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1、燃机电厂电气设计特点东北电力设计院 马晓静【内容提要】 当今燃气蒸汽联合循环电厂的应用正在世界各地迅速发展。本文根据燃机电厂的特点，在对燃机电厂电气方面的特殊性进行探讨的基础上，提出电气设计的特点。燃机电厂的应用前景广阔，其电气设计原则的研究将为此类电厂的建设提供参考。【关键词】 燃机电厂；电气设计。1 前言燃机电厂为燃气轮机发电厂的简称，它是洁净发电技术的一种体现。燃机发电厂的燃料为天然气、燃料油或工业伴生气等，由于燃烧完全，其燃烧生成排放物对环境影响少，噪音污染小；又因燃机电厂具有装机快、体积小、投资省、效率高、运行成本低和寿命周期较长等优点，目前市场应用非常广泛。在国内，由于国家“西气东
2、输”工程的政策实施，引进液化天然气和管道气项目也在全面开展，因此我国的燃机电厂项目也进入了一个新的发展时期。燃机电厂的电气部分具有与燃煤机组不同的特征，本文将重点分析其中某些特征，探讨针对性的设计观点。另外，鉴于我国目前燃机机组多数承担调峰任务，所以本文讨论也针对具有调峰功能的联合循环燃机机组进行分析探讨。2 燃机电厂基本流程燃机电厂有简单循环和联合循环两种类型。简单循环的通流部分由进排气管道和燃气轮机的三大件即压气机、燃烧室、透平组成。压气机从大气吸入空气，并把它压缩到一定压力，然后进入燃烧室与喷入的燃料混合、燃烧，形成高温燃气，具有做功能力的高温燃气进入透平膨胀做功，推动透平转子带着压气机
3、一起旋转，带动发电机做功输出电能，从而把燃料中的化学能，部分地转变为机械功，燃气在透平中膨胀做功，而其压力和温度都逐渐下降，最后排向大气。为了实现高效率低能耗，燃气轮机又可组成联合循环。联合循环的基本流程是在上述简单循环的基础上进行的。将简单循环中燃气轮机的高温排气（9E为538，9F为609左右），经过烟道排入余热锅炉（HRSG），应用热交换器原理加热锅炉中的给水，产生高温高压的蒸汽，进入蒸汽轮机做功，并带动蒸汽轮发电机发电。在燃机的联合循环中，又有单轴布置和多轴布置之分：l 单轴布置：一台燃气轮机与一台容量匹配的汽轮机共同带动一台发电机，而且它们组装在一根主轴上的布置。l 多轴布置：每台燃
4、气轮机和每台汽轮机驱动各自发电机的汽轮机和燃气轮机的一种布置。这种布置允许一套以上的燃气轮机/余热锅炉装置与一台汽轮机相连接。燃机电厂中还有以下两个重要概念：l ISO条件：温度15，海拔零米，相对湿度60，1标准大气压，带基本负荷。l 2拖1、3拖1或4拖1：用于燃机联合循环中，用数字表示为2+2+1、3+3+1、4+4+1，第一个数字表示燃气轮机发电机组的数量，第2个数字表示余热锅炉的数量，第3个数字表示汽轮发电机组数量。3 燃机电厂电气部分的特殊性：本文将主要针对我国应用较广的GE公司的9E和9F系列的燃机进行分析。3.1 燃机发电机容量选择燃气轮机的一个显著特点是其性能随周围空气温度的
5、变化而改变。当机组所在地点不变时，大气压力的波动是很小的，而大气温度一年四季变化很大，可在五、六十度以上。当大气温度下降时，空气比容会减小，压缩过程所需消耗的压缩轴功率将随大气温度的下降而不断减小。由于燃气轮机出力的2/3供给压气机，因此压气机轴功率的减小相当于增大了燃气轮机传递给发电机的出力。对于制造厂生产的系列燃气轮机而言，其额定出力都是以ISO工况标称的。因此燃气轮机安装在不同的地点时，应根据安装地点的气象条件核定燃气轮机的额定出力。从图1可以看出周围环境是如何影响出力、热耗率、耗热量及排气流量的。每种机型都有自己的温度影响曲线。它受循环流质的参数和部件的效率以及空气的质量流质的限制。图
