談文 孫柏榮

（中國十七冶集團(tuán)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(jī)組的電氣構(gòu)成、相關(guān)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(yīng)的解決措施，確保發(fā)電機(jī)組的安全并網(wǎng)，對其他類似工程具有借鑒和參考意義。

關(guān) 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(jī)做功，將其轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，驅(qū)動發(fā)電機(jī)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(rèn)的節(jié)能環(huán)保裝置。本文從TRT發(fā)電機(jī)組的電氣構(gòu)成以及相關(guān)電氣試驗淺析其并網(wǎng)技術(shù)。

1   TRT發(fā)電機(jī)組的電氣構(gòu)成

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

2   TRT發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)的相關(guān)試驗

2.1 自動準(zhǔn)同期裝置的校驗

自動準(zhǔn)同期裝置設(shè)置了電壓差、頻率差、相角差、導(dǎo)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(jī)的電壓和頻率都由自動準(zhǔn)同期裝置自動調(diào)節(jié)，當(dāng)滿足并列條件時，自動選擇合適時機(jī)發(fā)出合閘信號。自動準(zhǔn)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(dāng)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(jī)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(dǎo)前時間，其值應(yīng)該小于等于整定值。

2.2 發(fā)電機(jī)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(shè)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(yīng)在發(fā)電機(jī)空載特性試驗前完成。

定相試驗的方法：將發(fā)電機(jī)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(luò)柜開關(guān)。檢查系統(tǒng)側(cè)PT二次電壓應(yīng)正常，相序應(yīng)為順相序。將發(fā)電機(jī)PT、勵磁柜PT推至工作位置，合上并網(wǎng)柜開關(guān)，檢查發(fā)電機(jī)PT、勵磁柜PT二次電壓，正常后，在系統(tǒng)側(cè)PT與發(fā)電機(jī)PT、勵磁柜PT二次之間進(jìn)行核相，同名相壓差為0，異名相壓差為100V左右，就可以認(rèn)為該系統(tǒng)相位是一致的。將所有的高壓開關(guān)分閘，并拉出至試驗位置，高壓電纜恢復(fù)接上，PT定相完成。

2.2.2 核相

由于發(fā)電機(jī)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(jī)PT在啟動時無需與電網(wǎng)核相，只需通過發(fā)電機(jī)開路試驗，驗證發(fā)電機(jī)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(jī)空載試驗同步進(jìn)行。

2.3 發(fā)電機(jī)空載特性試驗

發(fā)電機(jī)空載特性是指發(fā)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速條件下，不接負(fù)載時，電樞電流為零。此時電機(jī)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(jī)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(guān)系稱為同步發(fā)電機(jī)的空載特性。它們之間的關(guān)系曲線稱為空載特性曲線（見圖2），發(fā)電機(jī)空載特性試驗的步驟及試驗方法如下。

（1）發(fā)電機(jī)斷路器處于試驗位置，并且處于分?jǐn)酄顟B(tài)。發(fā)電機(jī)的繼電保護(hù)裝置應(yīng)全部投入運行。發(fā)電機(jī)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(dāng)透平機(jī)啟動條件具備后，啟動透平機(jī)，慢慢升速。

（3）當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)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(guān)，然后逐步增大勵磁電流，此時，機(jī)端電壓也隨著增高，直至機(jī)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(jī)端電壓和勵磁電流，以及所對應(yīng)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(jī)端電壓和勵磁電流，以及所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)勵磁電流降到零時，應(yīng)讀取發(fā)電機(jī)的剩磁電壓值。

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

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

（7）檢查發(fā)電機(jī)的相序，應(yīng)為順相序。

2.4 發(fā)電機(jī)短路試驗

進(jìn)行短路試驗的目的在于檢驗短路特性曲線的線性關(guān)系是否滿足設(shè)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(jī)的同步電抗；同時利用短路電流檢驗二次電流相量關(guān)系的正確性。

