談文 孫柏榮

（中國十七冶集團有限公司 安徽馬鞍山 243000）

摘 要：本文分析和總結(jié)了高爐煤氣余壓透平發(fā)電機組的電氣構(gòu)成、相關電氣試驗及其并網(wǎng)技術(shù)，并在調(diào)試及并網(wǎng)中出現(xiàn)的一些問題提出了相應的解決措施，確保發(fā)電機組的安全并網(wǎng)，對其他類似工程具有借鑒和參考意義。

關 鍵 詞：高爐煤氣余壓透平發(fā)電裝置 電氣試驗 并網(wǎng) 二次能源

高爐煤氣余壓透平發(fā)電裝置（Blast Furnace Top Gas RecoveryTurbine Unit，以下簡稱TRT）是利用高爐冶煉的副產(chǎn)品——高爐爐頂煤氣具有的壓力能及熱能，使煤氣通過透平膨脹機做功，將其轉(zhuǎn)化為機械能，驅(qū)動發(fā)電機或其他裝置發(fā)電的一種二次能源回收裝置。該裝置既回收減壓閥組泄放的能量，又凈化煤氣、降低噪音、穩(wěn)定爐頂壓力，改善高爐生產(chǎn)的條件，不產(chǎn)生任何污染，可實現(xiàn)無公害發(fā)電，是現(xiàn)代鋼鐵企業(yè)公認的節(jié)能環(huán)保裝置。本文從TRT發(fā)電機組的電氣構(gòu)成以及相關電氣試驗淺析其并網(wǎng)技術(shù)。

1   TRT發(fā)電機組的電氣構(gòu)成

TRT發(fā)電機組的電氣系統(tǒng)主要由原動機（透平機）、三相交流同步發(fā)電機、勵磁機、高壓系統(tǒng)、發(fā)電機控制系統(tǒng)、發(fā)電機并網(wǎng)系統(tǒng)等組成（見圖1）。

2   TRT發(fā)電機組并網(wǎng)的相關試驗

2.1 自動準同期裝置的校驗

自動準同期裝置設置了電壓差、頻率差、相角差、導前時間等參數(shù)和電壓控制單元、頻率控制單元和合閘信號控制單元，待并網(wǎng)發(fā)電機的電壓和頻率都由自動準同期裝置自動調(diào)節(jié)，當滿足并列條件時，自動選擇合適時機發(fā)出合閘信號。自動準同期裝置的校驗方法主要有兩種。

（1）同期裝置的試驗接線：同期裝置的系統(tǒng)側(cè)電壓輸入端接測試儀VA，待并側(cè)電壓輸入端接測試儀VB，增頻率接測試儀開入G，減頻率接測試儀開入H，增電壓接測試儀開入E，減電壓接測試儀開入F，出口動作接點接測試儀開入A。

（2）同期裝置的試驗方法：首先在同期裝置的系統(tǒng)側(cè)電壓輸入端加入100V、50Hz的交流電壓，在待并側(cè)電壓輸入端加入低于或高于整定值的電壓。按下試驗按鈕，并啟動同期裝置。當測試儀接收到同期裝置發(fā)出的調(diào)速和調(diào)壓脈沖時，測試儀按調(diào)壓或調(diào)頻脈寬以及給定的調(diào)節(jié)速率，增減電壓和頻率，直到同期裝置發(fā)出合閘信號。測試儀接收到合閘信號的瞬圖1 TRT發(fā)電機組一次系統(tǒng)圖間記錄下待并側(cè)與系統(tǒng)側(cè)的壓差、頻差、相位差及導前時間，其值應該小于等于整定值。

2.2 發(fā)電機的核相

2.2.1 電壓互感器（Potential transformer簡稱PT）定相

定相就是用同一電源將裝有待定PT的設備充電后，在二次側(cè)檢驗所有待定PT相位是否一致。定相試驗應在發(fā)電機空載特性試驗前完成。

定相試驗的方法：將發(fā)電機的高壓電纜從高壓柜上拆除，將系統(tǒng)側(cè)PT推至工作位置，合上系統(tǒng)聯(lián)絡柜開關。檢查系統(tǒng)側(cè)PT二次電壓應正常，相序應為順相序。將發(fā)電機PT、勵磁柜PT推至工作位置，合上并網(wǎng)柜開關，檢查發(fā)電機PT、勵磁柜PT二次電壓，正常后，在系統(tǒng)側(cè)PT與發(fā)電機PT、勵磁柜PT二次之間進行核相，同名相壓差為0，異名相壓差為100V左右，就可以認為該系統(tǒng)相位是一致的。將所有的高壓開關分閘，并拉出至試驗位置，高壓電纜恢復接上，PT定相完成。

2.2.2 核相

由于發(fā)電機是三相旋轉(zhuǎn)的獨立電源，并網(wǎng)前和電網(wǎng)屬于不同的系統(tǒng)，因而發(fā)電機PT在啟動時無需與電網(wǎng)核相，只需通過發(fā)電機開路試驗，驗證發(fā)電機所有PT與系統(tǒng)側(cè)PT的相位一致即可。核相試驗可與發(fā)電機空載試驗同步進行。

