汽电双驱引风机电机故障条件下背压机控制方式的研究

国家能源集团宿迁发电有限公司 马士松 娄 杉

汽电双驱引风机近年来逐步应用于大型火电厂，相比传统背压机直接驱动的引风机，汽电双驱引风机的小汽轮机运行时可保持调门全开、效率高，经济性显著，且背压机和电动机均可单独作为引风机的驱动设备，较大提高了汽电双驱引风机的驱动设备选择灵活性，在考虑常规运行模式以外，还需要考虑引风机电机故障时，背压机直接驱动轴系的特殊运行方式。

1 汽电双驱引风机运行模式简介

某火电厂在国内首次采用了汽电双驱高效灵活供热技术，设置有背压式汽轮机、齿轮箱及离合器、异步电动发电机和引风机，轴系布置为引风机汽轮机—定速比齿轮箱（带离合器）—异步电动/发电机—引风机。

正常运行时，引风机背压机的进汽调门如未全开、电动机和汽轮机同时驱动时，系统处于汽电混驱模式；引风机背压机的进汽调门全开、汽轮机输出动力富余时，则电动机自动变为发电状态，供厂用电运行，系统处于汽驱发电模式。

除了正常运行方式，汽电双驱引风机还可以采用背压机单独驱动（汽动驱动模式）、电动机单独驱动（电动驱动模式）方式。

汽电双驱引风机的背压机和电动机均可单独作为引风机的驱动设备，通过理论和实践已经证明，引风机背压机跳闸时，电机能够迅速从发电机状态转为电动机状态，系统转为电动驱动模式，引风机背压机降速后离合器自动脱开。此过程中，异步电机的转速变化范围在747～753r/min，这对炉膛负压调整、厂用电系统、机组负荷影响都微乎其微，工况自动切换稳定，完全无扰切换[1]。

对于正常运行中，引风机电机跳闸，但如仍可以作为传动轴使用时，就需要考虑汽引小机不跳闸、通过迅速关闭引风机背压机调门的方式控制轴系转速，在转速下降到某一定值后再逐步开出调门、实现转速自动控制。即背压机需要控制好转速、直接驱动引风机、保证引风机最大限度地投运，而不触发RB快速减负荷。这需要综合考虑对引风机背压机转速、锅炉炉膛负压、6kV厂用系统和供热系统的影响，特别是小轮机与引风机功率不平衡的问题。

2 引风机电机故障时背压机直接驱动轴系的可行性分析

为分析引风机电机故障对轴系转速的影响，首先应判断电机是否具备作为传动轴的功能。其次要计算出甩掉发电功率后引风机背压机转速的超调量，如果该数值超过引风机背压机超速保护定值，则不能考虑引风机电机跳闸后由背压机维持额定转速的可行性，而是需要将保护逻辑设置为引风机电机跳闸后即联跳背压机；如果该数值低于引风机背压机超速保护定值且有一定余量，则可以考虑通过构建类似于“主机OPC超速保护”的逻辑，在引风机电机跳闸后，即迅速关闭背压机调门，当背压机转速下降至一定值时，再将背压机的“阀位控制模式”退出，重新投入调门的转速控制模式。下文从电机保护设置、背压机超速计算、转速自动控制等几方面进行研究。

3 引风机电机的电气保护设置分析

当引风机电机故障、开关跳闸后，如背压机直接驱动引风机，电机必须作为传动轴使用，必须对电机保护进行区分，分析哪些情况下的电机保护可以不联锁将背压机跳闸。

引风机电机是异步电机，在电动机模式或是发电机模式下，均从系统吸收无功、有功电流的输入与输出均是通过同一段动力电缆及开关来实现，因此通用的引风机电机保护就可实现对电动机模式和发电机模式的双重保护（WDZ-5231、WDZ-5232）。

引风机电机功率：6800kW、额定电流778A；一次/二次侧CT变比为1250/1；二次侧额定电流0.62A；零序一次/二次侧CT变比为100/1；起动电流倍数为6倍，起动时间28s。引风机电机输入/输出电流测量CT无方向性、输入/输出功率测量带有方向性。

