汽轮发电机运行.ppt

汽轮发电机运行,哈尔滨大电机研究所 沈梁伟 2010.12,资料来源,IEEEstd67-2005 汽轮发电机运行、维护导则IEEEc37 102 交流发电机保护导则DL/T 汽轮发电机运行规程GB/T 14285-2006 继电保护和安全自动装置技术规程DL/T 684-1999 发电机变压器组继电保护整定计算导则,内容,一.汽轮机与发电机容量匹配二.发电机运行范围和监测三.非额定运行四.发电机经济运行五.常见故障分类六.发电机保护七.运行中各种异常情况和检查八.安全警示,一.发电机与汽轮机容量匹配,1.单循环汽轮机：单循环汽轮机出力相对独立于环境条件的如温度（湿度等），发电机基本定额对应于汽轮机阀门全开(VWO)，锅炉超压的工况。发电机容量（在额定功率因数和最大次级冷却温度时）要满足汽轮机的上述运行工况。2 单循环燃气轮机：单循环燃汽轮机对应不同环境温度有两种不同定额即基本容量和峰值容量。配此燃机的发电机也应有两个设计定额，基本容量和峰值容量。燃气轮机出力是入口空气质量的函数，如果是现场入口空气，当环温增加时燃气轮机出力会下降。发电机出力必须与燃气轮机相配匹，要大于相应环境温度时燃气轮机的出力。,续,3.联合循环：在联合循环中，从一个或几个燃机中排出的废气进入余热锅炉（HRSG）产生蒸汽供给汽轮发电机，一台燃气轮机产生的余热使汽轮机功率可达燃机功率的一半左右。在多轴联合循环中：若一台燃气轮机和一台汽轮机相配则汽轮发电机的功率为燃机发电机功率的一半。若两台燃机带一台汽轮机联合运行，汽轮发电机定额等于燃气轮发电机定额。有多于两台的燃气轮机配一台汽轮机，汽轮机出力约为一台燃机出力一半乘燃机数目。在单轴联合循环布置中，燃气轮机和汽轮机共同拖动一台发电机。在单轴布置中发电机出力是燃机出力和汽轮机出力之和。发电机出力是燃气轮机出力的1.5倍。,二.发电机运行范围和监测,1.额定容量：指发电机额定点的容量包括额定电压、频率、功率因数、进风温度、氢压。它是设计和比较的基准。2.允许运行的容量范围：实际上发电机很难在额定点运行，但应在给定的范围内运行。指发电机上述参数均不一定在额定点，但发电机各部份温度均在标准规定内的允许的运行范围。一般制造厂会给出电压频率运行范围，出力图，容量与进风温度曲线，冷却器进水温度与出力关系等曲线，在这些曲线范围内的运行都是安全的。,关於冷却介质温度,1.初级冷却介质：无论何种冷却方式均以额定值400C作为设计基准和温升考核基准 风温允许范围：空气或氢气,开启式-200C-+500C,P 200MW空冷400C+-2,氢冷450C+-2,对大容量发电机维持进风温度稳定是为了控制铜铁温差,减少热应力2.次级冷却介质水温：开式5-330C,闭式循环380C,冷却器按此设计3.制造厂应提供初级冷却介质在允许运行范围内的出力以检查与拖动机的容量配匹是否满足要求4.若发电机用改变氢气压力、改变功率因数、设立峰值容量等方法来与拖动机的最大容量相配匹,需得到用户的同意,绝缘耐温等级与允许温度,1.绝缘耐温等级指按过去的运行经验或承认的对比试验，证明可按IEC标准规定的温升极限或最高温度可靠连续运行的等级。同步电机绝缘等级分为130（B）、155（F）、或180（H）。2.允许温度与温升指按IEC标准中规定的发电机相关部件允许的温度或温升,它与测温方法、测温元件埋置位置、不同绝缘等级、通风结构等有关。大型发电机一般都降一级考核,如F级按B级考核,这不是提高出力留的裕度,而是确保运行安全的必要裕度。3.发电机不可能按现场环境逐一对应设计,而是依照典型环境条件作标准设计(进风温度为400C)。如有特殊要求可采用系列中上一挡容量来满足,发电机的设计寿命,发电机设计寿命取决於温升、温差、应力和工作制,除非另有规定,否则规定如下：1.