2.4.1 發(fā)電機(jī)短路試驗的步驟及方法

（1） 發(fā)電機(jī)斷路器處于試驗位置，并且處于分?jǐn)酄顟B(tài)。發(fā)電機(jī)的繼電保護(hù)裝置應(yīng)部分投入運行。發(fā)電機(jī)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(guān)系的正確性，短路點應(yīng)選擇在發(fā)電機(jī)出口，電流互感器（CurrentTransformer，簡稱CT）后。短路母線應(yīng)采用與發(fā)電機(jī)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(biāo)準(zhǔn)對短路連接質(zhì)量進(jìn)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(dāng)透平機(jī)啟動條件具備后，啟動透平機(jī)，慢慢升速。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)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(guān)，然后逐漸增大勵磁電流，此時機(jī)端電壓為0，而機(jī)端電流慢慢增大，當(dāng)機(jī)端電流達(dá)到0.2～0.3倍的額定電流時，應(yīng)在繼電保護(hù)裝置里查看二次電流相量關(guān)系，正確后再繼續(xù)增大勵磁電流，直至機(jī)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(jī)端電流和勵磁電流，以及所對應(yīng)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(guān)。降低透平機(jī)轉(zhuǎn)速，直至發(fā)電機(jī)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(jī)定子和轉(zhuǎn)子進(jìn)行絕緣電阻校驗，以便進(jìn)行發(fā)電機(jī)組下階段試驗。

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

2.4.2 發(fā)電機(jī)同步電抗的確定

發(fā)電機(jī)同步電抗是表征發(fā)電機(jī)靜態(tài)穩(wěn)定度的一個重要參數(shù)，可以利用發(fā)電機(jī)空載特性曲線和短路特性曲線確定（見圖3）。發(fā)電機(jī)同步電抗大（氣隙?。⒙?lián)運行時發(fā)電機(jī)穩(wěn)定度較差，但電機(jī)造價低；同步電抗?。庀洞螅?，并聯(lián)運行時發(fā)電機(jī)穩(wěn)定度較好，但電機(jī)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(biāo)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(yīng)的短路電流I_k和對應(yīng)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(yīng)為先從空載特性曲線中求得對應(yīng)于發(fā)電機(jī)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(yīng)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(jī)額定電壓。

3   發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)

發(fā)電機(jī)并網(wǎng)主要是為了提高電能供應(yīng)的可靠性，提高系統(tǒng)的運行效率。為了使發(fā)動機(jī)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(jī)并網(wǎng)提出了條件和技術(shù)要求。隨著自動準(zhǔn)同期技術(shù)的發(fā)展，發(fā)電機(jī)并網(wǎng)一般多采用自動準(zhǔn)同期和手動準(zhǔn)同期兩種方式。

3.1 發(fā)電機(jī)并聯(lián)運行的條件

（1）電壓相等：待并發(fā)電機(jī)電壓與電網(wǎng)電壓相等。實際操作時，待并發(fā)電機(jī)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(jī)的頻率應(yīng)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(jī)電壓相位應(yīng)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(jī)相位與電網(wǎng)相位相差±10～15度以內(nèi)。

3.2 發(fā)電機(jī)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(zhǔn)同期及自動準(zhǔn)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(zhǔn)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(jī)沖轉(zhuǎn)并穩(wěn)定在3000r/min，手動投勵，使發(fā)電機(jī)電壓穩(wěn)步上升，通過調(diào)節(jié)勵磁使發(fā)電機(jī)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(guān)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(jī)的勵磁和轉(zhuǎn)速，當(dāng)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(zhǔn)同期的假并網(wǎng)試驗完成。

自動準(zhǔn)同期的假并網(wǎng)試驗方法基本與手動準(zhǔn)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(jī)沖轉(zhuǎn)并穩(wěn)定在3000r/min，手動投勵，使發(fā)電機(jī)電壓穩(wěn)步上升，通過調(diào)節(jié)勵磁使發(fā)電機(jī)電壓基本與系統(tǒng)側(cè)電壓一致。轉(zhuǎn)換開關(guān)打到自動，啟動自動準(zhǔn)同期裝置，自動準(zhǔn)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(jī)的勵磁和轉(zhuǎn)速。當(dāng)電壓差、頻率差及相角差符合整定值時，自動準(zhǔn)同期裝置自動選擇合適時機(jī)發(fā)出合閘信號合上并網(wǎng)柜斷路器。自動準(zhǔn)同期的假并網(wǎng)試驗完成。

3.2.2 發(fā)電機(jī)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(jìn)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(yīng)用，取得了很好的效果，確保了TRT發(fā)電機(jī)組的安全并網(wǎng)。