燃机电厂静止变频器启动及起励失败分析与对策

张宇

摘 要：京能集团北京京西燃气热电有限公司装有三套西门子F级燃机，随着电网的深度调峰，燃机日启停频繁，出现了燃机启动失败的情况。故障主要为SFC启动失败及发电机无法励磁。为保证燃机平稳、快速、可靠、频繁启动，本文分析了燃机启动期间SFC启动及起励时出现的故障，并提出排查方法和对策。

关键词：燃机;启动;SFC;起励

中图分类号：TM921.51;TM62 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）03-0045-03

Analysis and Countermeasures of Startup and Excitation Failure

of Static Frequency Converter in Gas Turbine Power Plant

ZHANG Yu

（Beijing Jingxi Gas-fired Thermal Power Co.， Ltd.， Powerbeijing Group，Beijing 100041）

Abstract： Beijing Jingxi Gas-fired Thermal Power Co.， Ltd. of Powerbeijing Group is equipped with three Siemens F-class gas turbines， with the in-depth peak regulation of the power grid， gas turbines start and stop frequently every day， and gas turbines fail to start. The main faults are SFC start failure and generator failure to excite. In order to ensure the stable， fast， reliable， and frequent startup of the gas turbine， this paper analyzed the failures that occur during the startup of the gas turbine during SFC startup and excitation， and proposed troubleshooting methods and countermeasures.

Keywords： gas turbine;startup;SFC;excitation

京能集團北京京西燃气热电有限公司燃气轮机为西门子重型单缸SGT5-4000F（+）型，共有三套机组，全厂配置了法国CONVERTEAM公司静止变频器，共2套（一用一备），供3台燃机启动使用。静止变频器（以下简称SFC）是一个转速可调的交流驱动系统，每台装置的输入电源各取自6 kV一、三段母线，变频启动装置可交叉使用。燃气轮机（包括压气机、燃烧室、透平）与发电机连在同一根轴上，用于驱动发电机在基本工况和尖峰工况下运行，燃气轮机启停快，便于电网调峰，燃气轮机一般与汽轮机构成燃气-蒸汽联合循环机组[1]。

1 燃气轮机启动简介

本公司的燃气轮机为西门子重型单缸SGT5-4000F（+）型，整个机组的启动和调速的实现由启动装置完成，低速盘车时用液压盘车，启动时采用SFC装置。一般来讲，燃机在长时间停机启机前要进行离线水洗及清吹，转速为300～750 r/min。燃机日启停时，由盘车进入SFC拖动状态，燃机频率在3 Hz时实行点火程序，当其与SFC—起工作至转速2 100 r/min时，SFC程序自动退出运行，SFC的控制策略如表1所示。表1控制策略中的转速会因机组不同略有差异，仅供参考。

控制系统调速器对燃气轮机的转速进行调节，在规定时间内使转速稳定升到额定同期并网转速3 000 r/min。机组运行平稳准备并网时，起励电源装置投入，发电机转子形成磁场，定子线圈实现电压输出。然后，同期控制器投入运行，当发电机输出负荷满足限定条件时，电压、频率、相位达到同期条件中的具体数据值，然后进行机组并网。燃机变频启动及励磁系统如图1所示。

燃机为程序控制启动，SFC对系统中的设备可靠性要求较高，SFC运行中会一直检测设备状态及开关位置，监控燃机转速、励磁电流、整流、逆变模块的电压和电流输出。当遇到偏离预设参数范围及不满足程序控制条件时，SFC就会立即中止启动，开关自动跳闸，所以燃机启动前要对相关设备、开关、刀闸位置进行检查，停机时加强设备维护，提高设备的安全性和可靠性，保证燃机正常启动。

2 SFC启动及起励原理

本公司使用的SFC系统为电流源型交直交变频调速装置，其主要构成部分有隔离变压器、过电压保护装置、整流桥、断路器、逆变桥、隔离开关和辅助控制设备。其中，隔离变压器使SFC输入电压及输出电压与发电机端电压相匹配，整流桥将交流电整流成直流电，整流桥的直流平波电抗器用于整流输出的平波和去耦，以降低直流电流脉动，使直流电具有电流源特性。然后，逆变器将直流电逆变为频率可调节的交流电。