燃气轮发电机每年起动允许500次,设计寿命为20年2.可调峰运行(包括两班制)发电机,寿命期内允许起动10000次,设计寿命为30年。3.基本负载发电机,允许起动3000次,设计寿命为40年。4.核电发电机带基本负荷,寿命期内允许起动3000次,设计寿命为60年。无论那种工作制的发电机,在寿命期内根据寿命评估可有计划地更换定、转子绕组等关键部件,以保证发电机在寿命期内的可靠运行。,运行期间电压频率变化,空载过励磁曲线,出力曲线和效率曲线,发电机V型曲线,发电机负载与氢气冷却器进水温度、氢气压力关系曲线,配燃机发电机出力曲线,几点提示,1.氢内泠却发电机不能在空气下带负荷运行,空转或co2下的转速不能超过50%额定转速2.发电机加载或卸载速率由拖动机决定3.冷却器初次通水时需注意排除管内空气，若冷却器有并联水路需注意各水路的流量平衡4.打开氢冷电机前需确认置换巳完成,供氢、供co2管路与发电机已隔离，机内巳经是大气压力5.集电环投运前与碳刷要预磨合,电刷种类和电密要合适,调整时应注意各碳刷间电流的均衡性及火花情况6.氢水冷却发电机长期停运又不抽转子时应进行如下保养：定子绕组水系统通500c水、水质不变继续循环。机内充0.01MP空气增压,油密封系统正常运行。每周将转子旋转900。空冷发电机长期仃机应打开加热器。,发电机监测参数项目表,发电机监测参数项目表,发电机监测参数项目表（续）,三.非额定运行,非额定运行规定见JB/T 10499定义和区分：在设计范围内的进相运行、不平衡负荷、调峰运行应属于正常运行范畴。失步振荡、失磁运行、频率异常运行属于应避免而又不可能完全排除的非正常运行状态。,我国避免电网大仃电的经验,全世界至今共发生过23次失去功率800万KW的大仃电其中2003年8月14日美加大仃电损失功率70000MW尤为引人深思。中国电力系统安全稳定导則 规定的三道防线：当线路故障跳闸引起负荷转移时，从保护/稳控技术和无功功率储备上避免连锁跳闸，使系统难以失稳；即使失稳时，全部线路和绝大多数发电机的继电保护都不应也不会连锁跳闸，系统都会在短时内恢复同步运行，避免出现大停电。所以，近三十年来中国（除台湾一次外）都完全防止了重大停电。我国电网结构中跨区联网采用直流输电，发展先进的快速单相重合闸技术分区分层无功供应平衡对电网稳定作出了很大贡献。,需要我们了解的知识,发电机是电网的动力源，要保证电网安全和设备安全，还要保证经济运行（获取最大经济效益），要知道我们能做什么？还要了解发电机能做什么？经济效益要服从安全问题。造价和安全、节能环保低碳和安全，最好双赢，当不能兼得时，安全稳定更重要。安全分清主次，在考虑电网和设备安全问题上，要兼顾还要有所舍弃。电网安全更重要，如机组振荡立即跳机保机组，电网就可能崩溃。预先做好决策规划，做好事故预案，这是我们能做的。,89,发电机的性能,发电机应对电网扰动的能力1、小扰动时发电机有动态稳定能力2、承担三相不平衡负荷的能力A）暂态故障能力突发事故承受能力B）稳态运行能力非正常运行方式3、增减有功负荷（汽轮机增减输出）4、调整无功和电压支撑（增减励磁）5、突然短路能力,90,发电机组自身的局限,耐振荡能力：机组越大能力越小调节无功能力：受到系统和厂用电压以及发电机静稳能力、端部发热等的制约承担负序能力：转子表面过热不论暂态还是稳态短路电流能力：机组越大相对能力越小（标幺值）,91,失磁异步运行的有关规定,汽轮发电机失磁异步运行的能力及限制，很大程度上与电网容量、机组容量、有否特殊设计等有关。