关于某燃气电厂燃机启动电机增加变频器浅析

关于某燃气电厂燃机启动电机增加变频器浅析

罗晓芳

广州协鑫蓝天燃气热电有限公司，广东 广州

摘 要：某燃气电厂有两套机组，每套机组配置一台额定功率1000kW的燃机启动电机。应调度要求燃机增加黑启动功能，该电厂采用储能系统配合柴油发电机作为黑启动电源，因燃机启动电机功率较大，为降低储能系统的容量消耗，燃机启动电机采用一拖二变频器，确保某电厂黑启动项目顺利完成。

关键词：黑启动；燃机启动电机；变频器；

0 前言

某燃气电厂装机容量为2*196MW燃气-蒸汽联合循环机组，燃气轮机容量136MW，汽轮机容量60MW；厂用电系统采用6.3kV和0.4kV两级电压，高厂变电源引自燃机出口；起动/备用变压器（#8主变）电源引自220kV 系统，主要作为机组起动电源的同时，兼作厂内备用电源；目前每套机组配置一台功率520kW柴油发电机作为380V保安段应急备用电源，可保障燃机、汽机安全停机以及停机后的盘车；燃机在启动过程中最大负荷为2069kW，两台柴油发电机无法满足燃机启动时负荷要求，只具备保障机组的安全停机能力，不具备黑启动能力。

应调度要求，某电厂开展机组增加黑启动能力的可靠性研究工作，经研究决定采用输出功率为2.5MW、容量为2.82MWh的储能系统，配合厂内两台520kW柴油发电机，作为两台燃机的黑启动电源和厂内保安段应急电源，燃机启动过程大约需要30分钟，启动一次需要675kWh容量，黑启动电源可以满足机组黑启动4～5次。

图1 一次系统图

1 负荷分析

燃机启动电机型号YCK450-2，额定功率1000kW，额定电流111A，#1燃机启动电机电源取自#1机组6kV工作段，#2燃机启动电机电源取自#2机组6kV工作段，启动电机均采用工频启动。由表1可知：启动电机功率占燃机启动负荷总功率比较高，因此启动电机从带电到脱扣阶段（启动电机在燃机额定转速的60%以下工作，超过额定转速的60%后退出工作）的负荷特性，需考虑以下方面内容：1）当启动电机作为启动装置时，其在启动阶段启动电流有 6～8倍额定电流，3S 内电机达到全转速。由于启动期间的冲击电流需要电源提供足够的容量，以维持压降不低于额定电压的80%，否则过低的电压将导致扭力不足而无法启动，并会导致电机过热，所以启动时电压降是重要考虑因素之一；2）在燃机点火成功暖机结束后的加速阶段，燃机运行在60%转速以下时，启动电机等开始运行，启动电机会达到峰值负荷1450kW，燃机60%以下转速运行时负荷设备的大功率为2069kW，大容量约为2500kVA。燃机运行在60%转速以上时，启动电机退出运行，给水泵等开始运行，负荷设备的实际运行功率共计 1117kW。为了避免启动电流原因导致储能系统容量增加带来的成本增加，启动电机采用变频器启动方式。

表1 柴油发电机和储能系统同时供电阶段

2 变频器选型和实施

燃机启动电机空载运行电流20A、有功功率25kW、无功功率205kW、容量206kVA。考虑燃机启动电机只在燃机启动过程中短时间运行，为节约成本，经过多方研究分析，最后确定采用希望森兰科技股份有限公司生产的型号为VFPS-060-630、输入输出电压为6kV、输入频率50Hz、输出频率0～60Hz、输出容量为630kVA、额定输出电流为62A、由18个功率模块组成的一拖二变频器，变频器配置过流保护、过压保护、欠压保护、缺相保护、过热保护、过载保护、检测设备故障异常等功能。在黑启动过程中，变频器采用软启动功能使燃机启动电机启动至空载满速后自动切至工频运行后再加载，这样可将燃机启动电机启动电流控制在1～3倍额定电流范围内，使黑启动电源躲过燃机启动电机启动电流带来的冲击。选用输出容量630kVA的变频器（3倍燃机启动电机空载运行容量），只负责燃机启动电机启动过程，不参与电机的加载过程；燃机启动电机在加载过程中，黑启动电源可为启动电机加载提供足够容量，这样减少了选用变频器的造价。燃机启动电机变频器只在燃机黑启动过程中投入使用；燃机正常启动时，启动电机工频启动，变频器处于热备用状态。

如图2所示，变频器高压开关与变频器之间增加限流电阻R与接触器KM3，主要为了限制变频器高压开关合闸瞬间移相变压器产生的励磁涌流，待变频器完成充电后合上接触器KM3，负荷经接触器KM3控制。因燃机启动电机变频器为#1、2燃机启动电机共用，因此变频器高压电源取自公用6kV 0段。变频器在变切工前只检测变频器输入和输出电压同频、同相、同幅值后再进行切换，不检测变频器输出电压与工频电压是否同期，因此公用6kV 0段和将运行的启动电机的工频电源段需并列运行，防止在变切工过程中出现变频器输出与启动电机工频电源不同期并列。

变频器接触器和刀闸互锁及要求：1）刀闸QS1与接触器KM1、刀闸QS2与接触器KM2相互联锁，即隔离开关合上后，与隔离开关对应的真空接触器才能合闸，真空接触器合上后，与真空接触器对应的隔离开关不能分开；2）接触器KM1、KM2之间相互互锁，只要其中一个接触器合闸，另一个接触器不能合闸。

投切操作过程：1）手动合刀闸QS1或QS2，变频器高压6010开关、工频6104开关或6209开关在热备用状态；2）燃机操作台发启动指令（以#1燃机为例），变频器自动合上接触器KM1和高压6010开关，变频器充电完成后自动合上接触器KM3,上电自检完成后，变频器开始带电机升速运行；3）变频器频率运行到50Hz，变频器调整输出电压，检测与变频器输入电压同频、同相、同幅值后，变频器自动合上6104开关，变频器检测6104开关合闸后，变频器自动分高压6010开关和接触器KM1，封锁输出；4）变频器变切工完成后，燃机操作台启动指令返回。变频器要求启动指令为电平信号，变频器自收到燃机后台发出启动指令至投切完成需要100s左右，因此设置燃机后台启动指令时间110s，保证变频器变切工完成后再进行加载，防止变频器变切工前就进行加载而造成变频器过载跳闸。

通过试验，燃机启动电机通过变频器启动，启动至空载满速过程中，变频器输入最大电流5A、输出最大电流130A，能使黑启动电源有效躲过工频启动电流过大带来的冲击。

图2 燃机启动电机一拖二变频器原理图

3 结语

燃机启动电机增加变频器，并选用变频器软启动功能，不仅减少了选用变频器的造价，还可以选用较小容量的储能系统就能满足燃气轮机黑启动项目。不仅降低了造价成本，同时降低了黑启动电源容量消耗，为某电厂黑启动试验顺利完成提供保障。

参考文献：

[1]梁青，刘世鑫，周亮.9E燃气轮机黑启动方案及实战.燃气轮机技术.2018年3月