热电厂利用余热发电对厂用电系统的影响分析 / 开普饭

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摘要

河北冀研能源科学技术研究院的研究人员张立、牟法海等，在2018年第7期《电气技术》杂志上撰文，简述了热电厂利用余压余热发电的工作原理，在发电机选型、容量选择和接入高压厂用母线并网运行过程中对厂用电系统安全运行可能产生的影响方面进行了分析，并在发电机选型和参数选择方面提出了建议，确保新增加电机后不影响厂用电系统安全稳定运行。最后结合工程实例进行了计算和分析。

热电厂为了实现能量的梯级利用，增设余压利用汽轮机发电机组，其工作原理是利用主汽轮机采暖抽汽的能级差驱动功热汽轮机拖动发电机发电供机组厂用电自用，增加背压式汽轮机组后可充分发挥热电联产优势，提高蒸汽利用效率，达到节能降耗提高运行效益的目的。

增加背压式汽轮机组的原则是以满足热负荷为主，在保证机组安全、经济、稳定运行的基础上最大化利用压差进行做功发电。背压式汽轮机组容量选择一般是根据蒸汽量、蒸汽焓降和厂用负荷进行选择，根据以上原则选择的汽轮机组对于并网段来说属于大容量的电机，在其运行过程中势必对高压厂用系统有影响，所以在确定新增加电机型号和容量前需要校验其对系统的影响，确保高压厂用电系统的安全。

1 电气系统配置

根据电厂电压等级结构和负荷分布，汽轮发电机组发电后接入厂用高压段可以使余热余压做功利用最大化，所以发电机一般接入厂用高压段。

根据电厂接线方式电机可以接入高压工作段（见图1）或高压公用段（见图2），一般高压公用段与两台机组高压段互联，一段为正常工作电源另一段为备用电源，所以电机接入公用段可以把发电负荷更方便的在两个机组之间切换，当一台机组停机时可以把发电负荷转移到另台机组的高压段，汽轮机组利用率更高。

如果高压厂用段无合适备用间隔而且在空间上增加间隔比较困难，就可以考虑在发电机安装地增加一段高压首站，并网开关放在高压首站，再由高压首站接入厂用高压段（见图3）。

图1 接入厂用高压工作段系统示意图

图2 接入厂用高压公用段系统示意图

图3 新增高压首站系统示意图

电机的并网操作在远方DCS操作完成，发电机的电流、电压、功率、无功、功率因数等电气参数接入到电气监控画面能实现远方监控。

电机配备继电保护装置能确保发电机故障状态下能从系统切除掉，不会造成故障扩大，不影响厂用系统安全运行。发电机配备的保护包括：差动速断、比例差动、过流速断、限时过流、过负荷、零序过流、低电压、逆功率等保护。

在电机并网发电运行后，小汽机发电机组出力可以根据所接入高压段负荷变化进行调整，满足发电机所发电量本段消耗，自发自用，不影响系统原运行方式。

2 电机类型和容量选择

2.1 电机类型的选择

对于增加的发电机有以下两种类型选择。

1）同步发电机。其特点是由直流电源励磁，既能提供有功功率，又能提供无功功率，能满足各种负载的要求，且能方便的转为孤立方式运行，但控制、保护和励磁系统比较复杂，需要较高的操作水平，一次性投资也比较高。

2）异步电机。大部分都是鼠笼式电动机，其没有独立励磁绕组，结构简单，操作、运维方便，并网运行时运行时异步发电机被系统拖动电压稳定不会发生失步和震荡，外部三相短路时稳态短路电压几乎为零。其缺点是要从电网吸收感性无功，必须借助电容器方可孤岛运行，且这种运行方式供电电能质量较差。

考虑异步发电机配套设施简单，占地面积小，投资少，根据余压利用汽轮机发电机组异步发电机的运行方式，属于和系统并网运行，所以优先考虑异步电机。

异步电机并网运行，由系统提供电机自身需要的励磁无功，由于系统对于异步发电机可视为无限大电源，所以异步发电机被系统拖动电压稳定，电能质量较好。异步电机作为吸收无功设备，电厂发电机无功充足完全有能力补偿异步电机吸收的无功。

2.2 电机容量的选择

对于电厂来说，发电机的容量选择以满足厂用电为主，实现自发自用，不能通过高厂变反送电，不影响机组系统的原有运行方式，所以在容量选择上以机组正常运行时厂用负荷为设计依据。