通常发电机的设计本身允许作短时失磁异步运行：对间接冷却的发电机在定子电压接近额定值时，可带到0.6倍的额定有功功率，此时定子电流不超过1.01.1倍额定值，失磁异步运行不超过20min；直接冷却的300MW及以下发电机组可以在失磁后60s内减负荷至额定有功功率的60，90s内降至40，在额定定子电压下带0.4倍额定有功，定子电流不超过1.01.1倍时，发电机总的失磁运行时间不超过15min。600MW及以上机组的允许运行时间和减负荷方式由用户与制造厂协商决定。水轮发电机一般不宜失磁运行。,92,发电机失磁异步运行的安全限制条件,发电机在具备如下条件时通常可以进入短时异步运行：电网有足够的无功容量维持合理的电压水平；机组能迅速减少负荷（应自动进行）到允许水平；发电机带的厂用供电系统可以自动切换到另一个电源，如果在规定的短时运行时间内不能恢复励磁，则机组应当与系统解列；失磁后是立即解列还是允许机组快速减负荷并短时运行，应当根据电网和机组的实际情况综合考虑。电网调度机构应当与电厂就具体机组失磁后可能的运行方式达成协议。,93,汽轮发电机耐振荡能力,振荡基本概念当发电机带励磁失步时，失步表示转速离开额定值，带励磁表示发电机发出有功和无功，但电流偏离50Hz，电网还是50Hz，等于两个不同频率正弦函数相加，先从数学上看看变成什么函数：发出电流频率与电网不同的结果是产生差拍振荡，电流幅值等于原电流的两倍，振荡频率等于两个正弦函数频率之差。,94,发电机E,电力系统U,当发电机E频率与电力系统U频率不等时，产生差拍振荡。振荡UmaxEU，振荡UminEU，振荡的频率ffEfU的差值。振荡电流最大值：Imax=(EU)/z振荡电流最小值：Imin=(EU)/z例如：当频率差为1时（如5049），振荡频率就是1Hz，即每秒钟一次。特征明显。,95,失稳振荡保护原则,振荡的危害1发电机端部松动,电流超额定值，即振荡期间有电流冲击，而绕组端部的受力与电流的平方成正比，若电流小于70的三相短路电流，最大受力就小于三相短路时的1/2，仍可能破坏发电机绕组端部的紧固性。正常运行时定子绕组端部处于长期的100Hz振动力作用下，若因过流冲击产生结构松弛，固有频率也会随之改变，可能出现共振，即使没形成整体共振，松弛现象也必然逐渐加重，最后是绝缘磨损和短路接地。,97,振荡的危害2对转子轴的伤害,振荡时发电机发出的有功功率呈周期性变化，其最大值可达额定值的2倍，即转子大轴上产生周期性过负荷的扭转应力变化，这种周期性应力变化的影响在金属材料上是累积的，可以造成金属材料的寿命损失，积累到一定程度就产生金属疲劳断裂。研究表明：汽轮发电机承受振荡的能力，主要由转子大轴轴系寿命损失的程度决定。所以在制定有关发电机运行的标准时，限制条件是轴系的规定。,98,为什么大机组的问题更严重,发电机容量越大，额定电流越大。电流产生的电磁力大小与电流的平方成正比关系，电流大产生的机械力冲击就更大得多，而汽轮发电机受转子离心力限制，转轴直径不能无限继续增大，转轴的强度也就不能随机组增大而增加，就使大机组耐振荡能力较弱。更易于在振荡之后产生大轴断裂问题。单机容量占电网容量的比重越大，振荡对电网其他机组的冲击也越大。处理不当更可能造成连锁反应。,99,振荡电流造成的发电机附加发热问题,发电机定子允许过流公式：容量在1200MVA及以下，电机允许的过电流时间与过电流倍数以下式表示：（I2-1）t=37.5s研究表明：设发电机变压器组高压侧短路电流约为额定电流的2.5倍，如果振荡电流幅值等于高压侧短路电流，则定子绕组发热允许时间为17.6秒。即持续十几秒的振荡造成的绕组过热在允许值内。,100,振荡的应对措施,300MW及以上大机组需要限制带励磁失步的时间，通常用振荡周期考核，目前规定在振荡电流低于三相短路电流的70以下时，允许振荡520个振荡周期，要求制造厂提供此判据，主要依据是轴系的强度设计。有时需要进行计算机的仿真计算。