表1 汽电双驱引风机电机差动保护定值单

3.1 差动保护

为了提高保护动作的可靠性和选择性，在设计之初，电动机模式和发电机模式下均以光纤差动保护作为主保护，光纤差动保护范围均为开关柜至电机的电缆及电机内部绕组，其是电机内部短路故障的主保护，如果该保护动作，可能发生电机内部短路、电缆短路，或保护装置出现了问题。电缆短路故障触发差动保护动作、电机开关分闸后，电机定子绕组上仍然有剩余磁场，如果继续旋转，仍会产生感应电势，通过故障点继续放电，有可能导致事故扩大或人身伤害。同理，如电机内部短路、而电机继续旋转，则会使电机内部故障进一步发展，有烧毁电机、导致设备或人身伤害的可能。

因而，差动保护动作时，轴系必须立即停止。

表2 汽电双驱引风机电机综合保护定值单

3.2 其他开关综保保护

6kV开关综保中还设置了速断、负序、零序、堵转、正序过流、过负荷等后备保护。根据保护设置，速断保护的高定值段可以避开电动机的启动电流，当电机启动后切换为低值保护，其保护二次电流定值为3.84A，是额定电流的6.19倍。速断保护动作时主要反映了系统电压异常、电机不对称短路以及单相或两相接地短路等故障。

当厂用母线系统发生不对称短路时，引风机电机的负序动作，该情况下，只要能迅速将引风机电机开关分闸，即可切除外部故障，而不会对系统、引风机电机等电气设备造成进一步损害。当厂用母线系统或电机接线电缆上发生接地等故障时，零序保护动作，因此要尽快停止轴系转动。

堵转保护二次电流定值为2.72A，是额定电流的4.39倍，延时11.2s，按照定时限动作设置，保护动作电流略小于启动电流。正序过流保护二次电流定值为0.93A，是额定电流的1.5倍，延时19.6s，主要针对电机长时间过负荷或启动时电机启动电流不及时返回造成电机过热损坏。过负荷保护二次电流定值为0.75A，是额定电流的1.21倍，延时33.6s，也是按照定时限动作设置。以上三种保护主要针对电机过载的异常情况，在及时切断输入/输出电流后，即可切除故障。

3.3 电机非电量保护

此外，在DCS中还设置了电机轴承温度高、电机轴承振动大等非电量保护，发生这类保护触发时，说明电机轴承甚至电机内部已损坏，不能继续旋转运行。

3.4 结论

当引风机电机因差动保护、速断保护、负序过流保护、零序过流保护、电机轴承温度高、电机轴承振动大等电机或电缆的永久性故障发生时，电机轴系不能继续旋转，必须尽快停转，需要立即联锁将引风机背压机跳闸。

而当引风机电机堵转保护、正序过流保护、过负荷保护动作时，电机轴系仍可以作为传动轴使用。需要进一步分析引风机电机开关分闸后，引风机背压机转速是否会迅速上升至超速保护动作值。

4 引风机电机故障对轴系转速的影响分析

引风机背压机控制系统硬件主要包括电液控制系统（IMEH）及紧急跳闸系统（IMETS），由引风机背压机供货商配供，采用与机组DCS一致的硬件设备并实现与机组DCS一体化。引风机背压机本体监视仪表（IMTSI）也采用常规配置，主要包括转速、键相、轴向位移、轴承振动的监视。该硬件配置在常规汽动引风机方案中已有较多应用实例，方案成熟可靠。

引风机背压机转速远超一般工业汽轮机，超速后果更加严重，必须严防超速。引风机背压机的超速保护采用电超速加机械飞锤，引风机背压机布置了两套TSI电超速保护，动作值为8143r/min；并安装有一个机械飞锤，动作值8221±92r/min。

甩掉电机的发电功率后，电机发电功率降低至0，瞬时的引风机背压机功率高于引风机耗能，引风机背压机转速必然升高，而转速升高的极限值主要取决于以下几个因素：背压机轴系的转动惯量包括背压机转子、减速箱小轴、电机轴、引风机轴；背压机主汽门/调门的延迟关闭时间；主汽门/调门后的蒸汽管道及背压机汽缸腔室容积。将ASME规范中的计算方法结合汽电双驱引风机的实际情况，可得如下计算公式[2]。

在背压机主汽门/调门的延迟时间Ta内进入背压机的蒸汽能量Ea：

Ea=（N0-NM-0.2NE）Ta

式中：Ea—背压机主汽门/调门的延迟时间Ta内进入背压机的蒸汽能量，MW；Ta—背压机主汽门及调门关闭延迟时间相比较的最小值，s；N0—甩负荷时背压机内功率，MW；NM—机械损失，含背压机、减速箱、电机及引风机的机械损失，MW；NE—电机损失。

