6 MW发电机逆功率运行分析及技术改造

李海波

（云南天安化工有限公司，云南安宁 650309）

云南天安化工有限公司（以下简称天安公司）一期800 kt/a硫酸装置于2003年竣工开车，装置利用焚硫余热锅炉产生的中压蒸汽配套建设1套6 MW发电机机组。自运行以来回收余热发电量可观，以2019年11月29日至2020年11月29日发电量计算，发电量可达 7 990 000 kWh/a，折合人民币约295万元/a，经济效益显著。然而，近几年装置运行过程中发生过多次发电机逆功率运行的情况，不仅影响了公司电网的正常运行，而且还造成汽轮机转子叶片损坏事故，给天安公司带来一定的损失。

1 主要存在问题及分析

1.1 现象描述

天安公司一期6 MW发电机组在运行中，同期屏监测表计测量值正常时有功和无功显示均为正值（第一象限），但在运行过程中出现了有功功率为负值，无功功率为正值的现象，发电机的运行由正常的发电机状态（第一象限）过渡到不正常的逆功率运行状态（第二象限），如图1所示[1]。由于逆功率值很小，电网的频率和电压都能满足电网系统的要求，在此不正常状态下检查发现：汽轮机速关阀已经关闭，发电机并网柜断路器未分闸，励磁系统运行正常。PLC控制器程序检查发现，速关阀行程触点“关”信号来反馈到PLC。

1.2 逆功率运行原因分析

如图1所示，定义发电机发出有功和发出无功为正方向，即功率方向由发电机流向电网系统方向，由于发电机速关阀关闭，联锁限位触点信号未进入PLC，所以主联锁并未动作，导致发电机并网柜未跳闸，励磁系统运行正常。

图1 发电机的四象限运行

发电机在失去原动力的情况下，功率方向变为由系统方向流向发电机，此时发电机不能向系统发出有功功率，反而从系统吸收一部分有功来维持发电机本身运转。由于励磁系统正常跟踪运行，发电机仍然输出无功功率，这时发电机向电网吸收有功，发出无功，变为同步电动机运行，即发电机进入逆功率运行状态。

1.3 发电机逆功率运行的危害

1.3.1 对电力系统的不良影响

电力系统的频率仅当发电机的总有功出力与总有功负荷(包括电网的所有损耗)相等时，才能保持不变。当发电机向电网吸收有功，正常发出无功时，如果系统有功功率缺额大于系统有功备用容量的数值较多，则电网的运行频率就不能稳定，甚至出现下降。如果不能采取紧急措施，及时切除相应容量的有功负荷，则系统将走向频率崩溃。逆功率现象在中大型发电机组中对电网的影响十分明显，而且造成系统瓦解的可能性很大。

当系统有功功率占比过低，无功功率占比过大时，会导致线损增加、容量下降、设备使用率下降，从而导致电能浪费加大。

由于该发电机组较小，公司电网容量较大，出现逆功率时只有400 kW左右，对公司电网的影响不太敏感。但是这种不正常的运行状态是极其危险的，原则上是不允许出现的运行状态。

1.3.2 对汽轮机的不良影响

当发电机主汽门关闭(速关阀关闭)，失去原动力时，发电机变为电动机带动汽轮机旋转，汽轮机叶片在无蒸汽情况下高速旋转会引起鼓风摩擦，特别是末级叶片可能会引起过热，导致转子叶片损坏[2-3]。

1.4 原因查找

发电机联锁为：速关阀关闭信号通过限位开关干接点信号引至PLC，PLC经过逻辑运算后发跳机信号至发电机并网柜和励磁柜灭磁，并网柜断路器分闸，主联锁逻辑见图2。由于速关阀关闭信号是由限位的干接点信号引至PLC，当限位开关触点故障，或是速关阀行程杆发生位移，都会导致主汽门开关信号拒动，联锁失效，引起发电机逆功率运行。

经过查实，主汽门关闭时，多次出现速关阀行程杆发生位移但行程开关不动的现象，联锁限位开关触点没有断开，PLC未接收到主汽门关闭信号，未联锁跳并网柜，同时机组没有设置及启用逆功率保护，导致了发电机发生逆功率运行。

图2 发电机的主要联锁逻辑现状

2 解决方案

2.1 方案论证

由于联锁实现利用限位开关触点信号，属于机械式联锁，存在很大的隐患，极易出现拒动作，造成发电机逆功率运行。故改造方案需要从发电机运行参数上根本解决发电机的逆功率问题。2019年9月原保护器多次死机和误动作，考虑和其他几台发电机统一备件，相继改造成G30保护器。通过和G30厂家沟通，其保护器可以实现“逆功率保护”功能，通过参数整定实现发电机逆功率运行的保护。