常规热电厂一般有两台机组，每台机组高压厂用段有两段分为A段和B段，工作电源由高厂变来带，备用电源由启备变提供，如果厂内设有高压公用段，高压公用段工作电源由一台机组的高压A或B段供电，备用电源就由另一台机的高压A或B段供电。所以接入点可以考虑高压工作A、B段或公用段，而接入点的选择直接影响电机容量的选择。

容量选择原则：①统计机组不同运行工况下发电机所接入高压段的分支负荷电流，根据统计结果选择最小电流进行容量选择，这样能保证在机组正常运行时所发电量自发自用；②高厂变系统增加电机后高厂变系统参数（容量、短路电流）依然合适。

3 新增异步电机对厂用电系统的影响

将异步电机接入频率、电压恒定的电网中时，用原动机拖动异步发电机，当转子转速n低于气隙旋转磁场的转速ns，即n＜ns转差率S为正值，则为电动机运行状态；当转速n高于气隙旋转磁场的转速ns，即n＞ns转差率S为负值，则为发电机运行状态[1]。

异步电机转差率为

（1）

式中，ns为同步转速；n为转子转速。

当S＜0时，电机为发电机状态；当0＜S＜1时，电机为电动机状态。所以异步电机的运行是可逆的，运行当中会出现两种不同的运行工况发电机和电动机，这两种运行工况对系统的影响不相同。

3.1 异步电机当电动机单体试运时对厂用系统的影响

异步发电机在并网前需要作为电机起动空载运行进行单机试运，所以在首次并网前需要作为电动机起动运行。一般作为电动机起动有两种方式，即直接起动和降压起动。

直接起动最为简单，直接合出口开关，电机从零转起动，起动电流一般为5～7倍的额定电流，电流衰减时间也比较长，所造成的厂用电压降较大。

按照规定当厂用系统新增加一个比较大的异步电动机后需要对高厂变容量、高厂变分支过流保护、母线起动电压进等行校验以验证系统增加电机后以上参数是否还合适。

3.2 异步电机并网对系统的影响

异步电机并网前，首先用小汽机带异步电机进行冲转，等到转子转速n接近3000r/min时，合上高压段并网开关，此时由于转差率 S＜1，异步电机为电动机运行方式，拖动原动机运行，运行平稳后通过调节汽轮机调节门调节汽轮机转速，当汽轮机转速大于同步转速3000r/min时，转差率S＜0，异步电机进入发电状态[2]。

在异步电机并网时，由于异步电机转子转速已经接近同步转速n0，其转速差S≈0。

根据异步电机电磁转矩T公式：

（2）

理论上当n=n0时，S=0旋转磁场相对转子为静止电磁转矩为0，起动电流大约为0。

实际过程中，异步发电机在并网瞬时，为了建立磁场会从系统吸收无功，瞬时会有大电流冲击，且导致厂用电压降低。通过仿真软件，计算6000kW异步发电机并网厂用6kV段时，冲击电流峰值为3.8kA，时间瞬时很短。

在并网稳定后，异步发电机需要从机组上吸收无功进行激磁，励磁电流为电机的空载运行电流，发电机从系统吸收约为额定容量20%～25%的无功，所以此时并网电流大约是电机的20%～25%额定电流。

3.3 异步发电机对厂用快切过程的影响

6kV厂用负荷多为异步电动机，厂用母线失电后电动机将惰行，对单台电机而言，工作电源切断后电动机定子电流变为零，转子电流逐渐衰减。由于机械惯性，转子转速将从额度值逐渐减速，转子电流磁场将在定子绕组中反向感应电势，形成反馈电压，也就是所谓的母线失电后的母线残压，6kV厂用电母线电压和频率衰减的时间、速度跟该段母线所带的负载有关，负载越多，电压、频率下降的越慢而且下降的速率随着时间的推移不断呈现加速下滑的趋势。

理论上增加异步发电机后其会减缓母线电压和频率的衰减，有利于厂用电的快速切换成功率，在实际工程当中还需要实际做厂用切换试验进行验证。

如果实际切换试验结果对厂用电切换过程影响很大，那就需在快切动作同时把异步发电机从系统切除。

4 工程实例

某热电厂有两台330MW机组新上1台背压式发电机组，发电机为额定电压为6kV，额定功率6000kW的异步电机，发电机发出的电量直接接入厂内两台机组的6kV高压公用A段，电机容量满足接入高压段运行设备自用。