在汽门关闭时间期间进入背压机的蒸汽能量Eb：

Eb=0.85（N0-NM-0.2NE）Tb

式中：Eb—在汽门关闭时间期间进入背压机的蒸汽能量，MW；Tb—汽门关闭时间，s。

进入背压机的蒸汽在各级叶栅中的膨胀做功Ec：

Ec=（Ein-Eout-Ez）ηT

式中：Ec—进入背压机的蒸汽在各级叶栅中的膨胀做功，MW；Ein—进入背压机蒸汽的初始内能，MW；Eout—蒸汽在背压机中膨胀的终了内能，MW ；ηT—背压机的绝对内效率。

转子转动惯性能量Ed：

式中：

Ed—全轴系转动惯性能量，MW；

I背压机、I减速箱高速轴—背压机及减速箱高速轴的轴系转动惯量，kg·m2；

I电机、I减速箱低速轴、I引风机—电机、减速箱低速轴及引风机的转动惯量，kg·m2；

W高速轴—甩负荷时背压机及高速轴的初始频率；

W低速轴—甩负荷时电机、引风机及低速轴的初始频率。

一般汽轮发电机甩负荷时，发电机出口开关跳闸，汽轮机甩掉全轴系全部负荷，转子最高转速nmax：

对于汽电双驱引风机而言，由于引风机还在运行消耗轴系功率，并非甩掉全部负载，因此需要减去引风机轴功率，可得引风机电机跳闸时，转子最高转速nmax的计算公式：

式中 ：Ef—引风机轴功率，MW；n0—初始转速，r/min。

由上述计算公式可知，引风机背压机转速飞升极限的各个影响因素中，背压机腔室内部积存的蒸汽继续膨胀做功量和全轴系转动惯量两个数值影响最大。因此，在机组负荷为额定、背压机带最高出力时，甩掉发电功率后引风机背压机转速上升最多。

表3 引风机背压机实际运行中的性能数据

带入参数可得：

在主汽门/调门的延迟时间Ta内进入背压机的蒸汽能量Ea：

Ea=（N0-NM-0.2NE）Ta=（7.525-0.172-0.2×0.131）×0.02=0.1465MW

引风机背压机主汽门关闭情况下重新挂闸、建立一次/二次油压，时间＞60s。因而虽然背压机主汽门关闭时间较调门关闭时间小，但为了实现“OPC”功能，至多只能考虑调门全部关闭，不能关闭主汽门。因而在调门关闭时间期间进入背压机的蒸汽能量Eb：

Eb=0.85（N0-NM-0.2NE）Tb=0.85×（7.525-0.172-0.2×0.131）×0.804=5.007MW

进入背压机的蒸汽在各级叶栅中的膨胀做功Ec：

Ec=（Ein-Eout-Ez）ηT=（3412.78-3010.95）×34.263×0.8559/3600=3.2733MW

转子转动惯性能量Ed。

表4 汽电双驱引风机轴系转动惯性能表

根据转速飞升计算公式，可计算出转子最高转速nmax=1.4789n0，当甩掉发电功率后引风机背压机转速将达到11402r/min，远远超出引风机背压机超速保护定值8143r/min。

由于引风机背压机额定运行转速达到7710r/min，距离超速保护动作值的余量只有5.6%；且引风机背压机调门关闭速度接近1s，滞后性过强，极易导致汽轮机超速飞车事故。根据某电厂凝汽式汽电双驱引风机组的经验，类似情况下仅一秒不到，超速保护即动作，与上述理论计算情况接近，因而，无需实际进行该高风险试验，也无需考虑电动机跳闸但仍可作为传动轴使用的运行工况。

综上，汽电双驱引风机是否能够实现电机跳闸后背压机直接驱动轴系，首先要考虑背压机电机的开关保护中的各类型保护设置，再计算极端工况下引风机背压机转速飞升量，对比转速保护裕量做出最终判断。

对于常规设计了双列引风机的机组而言，一台引风机跳闸后仅仅触发RB保护动作、负荷减至50%，并不会造成太大的影响。如确实需要设置，引风机背压机的调门关闭时间必须尽可能小，以尽可能降低背压机调门关闭时间期间进入背压机的蒸汽能量Eb。另外，引风机背压机转子材质应提高设计等级，保证转子的超速保护裕量尽可能大。