6、1 燃机性能受周围环境温度影响的曲线由图1可知，当环境空气温度为18时，燃机的出力可达ISO工况下额定出力的1.2倍；当温度为49时，燃机的出力又为ISO工况下额定出力的0.8倍。因此燃机的额定出力根据环境温度的不同在一个范围值内变化。鉴于发电机的额定出力是一个固定值，因此在选择燃机发电机的额定出力时，应使发电机的额定出力和燃气轮机的额定出力变化范围相互协调。使发电机的额定容量既不能限制燃气轮机的出力，又不能选得过大，造成浪费。燃气轮机发电机的出力有多种定义，例如在GB/T15135-1994中，发电机即有“额定容量、标准额定功率、最大连续功率、尖峰功率、极限出力”的相关术语，此处仅对其中经常
7、使用的“额定容量”和“最大连续功率”的选择加以分析。根据相关文献，燃气轮机发电机的额定容量的定义为：“在额定频率、额定电压、额定功率因数和额定氢压（如用氢冷）以及预定运行的年平均气温和初级冷却介质温度条件下，电机的温升和温度不超过规定值时，发电机出线端的有效连续视在功率”。简单循环的发电机的额定容量应与燃气轮机现场额定出力配合选择。这样的配合原则可以保证发电机的额定容量在全年的大部分时间之内与燃气轮机的额定出力范围相匹配。单轴配置的联合循环机组发电机还应计及同轴汽轮机相应的功率，多轴配置联合循环机组中汽轮发电机的容量应和汽轮机的容量相互协调。预定运行的年平均气温是指燃机安装地点的年平均气温。初
8、级冷却介质温度，对于开启式空冷发电机，是指进入发电机的空气温度，通常是周围环境空气温度。对密封循环冷却的发电机，初级冷却介质温度是指从冷却器进入发电机的氢气或空气的温度。发电机的最大连续容量是指在燃机安装地点处于一年中最低温度的时段内，发电机能够保证连续运行、高于额定值的出力。 发电机最大连续容量的选择原则是：发电机最大连续容量应与燃气轮机在预定运行的月最低平均气温和初级冷却介质温度条件下基本负荷运行方式相配合。这里需要强调的是使用预定运行的月最低平均气温，没有规定使用极端最低气温，这是考虑不宜为此把发电机容量选得过大，造成浪费。燃机电厂发电机组中的发电机，由于其特性要与燃气轮机协调，而各大燃
9、气轮机制造厂根据其制造技术、使用材料、气象条件等因素，燃气轮机的出力不可能形成一个标准的系列等级，如50、100、200、300MW等，故对于燃机电厂发电机组的容量应冠以“级”字更为合理。且随着不同的现场气象条件，制造厂提出的现场额定出力还会变化。在ISO和标准进气和排气损耗及以天然气为燃料的条件下，9E型燃气轮机简单循环的额定功率为126MW，联合循环的额定功率为180MW。9F型燃气轮机简单循环的额定功率为255.6MW，联合循环的额定功率为390.8MW。3.2 启动系统在燃机的构造中，压气机是燃机各部分中最重要的部件之一，同时它也是燃机中最耗能的大部件，燃机透平在正常运行中产生的功率有
10、2/3将消耗在压气机中，剩余的1/3才作为动力源输出到发电机。那么在启动过程中，燃机透平没有做功，必须要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。这套额外的启动装置随着燃气轮机的发展，机组容量的增加，启动装置的型式也有很大不同。 9E型机组通常采用一个额定功率为1000KW的启动马达来实现燃机的启动，可由相应机组的厂用工作高压段为其供电，启动马达位于燃气轮机本体上，通过高压电缆实现厂用高压电源与启动马达之间的连接。启动马达在燃机正常启动后停止运行。9F型机组通常采用变频启动系统方式，启动时发电机充当启动电动机，但常规的发