SFC系统是一套将恒定电压和恒定频率的三相交流电源变成可变电压和可变频率的交流电源。SFC利用可控硅变频装置产生从零到额定频率的变频电源，实质上是设法改变定子旋转磁场的转速，使定子、转子之间产生的电磁转矩能同步地将发电机与燃机拖动起来。当机组的发电机作为电动机拖动时，SFC变频启动，并且启动频率很低，逐渐升高频率向定子绕组输入三相交流电，产生可调旋转磁场，同时通过励磁盘向转子绕组通入励磁电流建立磁场，定子的可调旋转磁场与转子的磁极产生电磁转矩，使转子产生加速转矩，燃机发电机逐渐升速，直到自持转速后，SFC脱开减力矩到零[2]。

本公司发电机采用的是自并励方式励磁，自并励静止励磁系统是指发电机的励磁电源是通过励磁变压器和整流装置从发电机机端取得的。励磁控制系统主要构成有发电机灭磁装置、励磁变压器、功率整流装置、过电压保护装置、励磁调节装置、起励设备以及励磁操作设备等部分。发电机自动励磁调节是通过改变转子励磁电流大小进行的。因为转子回路通过的励磁电流很大（燃机励磁电流1 500 A左右），所以励磁电流调节一般不在其转子回路中进行，发电机转子回路没有调节励磁电流装置。通常采用的方法是用励磁控制系统改变励磁电流，主要方法有：改变励磁控制系统励磁回路的电阻;改变励磁控制系统的附加励磁电流;改变励磁控制系统可控硅的导通角等。其中，起励单元包括起励电源、起励接触器、起励二极管和限流电阻。当发电机准备并网起励时，要合入交流380 V起励电源，将其整流为直流电，然后为发电机转子提供励磁电流，用以建立初步的旋转磁场，10 s左右后程序自动断开起励电源，如果此时发电机机端电压达到或超过10%额定电压时，励磁控制系统中的励磁调节装置向可控硅开放触发脉冲，将励磁变压器来的交流电在整流桥中转换为直流，为发电机转子绕组提供励磁电流。随着励磁电流的增加，发电机逐步升压至额定值。

3 SFC启动失败情况描述及对策

SFC程序启动时，进入吹扫步骤后，启动失败，导致燃机转速无法进入升速过程，转速下降至盘车转速。在查找报警后，判断其为“断路器合闸超时”及“风机启动超时”等故障，通过报警信息分析，查找到可能出现问题的设备并进行电阻测量，结果发现，功率柜控制模块上的卡件在上电时发生内部击穿，控制模块中的一部分卡件通道损坏。在更换受损控制模块卡件后，SFC程序启动正常。在工作中，要保持设备间干燥通风，定期对控制柜中的模块进行绝缘测量，提高控制模块的绝缘性[3]。

SFC程序启动时，DCS（分散控制系统）画面显示，中压断路器、电动切换刀闸和出口电动隔离开关均已合闸，燃机发电机转速升速至750 r/min后跳闸，转速下降至盘车转速。SFC系统没有发出任何报警和故障信号，并且DCS画面显示中压断路器开关状态最先由合转分，不符合程序分合闸逻辑。通过对中压断路器开关停电并测绝缘性能，中压断路器绝缘值正常，送电后开关状态正常，但在停电过程中，小车开关行程未摇满20圈（正常为20圈），判断小车开关未严格送到位而导致上电后保护跳闸触发。重新顺控启动SFC后，结果正常。在停送电过程中，严格执行两票制度，送电时要将小车严格送到位。

在燃机水洗后进行清吹，清吹结束后，SFC模式选择仍处于“清吹”模式，未切换至“NO SEL”模式，因模式不对应，投入SFC及燃机启动顺控后，SFC未接收到直启指令，步序未执行。所以，在当前控制逻辑未优化前，在清吹结束停运SFC后，手动将功能SFC模式选择块置于“NO SEL”模式。运行人员在机组启动前再次确认模式选择块处于“NO SEL”模式。

