熱電廠(chǎng)利用余壓余熱發(fā)電的工作原理，在發(fā)電機選型、容量選擇和接入高壓廠(chǎng)用母線(xiàn)并網(wǎng)運行過(guò)程中對廠(chǎng)用電系統安全運行可能產(chǎn)生的影響方面進(jìn)行了分析，并在發(fā)電機選型和參數選擇方面提出了建議，確保新增加電機后不影響廠(chǎng)用電系統安全穩定運行。最后結合工程實(shí)例進(jìn)行了計算和分析。
熱電廠(chǎng)為了實(shí)現能量的梯級利用，增設余壓利用汽輪機發(fā)電機組，其工作原理是利用主汽輪機采暖抽汽的能級差驅動(dòng)功熱汽輪機拖動(dòng)發(fā)電機發(fā)電供機組廠(chǎng)用電自用，增加背壓式汽輪機組后可充分發(fā)揮熱電聯(lián)產(chǎn)優(yōu)勢，提高蒸汽利用效率，達到節能降耗提高運行效益的目的。
增加背壓式汽輪機組的原則是以滿(mǎn)足熱負荷為主，在保證機組安全、經(jīng)濟、穩定運行的基礎上最大化利用壓差進(jìn)行做功發(fā)電。背壓式汽輪機組容量選擇一般是根據蒸汽量、蒸汽焓降和廠(chǎng)用負荷進(jìn)行選擇，根據以上原則選擇的汽輪機組對于并網(wǎng)段來(lái)說(shuō)屬于大容量的電機，在其運行過(guò)程中勢必對高壓廠(chǎng)用系統有影響，所以在確定新增加電機型號和容量前需要校驗其對系統的影響，確保高壓廠(chǎng)用電系統的安全。
1 電氣系統配置
根據電廠(chǎng)電壓等級結構和負荷分布，汽輪發(fā)電機組發(fā)電后接入廠(chǎng)用高壓段可以使余熱余壓做功利用最大化，所以發(fā)電機一般接入廠(chǎng)用高壓段。
根據電廠(chǎng)接線(xiàn)方式電機可以接入高壓工作段（見(jiàn)圖1）或高壓公用段（見(jiàn)圖2），一般高壓公用段與兩臺機組高壓段互聯(lián)，一段為正常工作電源另一段為備用電源，所以電機接入公用段可以把發(fā)電負荷更方便的在兩個(gè)機組之間切換，當一臺機組停機時(shí)可以把發(fā)電負荷轉移到另臺機組的高壓段，汽輪機組利用率更高。
如果高壓廠(chǎng)用段無(wú)合適備用間隔而且在空間上增加間隔比較困難，就可以考慮在發(fā)電機安裝地增加一段高壓首站，并網(wǎng)開(kāi)關(guān)放在高壓首站，再由高壓首站接入廠(chǎng)用高壓段（見(jiàn)圖3）。
圖1 接入廠(chǎng)用高壓工作段系統示意圖
圖2 接入廠(chǎng)用高壓公用段系統示意圖
圖3 新增高壓首站系統示意圖
電機的并網(wǎng)操作在遠方DCS操作完成，發(fā)電機的電流、電壓、功率、無(wú)功、功率因數等電氣參數接入到電氣監控畫(huà)面能實(shí)現遠方監控。
電機配備繼電保護裝置能確保發(fā)電機故障狀態(tài)下能從系統切除掉，不會(huì )造成故障擴大，不影響廠(chǎng)用系統安全運行。發(fā)電機配備的保護包括：差動(dòng)速斷、比例差動(dòng)、過(guò)流速斷、限時(shí)過(guò)流、過(guò)負荷、零序過(guò)流、低電壓、逆功率等保護。
在電機并網(wǎng)發(fā)電運行后，小汽機發(fā)電機組出力可以根據所接入高壓段負荷變化進(jìn)行調整，滿(mǎn)足發(fā)電機所發(fā)電量本段消耗，自發(fā)自用，不影響系統原運行方式。
2 電機類(lèi)型和容量選擇
2.1 電機類(lèi)型的選擇
對于增加的發(fā)電機有以下兩種類(lèi)型選擇。
1）同步發(fā)電機。其特點(diǎn)是由直流電源勵磁，既能提供有功功率，又能提供無(wú)功功率，能滿(mǎn)足各種負載的要求，且能方便的轉為孤立方式運行，但控制、保護和勵磁系統比較復雜，需要較高的操作水平，一次性投資也比較高。