电厂设备参数如下：

1）新上异步发电机容量为6000kW，额定电压6.3kV额定电流611A。

2）高厂变参数

Sn=50000/3150031500kVA，电压20±2×2.5%/6.3 6.3，Ud1-2′ =18.6%，Ud1-2〞=19%，D,yn1-yn1；分支TA变比4000/5，母线发生两相短路短路电流为22040A。

3）高压段原有最大容量电动机为电动给水泵容量为5500kW。

4）分支负荷电流为2887A（取6kV高压工作A段）。

5）分支过流定值13.7A。

4.1 作为电动机空载起动时校验

异步电机在首次起动时需要和汽轮机解除对轮连接，作为电动机起动进行单机试运，其目的是为了检查电机本体的润滑油系统、振动、温度等情况，最主要是观察其转向是否和汽轮机转向一致，由于所上电机容量很大根据相关规定当厂用6kV段增加一个大容量电机时需要对其产生的影响进行计算分析。

1）分支电流校验

校核定值10.284A小于原定值13.7A，分支过流定值满足新增加大电机后的要求，所以原定值不需要修改依然可以满足现系统要求。

2）电机起动时母线电压进行校验

由上述计算可知：新增电机正常起动时母线电压下降为额定电压的82%，大于规定要求的当大电机正常起动时，厂用母线电压不应低于额定电压的80%。母线电压可以满足要求。

在电机投入运行起动时对电气数据进行实际测量：电机的起动电流最高值为3678A，为额定电流的6倍；高压段母线电压从6.28kV降到5.19kV，最低电压为额定电压的82%与理论计算值一致。

4.2 电机并网运行时的电气参数

异步电机并网前，首先用小汽机带异步电机进行冲转，等到转子转速n接近2950r/min时合上高压段并网开关。

从故障录波器读取并网数据，并网瞬间电流峰值约为3000A，为4.9倍的额定电流，198ms衰减至额定电流，296ms衰减至正常运行电流。

此时在DCS上观察到的电机电流、无功功率、有功功率、母线电压图形如图4所示。

图4 异步电机并网录波图

图4中，曲线1为异步发电机无功，曲线2为并网开关位置，曲线3为异步发电机电流，曲线4为发电机功率，由于DCS的采样精度关系，从DCS录波数据可以看到大概趋势，在并网的瞬间异步电机的有功为58kW，可得知并网瞬间电机是被系统拖动为电动机状态，并网电流为106A，远远小于作为电动机起动时的6倍额定电流；母线电压在并网瞬间电压从6.3kV降到6.14kV，高压母线电压偏移为2.5%，对系统电压几乎没有影响，异步电机作为无功并网瞬间吸收无功为1100kvar；对于机组的无功容量来说容量比较小，机组完全可以在异步电机并网前增加无功，来消除无功被吸收的影响。

从图4中还可以看出，在并网后随着汽轮机增加出力异步电机的电流、电压、有功功率、无功功率平稳变化。

通过上面数据分析可以看出，异步发电机并网时对厂用电系统的冲击远远小于当做电动机空载起动时的冲击。

从前文的分析结果可以得出，新增加异步电机无论是做为电动机空载运行还是发电机并网正常运行时都不会影响厂用系统的安全稳定运行。

4.3 高压母线故障时异步发电机对系统的影响

异步发电机是靠系统电压进行励磁，当其所并网高压段上发生三相短路时，由于失去励磁，异步发电机将不存在持续短路电流，但在短路瞬间，电机中存在一定的磁场，由于定子和转子绕组的磁链不能突变，因此使定子和转子回路产生很大的冲击电流，其物理本质和同步发电机机端突然三相短路产生的冲击原理是相同的[7]。

原电厂高厂变低压侧短路时最大短路电流为25.8kA。由于增加异步发电机母线上有设备故障时最大峰值短路电流可以达到：25.8kA+7.9kA= 33.7kA。由于故障时异步发电机失去励磁电压，所以其衰减速度很快。

根据电厂6kV母线设计技术标准要求：短时耐受电流≥40kA(4s)，峰值耐受电流≥100kA，所以对母线没有影响；负荷真空断路器技设计标准：额定热稳定电流（有效值）≥40kA(4s)，额定峰值耐受电流130kA，额定关合电流（峰值）130kA，负荷开关满足要求。

通过计算可以得出，在增加异步发电机后，高压厂用系统的母线和开关完全满足安全运行要求。