在启动SFC时，将SFC模式选择块切至“DIR STR”模式后，再次投入SFC及启动顺控，6 kV开关未合入，SFC跳闸，报警为“电源断路器1故障”“缺少顺序控制使能”。根据对顺控逻辑的分析，在保证SFC和励磁系统均无报警的情况下，SFC先收到被TCS选择的指令。之后发出MBM1（IKG01）开关合闸指令和MBM01开关合闸指令，配合着燃机准备就绪的信号，SFC准备就绪指令发出。然后，TCS发出具体模式选择的指令（轻吹、水洗、直启）。在模式选择指令下达前，SFC被选择指令必须先下达且SFC接收到，才能正常拖动，若顺序颠倒，则会报出F49902缺少顺序控制功能的故障报文。所以，SFC未启动原因为先选择“DIR STR”模式，再选择SFC，影响SFC顺控逻辑判断。

启动SFC失败后，将各报警复位，再次投入SFC及直启顺控，SFC因为超时自动退出。在查找顺控逻辑框图后，经过数据对比发现，再次投入SFC及直启顺控，因投入时盘车未达到SFC拖动最低转速，造成SFC超时自动退出。复位后，再次启动正常。运行人员在操作时应注意，在SFC启动发生异常后，经复位完成，重新检查机组启动条件，待READY FOR START中条件都满足后再投入SFC及启动顺控。

4 起励启动失败原因及对策

燃气轮机定速3 000 r/min后，并网前转子需要建立初步磁场，这就需要起励设备。起励设备有时会起励失败，而导致起励失败的因素有很多，主要包含励磁系统本体故障、发电机电气一次设备损坏以及运行人员自身的误操作等。下面介绍了几种燃机发电机起励失败的原因，然后进行故障分析，找到起励失败的对策。

就地检查励磁系统有无异常，有无报警信息，有报警信息时是否已复位，励磁开关分合闸位置是否正确，是否合入起励电源。在DCS画面中，要查看燃机发电机的转速是否在3 000 r/min，进而排查运行人员是否有误操作。

就地检查励磁碳刷是否完整及引线接触是否良好，检查发电机的高压、短路、空载试验数据是否真实、合格，启动前有无测量发电机转子、定子绝缘数值，测量数据是否合格，进而排查其是否由发电机电气一次设备故障引起[4]。

检查励磁系统有无故障。检查起励回路接线是否紧固，接触器吸合是否正常，起励二极管、励磁调节器是否损坏，启动及工作交流灭磁开关状态是否正确，还可以进一步对励磁系统做假负载试验，计算起励回路电阻是否与设计值一致，作为励磁系统是否正常的依据。

调节器沒有发出“起励失败”的信号，但发电机仍然无法自动起励，那么可以在励磁盘附近起励或者远方人工起励。如果燃机发电机转子励磁绕组已有励磁电流输入，燃机发电机定子仍无法建立电压，则应考虑适当调节起励限流电阻，增加发电机起励电流并进行试验[5]。

励磁系统没有问题仍不能起励时，应该检查燃机发电机转子铁芯中的剩磁方向是否与起励时励磁电流建立的磁场方向相反而进行了反向充磁，造成铁芯剩磁减少甚至反向[6]。

5 结语

在电网深度调峰的要求下，燃机的日启停稳定性及安全性变得极为重要。这就对电厂静止变频器启动及起励提出较高的可靠性要求。对于燃气轮机运行状况及SFC系统运行特性，人们还需要进一步深入了解，这是一个长时间的积累探索过程。随着燃气电厂数量的增加，本文所述的问题及处理方法可以供其他燃气电厂借鉴交流，积累经验，以便及时解决问题，保证燃气轮机的正常安全运行。

参考文献：

[1]上海电气集团，西门子（中国）有限公司.SGT5-4000F（+）燃气-蒸汽联合循环机组集控运行规程[Z].2018.

[2]张鑫.浅谈燃机SFC系统[J].动力与电气工程，2010（4）：113.

[3]郑飞，吕宏水，朱晓东.抽水蓄能电站静止变频器（SFC）起动关键问题[J].变频器世界，2007（2）：69-72.

[4]刘怀.机组起励不成功案例分析[J].中国科技纵横，2014（8）：173.

[5]武震宇.电机组可控硅励磁装置不能启励建压的原因及处理办法初探[J].中国电力教育，2008（2）：211-212.

[6]陈慧中.剩磁对发电机启励的影响及其应对措施[J].发电设备，2005（1）：62-64.