11、电机没有特别的结构来实现同步发电机直接启动成为同步电动机运行，况且，燃气轮机在启动初期时的转速不是很高并且需要可以调节的，所以必须提供可以改变频率的电源使发电机在各种速度下做同步电动机运行，变频启动系统用来满足上述要求。3.3 主变的选择因燃机电厂的发电机组作为调峰、应急电源时，起停频繁，采用单元制接线方式，用双卷变压器联接电网某一种电压比较合适。据调查，燃机电厂大多采用发电机双卷变压器单元制接入电力系统。主变容量的选择与燃煤机组的主变压器容量选择类同，本文不做描述。3.4 发电机出口断路器（GCB）非调峰的燃气轮发电机组，发电机出口断路器的装设原则同燃煤机组。用于调峰的燃气轮发电机组，由于起
12、停频繁，其发电机出口是否设置断路器，目前存在两种不同的看法，现从技术和经济因素分别分析如下：3.4.1技术比较否认装设的观点认为：首先，发电机与主变压器之间串接GCB后，发电机变压器回路的可靠性要比无GCB时下降，GCB故障或检修时将影响整个机组的运行；其次，由于主变压器作为降压变压器倒送厂用电，为了保证厂用电电动机起动时高压厂用电母线的电压水平，主变压器或高压厂用变压器需采用有载调压型，这也降低了可靠性。同意装设的观点认为：在发电机承受不平衡负荷或发电机出口发生不对称短路时，GCB可以迅速切除故障，保护发电机使其免遭损坏；另外，变压器内部因绝缘闪落形成的电弧使油分解后产生的大量气体引起变压器
13、内部压力的升高，将导致变压器油箱破裂或爆炸。变压器内部故障电弧电流由系统和发电机共同提供。系统提供电弧电流由装在主变压器高压侧的断路器切断，切断时间大约为40ms。高压系统断开后发电机在灭磁前仍连续不断的提供电弧电流，使油箱内部压力继续上升，发电机转子灭磁及定子电流衰减时间通常长达数秒（与励磁系统有关），以至保护不了变压器。而在发电机出口装设GCB可在3周波（60 ms）内切断故障电流，将发电机与故障变压器迅速隔离，从而保护了主变压器和高压厂用变压器，避免变压器遭受严重破坏；再者，当发电机发生内部故障时，GCB迅速跳开，使发电机与电网隔离，而不必连主变压器一并切除，停机厂用电源仍可由系统通过主
14、变压器倒送，从而避免了厂用电源系统的事故切换，这样减轻了运行人员的压力，为迅速处理故障创造了条件，提高机组保护的选择性。综合比较以上两种观点，本文认为，对于调峰用燃机电厂,因其起停频繁,装设GCB是可取的。装设GCB后可避免高压厂用电源的切换，简化厂用电源的控制和保护接线，从而提高厂用电系统的可靠性；减轻对电动机的电冲击和机械冲击以及对绝缘保护的破坏。机组并网或停机时只需通过GCB就可完成，缩短了机组起停时间；利用GCB同期，可以避免在主变高压侧出现由于两侧相角差而产生的两侧反相电压对设备绝缘造成严重的损伤。这一点对调峰用燃机电厂尤为重要。3.4.2 经济比较 GCB的价格较贵,需要进口，一次
15、性投资大,但运行费用低。下面就可比项做一下经济比较,比较中未计及两种方案相同部分。图2 主接线经济比较示意图表1 经济比较项目方案一方案二备注 GCB/1300=300万含进口关税高厂变有载调压开关/1100=100万进口初次投资 (万元)0+400初次投资价差 (万元)0+400从表1 可以看出,就一次投资来说,方案一较少,方案二则较高。由此看出发电机出口装设GCB后经济性下降，一次性投资增大。但是如果考虑到今后的运行费用、运行收益，则方案二的经济性将有所提高。如果燃机电厂用于调峰，按每天起停一次计，一年共700多次。装设GCB对减轻同期合闸时对电动机的电冲击和机械冲击很有帮助,可以提高厂用
16、电设备的使用寿命，并减轻检修维护的工作量。从上述分析可知，对于调峰用的燃机电厂，发电机出口装设断路器对运行管理还是极为有利的。对9F型燃气联合循环单轴布置时，如采用发电机作为启动电机时，该发电机的出口必须设置出口断路器。3.5 高压厂用工作电源的引接燃机电厂高压厂用工作电源可从燃机发电机出口引接，也可从从汽机发电机出口引接，这完全与联合循环中是否设置旁路烟道有关。如果设置了旁路烟道，燃气轮发电机组可由联合循环变为简单循环，即汽机停止运行后还可保持燃气轮机组的运行，此时厂用工作电源应从燃机出口引接，汽轮发电机组的辅机接到燃气轮机发电机组的高压厂用工作段上；当不设旁路烟道时，汽轮发电机组和燃气轮机
