检查隔离变进线柜及隔离变无异常.隔天5:20,#2机组选择#1LCI启动,52SS合闸成功,89MD合闸失败,启动失败,就地隔离变保护装置无告警;就地检查89MD控制电源未送,将其送上,再次发启动令,#2机启动成功.

2.2.2 原因分析

(1)检查NEP984动作历史,确有一次差动动作信号,查录波信息,差动启动时各侧电流及相角如表1所示.

表1差动启动时各侧电流及相角

(2)检查NEP984定值与定值单一致,主要定值如表2所示.

表2 NEP984定值

(3)检查隔离变进线柜二次回路正常,试验绕组直阻、绝缘、铁芯绝缘合格,初步判断:隔离变检修后空载投入,电压从零忽然升至运行电压,由于励磁涌流的影响造成保护误动.

(4)针对此次误动,在此仅对二次谐波制动原理进行分析.变压器差动保护需躲过差动回路中的不平衡电流,通常差动回路中的不平衡电流主要由以下几种:计算变比与实际变比不一致、互感器传变误差、励磁涌流.根据三相变压器励磁涌流的特点,我国通常采用二次谐波制动的方法来防止励磁涌流引起差动误动, NEP984保护装置也采用此法.

二次谐波制动的差动保护:励磁涌流中含有大量的二次谐波分量,若检测到二次谐波含量大于整定值时就将差动继电器闭锁.其动作依据为:I2>K2I1,I1、I2分别为差动电流中的基波分量和二次谐波分量的幅值. K2称为二次谐波制动比,按躲过各种励磁涌流下最小的二次谐波含量整定,通常K2=0.15~0.20.

对于该电厂LCI隔离变压器,南自NEP984保护装置采用按相制动的方案,若某相差动电流中二次谐波分量大于制动比K2,则闭锁该相差动保护,各相是相互独立的.保护装置中对K2的整定范围建议值为0.1~0.25,该厂实际整定值为0.15.

(5)通过故障录波信息分析,此次事件为C相差动动作,原因为励磁涌流的影响.对数据用傅里叶算法进行分析后发现,本次事件差动启动时,高压侧A相二次谐波幅值为2.0 A(实际大于2.0 A,取2.0 A,暂时未取得数据),B相二次谐波幅值为2.66 A,C相二次谐波幅值为1.2 A.计算二次谐波含量,根据差动保护机理,A、B相二次谐波含量分别为23.5%、52.66%,大于整定值15%,闭锁;C相二次谐波含量为11.06%,小于整定值15%,不闭锁,且此时穿越电流达到10.85 A.由于各相独立,故总出口为差动动作,跳变压器高压侧开关.

C相比率差动动作计算如下:比率制动系数K=0.6,启动电流Icd=0.5Ie=1.335 A,拐点电流Ig=0.7Ie= 1.869 A,制动电流Iz为最大穿越电流(装置内部考虑变比、电压等级、接线方式等因素可能进行转变)10.85 A.则动作值为Icd+(Iz-Ig)X K=1.335+(10.85-1.869)X0.6=6.723 6 A.C相差动电流达10.56 A远大于动作值,故比率差动动作.

此次事件的原因为:由于变压器空载合闸,励磁涌流严重,造成C相二次谐波含量小于整定值,未闭锁保护,且此时穿越电流已超过动作值,故进行保护动作.

2.2.3 处理方式

方案一:降低二次谐波制动系数整定值,但降低整定值会影响变压器内部故障时差动保护的速动性,原因为差动动作需等待保护闭锁解除,即等待二次谐波衰减,而二次谐波衰减速度很慢[6].

方案二:采用三相制动方案,即只要有一相二次谐波含量超过整定值,就闭锁三相保护.该方案与方案一有同样的缺点,影响速动性.同时当空载合闸前变压器已经存在故障,合闸后故障相位为故障电流,非故障相位为励磁涌流,此时差动保护很可能被闭锁[7].