2）異步電機。大部分都是鼠籠式電動(dòng)機，其沒(méi)有獨立勵磁繞組，結構簡(jiǎn)單，操作、運維方便，并網(wǎng)運行時(shí)運行時(shí)異步發(fā)電機被系統拖動(dòng)電壓穩定不會(huì )發(fā)生失步和震蕩，外部三相短路時(shí)穩態(tài)短路電壓幾乎為零。其缺點(diǎn)是要從電網(wǎng)吸收感性無(wú)功，必須借助電容器方可孤島運行，且這種運行方式供電電能質(zhì)量較差。
考慮異步發(fā)電機配套設施簡(jiǎn)單，占地面積小，投資少，根據余壓利用汽輪機發(fā)電機組異步發(fā)電機的運行方式，屬于和系統并網(wǎng)運行，所以?xún)?yōu)先考慮異步電機。
異步電機并網(wǎng)運行，由系統提供電機自身需要的勵磁無(wú)功，由于系統對于異步發(fā)電機可視為無(wú)限大電源，所以異步發(fā)電機被系統拖動(dòng)電壓穩定，電能質(zhì)量較好。異步電機作為吸收無(wú)功設備，電廠(chǎng)發(fā)電機無(wú)功充足完全有能力補償異步電機吸收的無(wú)功。
2.2 電機容量的選擇
對于電廠(chǎng)來(lái)說(shuō)，發(fā)電機的容量選擇以滿(mǎn)足廠(chǎng)用電為主，實(shí)現自發(fā)自用，不能通過(guò)高廠(chǎng)變反送電，不影響機組系統的原有運行方式，所以在容量選擇上以機組正常運行時(shí)廠(chǎng)用負荷為設計依據。
常規熱電廠(chǎng)一般有兩臺機組，每臺機組高壓廠(chǎng)用段有兩段分為A段和B段，工作電源由高廠(chǎng)變來(lái)帶，備用電源由啟備變提供，如果廠(chǎng)內設有高壓公用段，高壓公用段工作電源由一臺機組的高壓A或B段供電，備用電源就由另一臺機的高壓A或B段供電。所以接入點(diǎn)可以考慮高壓工作A、B段或公用段，而接入點(diǎn)的選擇直接影響電機容量的選擇。
容量選擇原則：①統計機組不同運行工況下發(fā)電機所接入高壓段的分支負荷電流，根據統計結果選擇最小電流進(jìn)行容量選擇，這樣能保證在機組正常運行時(shí)所發(fā)電量自發(fā)自用；②高廠(chǎng)變系統增加電機后高廠(chǎng)變系統參數（容量、短路電流）依然合適。
3 新增異步電機對廠(chǎng)用電系統的影響
將異步電機接入頻率、電壓恒定的電網(wǎng)中時(shí)，用原動(dòng)機拖動(dòng)異步發(fā)電機，當轉子轉速n低于氣隙旋轉磁場(chǎng)的轉速ns，即n＜ns轉差率S為正值，則為電動(dòng)機運行狀態(tài)；當轉速n高于氣隙旋轉磁場(chǎng)的轉速ns，即n＞ns轉差率S為負值，則為發(fā)電機運行狀態(tài)[1]。
異步電機轉差率為
（1）
式中，ns為同步轉速；n為轉子轉速。
當S＜0時(shí)，電機為發(fā)電機狀態(tài)；當0＜S＜1時(shí)，電機為電動(dòng)機狀態(tài)。所以異步電機的運行是可逆的，運行當中會(huì )出現兩種不同的運行工況發(fā)電機和電動(dòng)機，這兩種運行工況對系統的影響不相同。
3.1 異步電機當電動(dòng)機單體試運時(shí)對廠(chǎng)用系統的影響
異步發(fā)電機在并網(wǎng)前需要作為電機起動(dòng)空載運行進(jìn)行單機試運，所以在首次并網(wǎng)前需要作為電動(dòng)機起動(dòng)運行。一般作為電動(dòng)機起動(dòng)有兩種方式，即直接起動(dòng)和降壓起動(dòng)。