17、机组同步启停，此时可根据具体情况从燃机发电机或汽机发电机出口引接厂用工作电源。3.6 起动/备用电源设置对于非调峰机组，起动/备用电源设置原则同燃煤机组。对于调峰机组，当发电机出口不设断路器时，应有1台起动/备用变压器；当2套及以上发电机变压器组的发电机出口不设断路器时，考虑到起动/备用变压器（电抗器）使用频率较高，如果一台起动/备用变压器（电抗器）因故停运后,为满足机组的起动要求，全厂需配置的起动/备用变压器不少于2台，且低压（馈电）侧互相连接。当发电机出口装设断路器时，每4套及以下机组配置1台起动/备用变压器（电抗器、电源），此时以备用为主；当全厂有同容量5套及以上机组时，可再设置一台不接
18、线的高压厂用工作变压器（电抗器）作为备品。国外也有工程有如下做法：2套联合循环机组，发电机出口装设断路器，此时不设专门的起动/备用变压器，通过系统倒送电实现起动，而2台高压厂用变压器互为备用电源。3.7 黑起动燃机电厂作为电网应急备用电源时，应增设“黑起动”用独立电源。此时必须考虑无外来电源的情况下起动燃气轮发电机组（即“黑起动”）向电网供电，以便真正起到应急备用电源的作用。宜选用柴油发电机作为“黑起动”起动电源。图3示出了“黑起动”的接线方式图3 “黑起动”的接线方式示意图应注意的是：保安电源与“黑起动”用电源应相互独立。4 小结以上对承担调峰任务的燃机电厂电气部分的一些主要特征进行了分析，
19、重点在于探讨与燃煤机组设计原则上的不同之处。随着燃气轮机技术的不断发展，燃机电厂的电气设计将会不断出现新的课题，我们的研究工作也将更加深入。【参考文献】1 何语平.大型燃气蒸汽联合循环电站工程的设计特点.中国电力.2001（2）. 47.2 张农.燃机发电厂电气控制简介. 电气设计技术.2000（2）.4144.3 赵光静.燃气蒸汽联合循环电站厂用电接线探讨.电气设计技术.1998（4）.4850.4 郭予超,乐长义.中国发展燃气电厂的若干问题.华东电力.2001(2).3142. 5 糜洪元,徐文军等.国内外燃气轮机发电现况和21世纪展望.燃气轮发电技术.1999(1).6 朱成章.从小型热
20、电联产走向冷热电联产.燃气轮发电技术.2000(2).7 李宇红.从天然气利用看我国燃气轮机热电联产的发展. 燃气轮发电技术.2000(2).8 危师让，董卫国.关于下世纪我国火力发电、燃气轮机和联合循环发展的初步分析. 燃气轮发电技术.2001(1) .9 DL5000火力发电厂设计技术规程“电气设备及系统部分”.北京：中国电力出版社.2001.100118，241253.10电力工程手册“电气一次部分”. 北京：中国电力出版社. 1989.1929.11 High Efficiency Natural Gas-Fired combined Cycle KA26-ISS/TPRH for China.ABB&ALSTON POWER. Baden ,Switzerland-October 1999.12 GE公司联合循环发电技术选编.长春：东北电力设计院.2000.13 火力发电厂厂用电设计技术规定.北京：水利电力出版社.1988.314， 5455，7981.14 GENERAL DOCUMENTATION-LOGIC CHART & GENERATOR TRIP LOGIC DIAGRAM . GE Energy Products France SNC N0 91-317146 Rv.A . REFERENCE NBER: 00R17 000 IA0 LO 001.