G30保护器逆功率设置按电压电流互感器的计算视在功率为基准，通过标幺值算法整定计算公式如下：

式中：Smin——逆功率保护定值（标幺值，以发电机容量为基准）；

Pe——发电机额定功率，W；

I1——单相电流互感器原边绕组额定电流，A；

nTV——单相电压互感器变比；

U2——单相电压互感器二次电压，V。

2.2 方案试验

2.2.1 试验数据计算

2.2.1.1 G30整定算法

根据G30保护器的给定整定计算公式，按发电机额定有功功率6 000 kW，电流互感器原边额定电流1 000 A计算，得到逆功率保护定值如下：

按照上述G30给定公式计算所得，折算为逆功率一次值为 ：0.288×3×1 000×60×57.74=2 993.2 kW。这个值相对于6 000 kW显然过大，不适合实际应用，主要是因为逆功率保护针对200 MW以上机组设定，G30整定计算模型偏向于大机组。针对小型发电机组经验值更适合保护整定[4-5]。

2.2.1.2 经验算法

一般的发电机逆功率经验动作考虑发电机铜损加铁损和机械损，用DL/T 684—2012《大型发电机变压器继电保护整定计算导则》中公式进行计算：

式中：Krel——可靠系数，取0.5～0.8，因未与主汽门辅助接点闭锁，建议Krel取最大值；

P1——汽轮机在逆功率运行时的最小损耗，一般取额定功率的2%～4%，因未与主汽门辅助接点闭锁，建议P1取最大值；

P2——发电机在逆功率运行时的最小损耗，一般取P2≈(1-η)×Pe，其中η为发电机效率，Pe为发电机额定功率；

经验计算值为364.8 kW，保守整定取300 kW。

2.2.1.3 G30保护实际整定值

由于G30保护整定值为标幺值，所以按照其给定公式将300 kW整定值反算为标幺值，即

2.2.2 试验结果

通过计算一次值300 kW，发电机单相功率为8.3 W，二次电压 57.74 V，二次电流 0.144 A，功率因素为1，功率方向为发电机指向母线。对G30保护器试验，试验结果见表1。

表1 G30保护器逆功率保护试验情况

通过试验，确定了逆功率保护定值为：二次整定 0.028 8 pu，动作时限 0.5 s跳闸，发电机 G30保护器内部提供的“逆功率保护”功能，能实现发电机逆功率运行的保护，该方案可行。

3 技术改造

3.1 技术实现

在图2中可知，发电机G30保护器电气保护出口联锁跳闸是纯电气保护与外部联锁跳闸形成统一协调，即不管外部动作还是保护动作都能实现跳机功能，并且逆功率保护独立于联锁跳机之外。只需在G30保护器内部启用逆功率保护，通过参数设置就能实现发电机逆功率运行保护，具体逻辑见图3。

图3 联锁改进逻辑

由于发电机在并网初期可能会出现短暂的逆功率情况，只有在发电机开到正常情况下才能投入逆功率保护，提高发电机并网的成功率，所以在保护器逆功率保护出口必须加装“连接片”，以便实现逆功率保护的投切功能。

3.2 技术实施

2020年10 月发电机停车期间，将G30保护器P2c、P2b常开点作为逆功率保护输出点，接入保护器保护出口点。逆功率保护动作点如图4所示，在回路中加入了连接片XB6，以此实现逆功率保护的投切功能。

图4 逆功率保护改造控制回路原理

将逆功率保护器整定值录入G30保护器，即逆功率保护对话框 Stage 1 SMIN 设置为 ：0.028 86 pu，Stage 1 Dela 设置为 y ：0.5 s；Stage 2 SMIN 设置 为 ：0.028 86 pu，Stage 2 Delay 设 置 为 ：0.5 s。经过模拟试车和开车阶段的试车工作，逆功率保护动作正常。主保护试验后能够保证其动作的可靠性。

3.3 效果验证

发电机逆功率保护改造实施后，发电机运行正常。2020年9月由于工艺调整主汽门开度不当，导致主汽门进气量骤减（接近于关闭状态），发电机跳停。调取保护器动作值参数：逆功率值为0.035 60 pu（大于整定值0.028 86 pu），折算到一次值为370 kW，G30保护器逆功率保护出口跳闸。

此次逆功率保护正确动作，充分说明小型发电机组增加逆功率保护的必要性，同时证明此次改造取得了效果，保证了电力系统稳定，保护了汽轮机转子叶片。

4 结语

发电机逆功率运行不仅对汽轮机叶片会造成危害，而且还会影响电力系统的稳定性。天安公司针对一期6 MW发电机加入电气逆功率保护功能，有效杜绝了发电机的逆功率运行，同时保证了电力系统运行的稳定性。天安公司共有小型发电机组5套，此次改造的成功也为其他机组完善保护提供了实践经验。