燃气—蒸汽联合循环发电机组电气系统的探讨

【摘要】：通过对燃气-蒸汽联合循环发电机组电气系统的介绍，结合燃气-蒸汽联合循环电厂设计实例，从工程实际应用角度对燃气-蒸汽联合循环发电机组电气系统设计提出优化建议。

关键词：燃气-蒸汽联合循环；发电机组；电气系统

0 引言

近年来，随着国家能源政策的调整和环境保护意识的增强，国家于2000年开始大幅度开发和利用天然气资源并用于电力领域。由于燃机-蒸汽联合循环机组相对于传统的火电机组，从布置形式到机组参数、配套设备选型等均有较大的差异，电气系统的设计也有很多值得研究和注意的问题。

1 燃气-蒸汽联合循环机组简介

1.1燃气-蒸汽联合循环机组的工作原理

燃气-蒸汽联合循环机组的工作原理为：天然气从燃料喷嘴喷入燃烧室，与燃烧室中的压缩空气混合燃烧，产生高温高压燃气，再进入透平膨胀做功，利用燃气轮机排气余热在余热锅炉中将水加热成高温高压的过热蒸汽，利用蒸汽在汽轮机中做功。

1.2燃气-蒸汽联合循环机组的分类

燃气轮机、蒸汽轮机、发电机、余热锅炉四种主要设备组成了燃气—蒸汽联合循环发电系统，实际上这四种设备的组合布置有多种方式，但主要的分类方式是按轴系布置来分，一种是多轴布置方案，一种是单轴布置方案。

所谓多轴即燃气轮机带动一台发电机，蒸汽轮机带动一台发电机，各自一个轴系，在电厂建设时，只要燃气轮机机组安装完毕即可发电（不必等到锅炉与蒸汽轮机安装完毕），蒸汽轮机检修时燃气轮机仍可发电，系统启动快，燃气轮机可先启动发电（不必等到锅炉里的水加热成蒸汽），在我国20万千瓦以下的燃气—蒸汽联合循环发电机组多数采用多轴布置。

单轴布置系统为燃气轮机、蒸汽轮机、发电机串联在一根轴上，共用一台发电机发电。由于一套单轴系统只有一台发电机与相关电气设备，可节省设备费用，减少厂房面积，系统调控相对简单，目前30万千瓦以上的燃气—蒸汽联合循环发电机组多数采用单轴布置。

2. 燃气-蒸汽联合循环发电机组电气系统

2.1 燃气轮机组启动方式

燃气轮机组启动是指燃气轮机组从静止（盘车）状态至机组到达一定转速的过程，即将燃气轮机和发电机的转子加速到自持的速度，自持的速度也就是燃气轮机能够产生足够的动能带动它继续加速运行，到达机组要求的额定转速。

由于燃气轮机组的特点，启动方式可分为机械式启动和电气式启动。机械式启动主要采用同轴外加一启动电机来拖动整个机组的启动；电气式启动主要是采用变频方式将燃气轮发电机作为启动电机来实现整个机组的启动。

外加启动电机方式适用于E级燃机，通常是6kV电动机，电源取自厂用6kV段；变频启动方式适用于F级燃机，由于F级燃机机组本身的轴功率太大，外配启动电机已不可能，采用大功率变频装置是唯一的办法。

2.2 F级燃气-蒸汽联合循环发电机组电气系统介绍

由于F级燃气-蒸汽联合循环发电机组热效率更高，发电机组容量更大，因此应用前景更广阔，以下仅对F级燃气-蒸汽联合循环发电机组的电气系统做阐述。

2.2.1静止变频启动装置（SFC）

M701F型燃机的启动是通过把发电机作交流同步电动机使用，用一套静止变频装置（简称SFC）作为启动装置，SFC把频率可调的交变电流加到发电机定子上，使发电机变成调频调速电动机方式转动起来，同轴带动燃气轮机启动，加到定子上的是经变频器变频后的交流电，使得启动过程按照预先设定的速率加速上升。整个启动过程发电机的转子都由机组所配套的励磁装置施加有一定的励磁电流，其电流的大小与SFC装置配合，其励磁装置的工作方式由SFC控制。机组在静态变频装置（SFC）的带动下升速，当转速升到750 r.p.m时，燃气机组进行吹扫、清洗。完成吹扫、清洗后转速降到510 r.p.m时，程序控制启动点火系统，点燃点火气体，点着火后，燃气燃烧产生的热能经透平转化为动能，同SFC一起推动机组继续升速直到转速到达2000 r.p.m。此后，热力透平输出的功率已经可以维持机组的转动及产生动力来继续升速或发电了，SFC退出运行。在机组到达2000 r.p.m后SFC退出，调速器投入，对转速进行调节，使机组平滑到达同期转速3000 r.p.m。随后，起励装置投入，机组发电机开始产生输出电压，同期控制器投入，当同期条件（电压，频率，相角）满足后，合上同期并网开关，机组开始发电运行，启动过程完成。