直接起動(dòng)最為簡(jiǎn)單，直接合出口開(kāi)關(guān)，電機從零轉起動(dòng)，起動(dòng)電流一般為5～7倍的額定電流，電流衰減時(shí)間也比較長(cháng)，所造成的廠(chǎng)用電壓降較大。
按照規定當廠(chǎng)用系統新增加一個(gè)比較大的異步電動(dòng)機后需要對高廠(chǎng)變容量、高廠(chǎng)變分支過(guò)流保護、母線(xiàn)起動(dòng)電壓進(jìn)等行校驗以驗證系統增加電機后以上參數是否還合適。
3.2 異步電機并網(wǎng)對系統的影響
異步電機并網(wǎng)前，首先用小汽機帶異步電機進(jìn)行沖轉，等到轉子轉速n接近3000r/min時(shí)，合上高壓段并網(wǎng)開(kāi)關(guān)，此時(shí)由于轉差率 S＜1，異步電機為電動(dòng)機運行方式，拖動(dòng)原動(dòng)機運行，運行平穩后通過(guò)調節汽輪機調節門(mén)調節汽輪機轉速，當汽輪機轉速大于同步轉速3000r/min時(shí)，轉差率S＜0，異步電機進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)[2]。
在異步電機并網(wǎng)時(shí)，由于異步電機轉子轉速已經(jīng)接近同步轉速n0，其轉速差S≈0。
根據異步電機電磁轉矩T公式：
（2）
理論上當n=n0時(shí)，S=0旋轉磁場(chǎng)相對轉子為靜止電磁轉矩為0，起動(dòng)電流大約為0。
實(shí)際過(guò)程中，異步發(fā)電機在并網(wǎng)瞬時(shí)，為了建立磁場(chǎng)會(huì )從系統吸收無(wú)功，瞬時(shí)會(huì )有大電流沖擊，且導致廠(chǎng)用電壓降低。通過(guò)仿真軟件，計算6000kW異步發(fā)電機并網(wǎng)廠(chǎng)用6kV段時(shí)，沖擊電流峰值為3.8kA，時(shí)間瞬時(shí)很短。
在并網(wǎng)穩定后，異步發(fā)電機需要從機組上吸收無(wú)功進(jìn)行激磁，勵磁電流為電機的空載運行電流，發(fā)電機從系統吸收約為額定容量20%～25%的無(wú)功，所以此時(shí)并網(wǎng)電流大約是電機的20%～25%額定電流。
3.3 異步發(fā)電機對廠(chǎng)用快切過(guò)程的影響
6kV廠(chǎng)用負荷多為異步電動(dòng)機，廠(chǎng)用母線(xiàn)失電后電動(dòng)機將惰行，對單臺電機而言，工作電源切斷后電動(dòng)機定子電流變?yōu)榱?，轉子電流逐漸衰減。由于機械慣性，轉子轉速將從額度值逐漸減速，轉子電流磁場(chǎng)將在定子繞組中反向感應電勢，形成反饋電壓，也就是所謂的母線(xiàn)失電后的母線(xiàn)殘壓，6kV廠(chǎng)用電母線(xiàn)電壓和頻率衰減的時(shí)間、速度跟該段母線(xiàn)所帶的負載有關(guān)，負載越多，電壓、頻率下降的越慢而且下降的速率隨著(zhù)時(shí)間的推移不斷呈現加速下滑的趨勢。
理論上增加異步發(fā)電機后其會(huì )減緩母線(xiàn)電壓和頻率的衰減，有利于廠(chǎng)用電的快速切換成功率，在實(shí)際工程當中還需要實(shí)際做廠(chǎng)用切換試驗進(jìn)行驗證。
如果實(shí)際切換試驗結果對廠(chǎng)用電切換過(guò)程影響很大，那就需在快切動(dòng)作同時(shí)把異步發(fā)電機從系統切除。
4 工程實(shí)例
某熱電廠(chǎng)有兩臺330MW機組新上1臺背壓式發(fā)電機組，發(fā)電機為額定電壓為6kV，額定功率6000kW的異步電機，發(fā)電機發(fā)出的電量直接接入廠(chǎng)內兩臺機組的6kV高壓公用A段，電機容量滿(mǎn)足接入高壓段運行設備自用。