2.3 發(fā)電機空載特性試驗

發(fā)電機空載特性是指發(fā)電機在額定轉(zhuǎn)速條件下，不接負載時，電樞電流為零。此時電機定子的三相繞組只有勵磁電流I_f感生出的空載電動勢E ₀（三相對稱），其大小隨I_f 的增大而增加。但是，由于電機磁路鐵心有飽和現(xiàn)象，所以兩者不成正比。反映空載電動勢E ₀與勵磁電流I_f關系稱為同步發(fā)電機的空載特性。它們之間的關系曲線稱為空載特性曲線（見圖2），發(fā)電機空載特性試驗的步驟及試驗方法如下。

（1）發(fā)電機斷路器處于試驗位置，并且處于分斷狀態(tài)。發(fā)電機的繼電保護裝置應全部投入運行。發(fā)電機側(cè)PT、勵磁柜PT處于工作位置。

（2）密切注意高爐爐頂壓力。當透平機啟動條件具備后，啟動透平機，慢慢升速。

（3）當發(fā)電機轉(zhuǎn)速達到額定轉(zhuǎn)速3000r/min，并基本保持不變時，把勵磁裝置打到手動電壓調(diào)節(jié)狀態(tài)，合上勵磁開關，然后逐步增大勵磁電流，此時，機端電壓也隨著增高，直至機端電壓升高到額定電壓的1.25倍左右。在增大勵磁電流的過程中，要在其間選取9～10點，并記錄下機端電壓和勵磁電流，以及所對應的轉(zhuǎn)速（注意，取點范圍最好是0.3、0.5、0.7、0.8、0.9、0.95、1.0、1.05、1.1、1.25倍的額定電壓，在額定電壓值附近要多取幾個點）。

（4）減小勵磁電流，直至勵磁電流到零為止，在其間選取9～10點，記錄下機端電壓和勵磁電流，以及所對應的轉(zhuǎn)速，當勵磁電流降到零時，應讀取發(fā)電機的剩磁電壓值。

（5）根據(jù)記錄下的機端電壓和勵磁電流，繪制出發(fā)電機的空載特性曲線。

（6）繪制好的發(fā)電機空載特性曲線與上面的空載特性曲線圖或廠家的隨機資料相比較無明顯的區(qū)別，則說明發(fā)電機的設計與制造沒有明顯缺陷，反之則說明該電機的磁路過于飽和或者材料沒有充分利用。

（7）檢查發(fā)電機的相序，應為順相序。

2.4 發(fā)電機短路試驗

進行短路試驗的目的在于檢驗短路特性曲線的線性關系是否滿足設計的要求；利用試驗測得的空載特性曲線和短路特性曲線計算出發(fā)電機的同步電抗；同時利用短路電流檢驗二次電流相量關系的正確性。

2.4.1 發(fā)電機短路試驗的步驟及方法

（1） 發(fā)電機斷路器處于試驗位置，并且處于分斷狀態(tài)。發(fā)電機的繼電保護裝置應部分投入運行。發(fā)電機側(cè)PT、勵磁柜PT處于工作位置。

（2）安裝三相短路母排。為方便定子電流的測量以及檢驗二次電流相量關系的正確性，短路點應選擇在發(fā)電機出口，電流互感器（CurrentTransformer，簡稱CT）后。短路母線應采用與發(fā)電機出口母線一致或硬質(zhì)銅母排，連接方式可以采用螺栓連接或螺栓夾連，在試驗前按母排連接標準對短路連接質(zhì)量進行檢查，防止大電流燒傷母排。

（3） 聯(lián)系高爐，密切注意高爐爐頂壓力。當透平機啟動條件具備后，啟動透平機，慢慢升速。當發(fā)電機轉(zhuǎn)速達到額定轉(zhuǎn)速3000r/min，并基本保持不變時，把勵磁裝置打到手動電壓調(diào)節(jié)狀態(tài)，合上勵磁開關，然后逐漸增大勵磁電流，此時機端電壓為0，而機端電流慢慢增大，當機端電流達到0.2～0.3倍的額定電流時，應在繼電保護裝置里查看二次電流相量關系，正確后再繼續(xù)增大勵磁電流，直至機端電流升高到額定電流的1.2倍左右。在增大勵磁電流的過程中，要在其間選取幾個點，并記錄下機端電流和勵磁電流，以及所對應的轉(zhuǎn)速。

（4）減小勵磁電流，直至勵磁電流到零為止，跳開滅磁開關。降低透平機轉(zhuǎn)速，直至發(fā)電機轉(zhuǎn)速為0，然后拆除三相短路母排。

（5）短路試驗完成后，對發(fā)電機定子和轉(zhuǎn)子進行絕緣電阻校驗，以便進行發(fā)電機組下階段試驗。

（6）根據(jù)記錄下的機端電流和勵磁電流，繪制出發(fā)電機的短路特性曲線。

2.4.2 發(fā)電機同步電抗的確定

發(fā)電機同步電抗是表征發(fā)電機靜態(tài)穩(wěn)定度的一個重要參數(shù)，可以利用發(fā)電機空載特性曲線和短路特性曲線確定（見圖3）。發(fā)電機同步電抗大（氣隙?。?，并聯(lián)運行時發(fā)電機穩(wěn)定度較差，但電機造價低；同步電抗?。庀洞螅?，并聯(lián)運行時發(fā)電機穩(wěn)定度較好，但電機造價較高。