当振荡起因为发变组内部故障时，应立即与电网解列，即清除振荡源，保机组也保电网。延迟几个振荡周期是为保电网，机组则承担有限损失。,101,频率异常,频率异常是电网的常见故障。电能主要指标：电压、波形、频率国内外多次电网崩溃事故与发电机与电网之间的频率不一致引起。1999年夏季台湾全岛大停电是典型事故。南北负荷和电源分布差异。当连接线断了以后，电源区域负荷不足电网频率过高只能甩一些发电机；而负荷区域失去足够电压支撑只能“低周减载”，结果是崩溃。频率异常问题是网机协调关系既要保电网又要保设备的典型问题。目前研究比较成熟，有结论性意见。,102,续,发电机组频率异常的影响,同步发电机本身对频率的适应性很宽，偏离额定值使运行效率下降，但短期的偏离不足以威胁设备安全。美国的电力系统采用60Hz工频，我国为50Hz工频，在引进美国大型发电机制造技术时，初期的300MW和600MW汽轮发电机建立在60Hz基础上。长期偏离额定频率运行属非标准设计，可能出问题。山东石横电厂330MW全氢冷汽轮发电机是引进西屋技术第一台机，运行中引线因共振过大造成疲劳断裂。专家分析是原机可以避开60Hz电流系统的共振，但50Hz没有避开。经查国际上同样情况的多台发电机均出事。偏离额定频率短时运行的限制因素在于汽轮机末级叶片，必须避免叶片产生谐振。,105,频率异常允许运行时间,106,对频率异常允许运行时间的说明,耐频率异常能力由汽轮机而不是发电机决定。汽轮机的问题集中在末级叶片的固有频率，每台汽轮机取决于设计要求，不可能一致。由于产生的是机械方面的影响，效果是累积的，故规定了每种频率范围下每次允许时间，还要规定累计时间。上表产生基础：美国西部大电网大停电事故以后，西北系统协调委员会（WSCC)、北美电力可靠性委员会（NERC),IEEE,CIGRE和EPRI等组织进行了大量网机关系问题研究，其中防止频率异常造成电网事故的研究结果。,107,对频率异常运行的有关规定,已经形成标准，如：DL/T 970-2005大型汽轮发电机非正常和特殊运行及维护导则JB/T10499-2005透平型发电机非正常运行工况设计和应用导则因为涉及制造，故适用大型（300MW以上）新机组。发电机应装设低频保护，保护动作于信号并有低频累计时间显示。低频保护的跳闸设定应与制造厂协商并符合相关标准。运行中措施是调度和运行人员在管理层面的，如紧急情况下的低周减载。,108,四.发电机经济运行,氢气纯度对发电机效率的影响氢气纯度下降则气体密度增加，可引起通风损耗增加，即发电机的效率下降，最终使得电厂的经济利益受到一定影响。当氢气纯度从额定值下降一个很小的百分数时，对发电机的安全性应不存在任何不利影响，但对经济性的影响则是不可忽视的。国外有详细的分析研究，对维持高纯度氢气运行的要求非常迫切。,国外发电机的分析研究实例,氢气纯度下降引起发电机风摩损耗增加的关系曲线，kW,氢气纯度，,国内600MW发电机的情况,从图中曲线可以得出800MW和400MW发电机的风摩损耗与纯度的关系：800MW发电机，纯度下降1，损耗增加366kW400MW发电机，纯度下降1，损耗增加107kW很容易得出600MW发电机风摩损耗与纯度的关系：600MW发电机纯度下降1，损耗增加240kW按照国外文献的算法，纯度从额定的98下降到95，下降3，燃料消耗不变但发电机损耗增加了720kW按kWh电力0.3元上网电价计算，一台机组年运行6000h，氢气纯度上的节能潜力约为130万元。,氢气纯度与电厂的经济效益直接挂钩,电厂通常有多台600MW发电机，如果氢气纯度都常年在9596%运行，与99纯度比较，差了34，损失电功率完全是在不知不觉之中失去的，很容易被人们忽略。计算取年运行6000h是理想数据，2008年中电联统计显示，600MW及以上机组平均年运行小时数不到5000h，上网电价各地区也差异很大，因此上面计算的经济效益数不准，但可以肯定说绝不是个小数目。