電廠(chǎng)設備參數如下：
1）新上異步發(fā)電機容量為6000kW，額定電壓6.3kV額定電流611A。
2）高廠(chǎng)變參數
Sn=50000/31500?31500kVA，電壓20±2×2.5%/6.3? 6.3，Ud1-2′ =18.6%，Ud1-2〞=19%，D,yn1-yn1；分支TA變比4000/5，母線(xiàn)發(fā)生兩相短路短路電流為22040A。
3）高壓段原有最大容量電動(dòng)機為電動(dòng)給水泵容量為5500kW。
4）分支負荷電流為2887A（取6kV高壓工作A段）。
5）分支過(guò)流定值13.7A。
4.1 作為電動(dòng)機空載起動(dòng)時(shí)校驗
異步電機在首次起動(dòng)時(shí)需要和汽輪機解除對輪連接，作為電動(dòng)機起動(dòng)進(jìn)行單機試運，其目的是為了檢查電機本體的潤滑油系統、振動(dòng)、溫度等情況，最主要是觀(guān)察其轉向是否和汽輪機轉向一致，由于所上電機容量很大根據相關(guān)規定當廠(chǎng)用6kV段增加一個(gè)大容量電機時(shí)需要對其產(chǎn)生的影響進(jìn)行計算分析。
1）分支電流校驗
校核定值10.284A小于原定值13.7A，分支過(guò)流定值滿(mǎn)足新增加大電機后的要求，所以原定值不需要修改依然可以滿(mǎn)足現系統要求。
2）電機起動(dòng)時(shí)母線(xiàn)電壓進(jìn)行校驗
由上述計算可知：新增電機正常起動(dòng)時(shí)母線(xiàn)電壓下降為額定電壓的82%，大于規定要求的當大電機正常起動(dòng)時(shí)，廠(chǎng)用母線(xiàn)電壓不應低于額定電壓的80%。母線(xiàn)電壓可以滿(mǎn)足要求。
在電機投入運行起動(dòng)時(shí)對電氣數據進(jìn)行實(shí)際測量：電機的起動(dòng)電流最高值為3678A，為額定電流的6倍；高壓段母線(xiàn)電壓從6.28kV降到5.19kV，最低電壓為額定電壓的82%與理論計算值一致。
4.2 電機并網(wǎng)運行時(shí)的電氣參數
異步電機并網(wǎng)前，首先用小汽機帶異步電機進(jìn)行沖轉，等到轉子轉速n接近2950r/min時(shí)合上高壓段并網(wǎng)開(kāi)關(guān)。
從故障錄波器讀取并網(wǎng)數據，并網(wǎng)瞬間電流峰值約為3000A，為4.9倍的額定電流，198ms衰減至額定電流，296ms衰減至正常運行電流。
此時(shí)在DCS上觀(guān)察到的電機電流、無(wú)功功率、有功功率、母線(xiàn)電壓圖形如圖4所示。
圖4 異步電機并網(wǎng)錄波圖
圖4中，曲線(xiàn)1為異步發(fā)電機無(wú)功，曲線(xiàn)2為并網(wǎng)開(kāi)關(guān)位置，曲線(xiàn)3為異步發(fā)電機電流，曲線(xiàn)4為發(fā)電機功率，由于DCS的采樣精度關(guān)系，從DCS錄波數據可以看到大概趨勢，在并網(wǎng)的瞬間異步電機的有功為58kW，可得知并網(wǎng)瞬間電機是被系統拖動(dòng)為電動(dòng)機狀態(tài)，并網(wǎng)電流為106A，遠遠小于作為電動(dòng)機起動(dòng)時(shí)的6倍額定電流；母線(xiàn)電壓在并網(wǎng)瞬間電壓從6.3kV降到6.14kV，高壓母線(xiàn)電壓偏移為2.5%，對系統電壓幾乎沒(méi)有影響，異步電機作為無(wú)功并網(wǎng)瞬間吸收無(wú)功為1100kvar；對于機組的無(wú)功容量來(lái)說(shuō)容量比較小，機組完全可以在異步電機并網(wǎng)前增加無(wú)功，來(lái)消除無(wú)功被吸收的影響。