SFC静止变频启动装置由变压器、DC电抗器、整流器、逆变器组成，为了减少由于可控硅元件产生的谐波对6kV厂用电系统的影响配置谐波滤波器。

2.2.2励磁系统

机组采用发电机出口断路器来实现机组的并网。为此，励磁系统接线方式需满足整个发电机电气系统接线要求，东汽M701F型机组在励磁系统设计选型时采用了自并励接线方式，同时又考虑SFC启动期间的励磁方式，所以在常规的自并励的方式下增设了一个专用于SFC启动的励磁启动盘。

励磁系统在启动期间采用他励方式接线和运行，在完成启动后需采用自并励接线和运行，其方式的转换是自动完成的。

励磁启动盘的作用是在SFC运行期间和正常发电期间为励磁系统提供不同的励磁电源回路。机组启动时由6kV厂用电提供励磁电源，机组启动后由连接于发电机机端的励磁变压器提供励磁电源。

3. 燃气-蒸汽联合循环发电机组电气系统设计时应重点关注的方面及需要改进的建议

3.1根据电厂在电网中的作用及供热需求合理选择燃机机型

（1）应符合国家热电联产的产业政策，以热定电并综合考虑供热安全可靠，机组运行调节灵活，技术上经济上先进合理。

（2）由于天然气价格相对较高，为了使热电厂建成后具有良好的经济效益，机组选型在投资合理的前提下必须力求选择大容量、高效率的机组，以充分利用能源，降低供热供电价格。

（3）根据热负荷的特性和发展规划，机组选型应能适应一定热负荷变化的能力。

（4）具有较佳的技术优势和价格优势。

燃气-蒸汽联合循环发电机组方案对比如下：

“一拖一”单轴“一拖一”多轴“二拖一”多轴

供热量大，社会效益好供热量最小，社会效益最差供热量居中，社会效益居中

发电量大，经济效益大发电量较小，经济效益差发电量较大，经济效益较大

全年热效率，发电效率好全年热效率，发电效率小全年热效率，发电效率居中

占地面积最小占地面积最大占地面积居中

国内有业绩国内有业绩国内有业绩

3.2电气主接线的选择

要根据燃气-蒸汽联合循环发电机组的特点，选择合理的电气主接线，由于燃气轮机组启动快，为了满足电网调峰，燃气轮机组起停频繁。燃气轮机组夏季每天将以基本负荷连续运行十多个小时，并起停一次，为了避免燃气联合循环机组启、停时，反复切换厂用电源，燃气轮发电机出口一般装设了断路器。

F级燃气轮机启动时，燃气轮发电机由变频启动设备供电，作为电动机使用，来驱动燃气轮机加速到规定转速，因此，宜采用断路器把燃气轮发电机与变压器断开，在发电机出口装设发电机出口断路器。

对于E级燃气轮发电机出口是否装设出口断路器还要经过技术经济比较后确定，下面就E级“一拖一”多轴燃气-蒸汽联合循环发电机组做分析比较。

方案一：由燃气轮发电机出口引接高厂变，厂用电源不受蒸汽轮机组的影响，可不设发电机断路器，投资较低，可靠性高；

方案二：由蒸汽轮发电机出口引接高厂变，为避免蒸汽轮机组事故对厂用电源的影响，应设置发电机断路器，投资较高，可靠性高；

通过上面的对比可以看出，在可靠性方面，方案一、方案二相同；在经济方面，方案二较方案一多；由于大部分燃气-蒸汽联合循环发电机组为供热机组，应充分保证机组可靠运行，综合考虑推荐方案一。

4.结束语

随着国家对清洁能源发展的日益重视以及促进电网中电源配置更加合理、提高电网的应急和调峰能力、保障城市集中供热安全运行，在电网负荷中心具备条件（燃气资源丰富）的区域适度发展燃机电站，符合国家节能、高效、环保政策。未来随着技术的进步，燃机的联合循环热效率会进一步提高，燃机的应用前景较好，国内也正在对F级燃气轮机总体设计及关键技术进行自主研发。

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