目前我国在运行的600MW发电机组约有350台，能够长期保持氢气纯度在98%以上的是少数。按平均每台机每年损失100万元计算，全国每年为此损失约3.5亿元。,发电机负荷偏离额定值运行使效率变低,发电机的设计原则是最大运行效率点处于额定值上：额定氢气压力（影响散热）、额定氢气纯度（影响散热）、额定电压（决定铁心损耗大小）、额定电流（决定铜损大小），额定功率因数等，任一个参数偏离额定值就不再是设备说明书中的效率值了（600MW发电机通常为98.94)。600MW发电机负荷50%比80%的损耗大420kw。电机设计理论：效率随负荷变化的曲线为抛物线，抛物线的顶点处于铜损铁损时，铁损称为不变损耗。铜损I2R，与电流的平方成正比，负荷总在变化，所以是可变损耗。低负荷下电流明显减小，效率也明显下降。汽车有个经济速度，发电机也有个经济运行范围。低负荷时效率较低。,如何做到发电机的经济运行,尽可能接近额定条件，额定功率运行，特别是氢气压力、氢气纯度应接近额定值不允许低氢压运行，即使空载、轻载也不行，目前没有实时测温手段，低氢压很容易使转子绕组过热。定子水内冷水量应随负荷自动调节，氢气冷却器水量应随冷却器进水温度自动调节,这样控制由铜铁温差起的应力和损坏,对减少维修延长寿命是重要的一台600MW若带负荷50%、氢气纯度95%运行一年，按kWh电力0.3元上网电价计算，年运行6000h，节能潜力约为205万元，经济利益是十分可观的。榔,五.常见故障分类定子常见故障分析,读,转子常见故障分析,续,辅助系统常见故障分析,续,六.发电机继电保护和自动装置,1.发电机继电保护和自动装置按GB/T14285执行，该标准规定了发电机、变压器、电动机、断路器、线路、电力电容器、并联电抗器、直流输电系的保护要求。2.继电保护整定计算按DL/T884执行。3.安全自动装置有自动重合闸、备用电源自动投入、自动切负荷、自动调节励磁、低频低压自动减负荷、自动解列等装置4.保护策略：分开保护，及时切割，事先规划，统一指挥,继电保护一般要求,发电机保护,发电机典型保护(续),七.运行中各种异常情况和检查,发电机是十分复杂的现代化装备，是知识密集型的典型设备，一旦发生各种异常情况需要检查些什么？作些什么？找出可能原因并迅速采取措施加以纠正是十分重要且急迫的事。诊断技术和专家系统旨在数据库基础上，迅速调集宝贵经验为解决问题提供思路。以下13个表格是国内外专家对大量故障分析处理分析后得到的启示,值得认真参考。,发电机转子振动大,转子失磁,励磁系统强励报警,发电机过励,发电机差动动作,发电机接地保护,定子绕组高温报警（埋置检测计和线棒出水）,直接冷却冷却介质出口温度高于报警值,发电机液位探测器报警,冷氢温度高（冷却器出口）,发电机内有异声,发电机内有黄粉,机内气体湿度大,八.安全警示,1、GB7064附录D 氢冷隐极同步电机的安全措施,避免氢爆。2、为防止I22t超标引起的损坏，必须装负序保护,I2t从100%到200%会引起不同程度损坏，超过200%会导致转子严重损坏。3、同步合闸：开关闭合角10电压差0%到+5%，频率偏差0.067Hz，超过此值称误同期。尤其是180或120误同期，其电流和扭矩会超过三相短路时数值，误同期后对发电机要停机检查。4、盘车时发生机端合闸，必须停机彻底检查发电机，尤其是定子绕组和转子，为避免以后由振动引起的进一步损坏，应消除任何紧固件或填充物的松驰。同时检查联轴器变形和轴平衡可能发生的变化。5、当输电网上装有串联补偿装置时，对发电机应装次同步振荡(SSR)保护。6、对600MW及以上大容量发电机不允许失励运行,失励应立即跳闸。,谢谢大家，出席听讲,