（1）將測得的空載特性和短路特性的數(shù)據(jù)繪制在同一坐標紙上，并作出氣隙線。

（2）選取一個固定的勵磁電流I_f，讀取對應的短路電流I_k和對應于氣隙線上的電勢E’₀。 則不飽和同步電抗X_d=E’₀ /I_k。

（ 3 ） 飽和同步電抗求取應為先從空載特性曲線中求得對應于發(fā)電機額定電壓U _N的勵磁電流I_f ，再從短路特性曲線中求得對應于勵磁電流I _f的短路電流I _{k N},則飽和同步電抗X_d=I_N/I_kN ，I_N為發(fā)電機額定電壓。

3   發(fā)電機的并網(wǎng)

發(fā)電機并網(wǎng)主要是為了提高電能供應的可靠性，提高系統(tǒng)的運行效率。為了使發(fā)動機在并聯(lián)運行時不在回路內(nèi)產(chǎn)生瞬態(tài)沖擊電流，這就對發(fā)電機并網(wǎng)提出了條件和技術(shù)要求。隨著自動準同期技術(shù)的發(fā)展，發(fā)電機并網(wǎng)一般多采用自動準同期和手動準同期兩種方式。

3.1 發(fā)電機并聯(lián)運行的條件

（1）電壓相等：待并發(fā)電機電壓與電網(wǎng)電壓相等。實際操作時，待并發(fā)電機電壓與電網(wǎng)電壓之差一般允許在±10％以內(nèi)。

（2）頻率相等：待并發(fā)電機的頻率應與電網(wǎng)頻率相等。實際操作時，一般允許誤差在±0.5Hz以內(nèi)。

（3）相位相等：待并發(fā)電機電壓相位應與電網(wǎng)電壓相位相同。實際并車操作時，一般允許待并發(fā)電機相位與電網(wǎng)相位相差±10～15度以內(nèi)。

3.2 發(fā)電機的并網(wǎng)步驟

3.2.1 假同期試驗

假同期試驗就是對斷路器手動準同期及自動準同期的合閘試驗，對同期裝置閉鎖功能的檢查，同時檢查整步表與自動準同期裝置的一致性。

假同期試驗的方法：將并網(wǎng)柜斷路器拉出至試驗位置，并短接控制回路的工作位置信號。發(fā)電機沖轉(zhuǎn)并穩(wěn)定在3000r/min，手動投勵，使發(fā)電機電壓穩(wěn)步上升，通過調(diào)節(jié)勵磁使發(fā)電機電壓基本與系統(tǒng)側(cè)電壓一致。投入同步檢查繼電器，轉(zhuǎn)換開關打到手動，整步表投入，根據(jù)整步表的指示手動調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁和轉(zhuǎn)速，當同步檢查繼電器觸點閉合，整步表的壓差、頻差及相角差指示基本為零時，手動合上并網(wǎng)柜斷路器。手動準同期的假并網(wǎng)試驗完成。

自動準同期的假并網(wǎng)試驗方法基本與手動準同期的假并網(wǎng)試驗方法一樣。將并網(wǎng)柜斷路器拉出至試驗位置，并短接控制回路的工作位置信號。發(fā)電機沖轉(zhuǎn)并穩(wěn)定在3000r/min，手動投勵，使發(fā)電機電壓穩(wěn)步上升，通過調(diào)節(jié)勵磁使發(fā)電機電壓基本與系統(tǒng)側(cè)電壓一致。轉(zhuǎn)換開關打到自動，啟動自動準同期裝置，自動準同期裝置根據(jù)兩側(cè)的電壓差、頻率差自動調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁和轉(zhuǎn)速。當電壓差、頻率差及相角差符合整定值時，自動準同期裝置自動選擇合適時機發(fā)出合閘信號合上并網(wǎng)柜斷路器。自動準同期的假并網(wǎng)試驗完成。

3.2.2 發(fā)電機并網(wǎng)

去掉控制回路的工作位置短接線，將并網(wǎng)柜斷路器推至工作位置，其余的方法與假同期試驗一樣。

4   結(jié)語

TRT不但能回收煤氣的余壓進行高效發(fā)電，而且還有效地解決了原調(diào)壓閥組減壓時產(chǎn)生的噪音污染和管道振動，極大地改善了高爐工作環(huán)境，降低安全生產(chǎn)隱患。本文所述的試驗及并網(wǎng)技術(shù)在江陰興澄鋼廠、常州中天鋼廠、馬鞍山長江鋼廠、張家港聯(lián)峰鋼廠等TRT項目中得到了廣泛應用，取得了很好的效果，確保了TRT發(fā)電機組的安全并網(wǎng)。