2.3 冷却系统故障

1.2方法 对照组使用常规护理[2]。研究组使用分层次护理管理:(1)对护理人员的背景、能力进行了解,分层级进行划分,进行护理管理[3]。(2)根据护理人员级别来制定护理方案,不同护理能力制定的培训护理方案不同。(3)采取奖惩方式,将绩效和奖励联系在一起,鼓励护理人员,激发他们的工作激情[4]。(4)对排班模式进行改革,让护理人员有足够休息时间。(5)实行“一带一”的模式,促进全体护士进步,经验丰富的护士带新入职护士,可以减少新护士的差错率。(6)对护士的精神需求给予重视,对疲惫状态给予缓解。开展一些娱乐活动来减轻护理人员压力。此外,举办交流会,相互交流心得,增进感情[10]。

2.3.1 某事件说明

该电厂自运行以来出现了多起由于LCI冷却系统故障,而造成了LCI无法启动的事故.

2.3.2 原因分析

(1)静态启动装置的电导率与闭冷水水温有着直接的关系,闭冷水水温升高LCI的水质电阻率会降低.因水温升高,水中的离子热运动加快,在电场作用下,离子的定向运行加快,使水中的电阻率降低.当电阻率低于1.0MΩ.m时,静态启动装置闭锁机组无法启动.

(2)水中的杂质和悬浮物,使离子交换器堵塞,去离子器渐渐失去交换功能.长期没有更换或清洗,也会导致电阻率的下降.

2.3.3 处理方式

(1)保证公用闭冷水系统的供应,不可中断,必须保证开式循环水的温度以及热交换器正常运行,特别是在夜班机组停运的情况下,加强监视闭冷水温度,必要时启动开式泵,冷却闭冷水温度.

(2)加强就地巡检,每班两次抄录电阻率,如遇电阻率偏低持续现象,及时更换冷却液.

(3)使用冷却水系统再冲洗方案,对去离子器进行清洗,通过三个阶段的清洗:1)加洗涤液冲洗阶段, 1~3天;2)开式循环冲洗阶段,1天左右;3)用超纯水闭式循环阶段,一周左右.清除附着在去离子器树脂上的杂质和悬浮物.

3 结语

对于大部分作为调峰甚至两班制的燃气轮机机组来说,作为启动装置的LCI其性能的可靠性和安全性是燃气轮机机组发电、调峰的不容忽视的先决条件[8].LS2100型LCI的启动特性容易导致一些问题的出现,通过分析并解决这些问题,使LCI的启动得到了可靠的保障,使9FA燃气轮机作为调峰机组在迎峰度夏这样的非常时刻充分的发挥了作用.

参考文献:

[1]刘明行,赵玉,项立铮.燃气轮机发电机组静止变频启动装置研究[J].能源研究与信息,2006,22(2):98-102.

[2]刘惠明.大型燃气轮机发电机组静态变频起动装置及其运行维护[J].燃气轮机发电技术,2000,2(3-4):198-202.

[3]袁绍涛,叶盛.GE发电机LCI静态启动系统[J].防爆电机,2007,42(1):26-28.

[4]胡宇明.燃机电厂电气控制系统的研究[D].杭州:浙江大学,2007.

[5]王晶晶,郭鑫,侯小龙,等.燃气轮发电机静态变频启动若干问题分析[J].中国电力,2008,4(11):47-50.

[6]黄力,王身丽.MATLAB在电力变压器纵差动保护原理教学中的应用[J].中国电力教育,2011(36):198-199.

[7]黄红艳.燃气--蒸汽联合循环电厂控制系统的研究与应用[D].杭州:浙江大学,2008.

[8]马晓静.燃机电厂电气设计特点[J].电力建设,2006,27(5):41-44.

On the fault analysis and hand ling of GE 9FA gas turbine static frequency converter device

MA Gui-fang,LIU Sheng-jian
(Physical and Mechanical and Electrical Engineering College,Longyan University, Longyan 364012,Fujian,China)

Static frequency converter is an important component of 9FA gas turbine,starting characteristics of the LS2100 inverter using GE in 9FA is introduced in this paper.A case study of the failure of the power plant due to static frequency-converted device group shows the dealing of its errors during operation of LCI.

gas turbine;LS2100;static frequency converter;fault handling

TM311

:A

:1007-5348(2014)06-0041-06

(责任编辑:李婉)

2014-03-14

马桂芳(1984-),女,福建龙岩人,龙岩学院物理与机电工程学院讲师,硕士,主要研究从事电机控制与电气控制方面的研究.