從圖4中還可以看出，在并網(wǎng)后隨著(zhù)汽輪機增加出力異步電機的電流、電壓、有功功率、無(wú)功功率平穩變化。
通過(guò)上面數據分析可以看出，異步發(fā)電機并網(wǎng)時(shí)對廠(chǎng)用電系統的沖擊遠遠小于當做電動(dòng)機空載起動(dòng)時(shí)的沖擊。
從前文的分析結果可以得出，新增加異步電機無(wú)論是做為電動(dòng)機空載運行還是發(fā)電機并網(wǎng)正常運行時(shí)都不會(huì )影響廠(chǎng)用系統的安全穩定運行。
4.3 高壓母線(xiàn)故障時(shí)異步發(fā)電機對系統的影響
異步發(fā)電機是靠系統電壓進(jìn)行勵磁，當其所并網(wǎng)高壓段上發(fā)生三相短路時(shí)，由于失去勵磁，異步發(fā)電機將不存在持續短路電流，但在短路瞬間，電機中存在一定的磁場(chǎng)，由于定子和轉子繞組的磁鏈不能突變，因此使定子和轉子回路產(chǎn)生很大的沖擊電流，其物理本質(zhì)和同步發(fā)電機機端突然三相短路產(chǎn)生的沖擊原理是相同的[7]。
原電廠(chǎng)高廠(chǎng)變低壓側短路時(shí)最大短路電流為25.8kA。由于增加異步發(fā)電機母線(xiàn)上有設備故障時(shí)最大峰值短路電流可以達到：25.8kA+7.9kA= 33.7kA。由于故障時(shí)異步發(fā)電機失去勵磁電壓，所以其衰減速度很快。
根據電廠(chǎng)6kV母線(xiàn)設計技術(shù)標準要求：短時(shí)耐受電流≥40kA(4s)，峰值耐受電流≥100kA，所以對母線(xiàn)沒(méi)有影響；負荷真空斷路器技設計標準：額定熱穩定電流（有效值）≥40kA(4s)，額定峰值耐受電流130kA，額定關(guān)合電流（峰值）130kA，負荷開(kāi)關(guān)滿(mǎn)足要求。
通過(guò)計算可以得出，在增加異步發(fā)電機后，高壓廠(chǎng)用系統的母線(xiàn)和開(kāi)關(guān)完全滿(mǎn)足安全運行要求。
結論
1）異步發(fā)電機的應用比較成熟且性?xún)r(jià)比高，在發(fā)電機選擇上宜選擇異步發(fā)電機。
2）發(fā)電機參數的選擇要依據電機接入點(diǎn)的負荷的容量，并根據高廠(chǎng)變系統的參數進(jìn)行核算，確保高廠(chǎng)變參數滿(mǎn)足系統新增加電機。
3）異步電機對系統影響最大的是作為電動(dòng)機空載起動(dòng)時(shí)，如果起動(dòng)時(shí)對廠(chǎng)用系統影響大可考慮增加降壓軟起動(dòng)設備或采取轉移該段負荷的方式。
4）異步電機并網(wǎng)時(shí)對系統沖擊很小，正常運行時(shí)對系統影響小。
5）不將異步電機看做電廠(chǎng)內的重要電機，當廠(chǎng)用系統有任何異常，可隨時(shí)把異步發(fā)電機與廠(chǎng)用系統切斷。
熱電廠(chǎng)利用小汽輪機對供汽抽汽的余熱余壓進(jìn)行做功利用，運用異步發(fā)電機電供給機組廠(chǎng)用電自用，在經(jīng)濟上能取得可觀(guān)的效益，這一切都是在廠(chǎng)用電系統安全穩定運行的前提下進(jìn)行的，所以在新增電機機型和容量選擇前需要進(jìn)行理論計算，機組投運時(shí)應根據實(shí)際錄波進(jìn)行驗證，以確保機組安全、穩定運行。
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