高壓變頻技術(shù)平臺在燃氣發(fā)電機組的“黑啟動”定制化開發(fā)

文:北京利德華福電氣技術(shù)有限公司中壓變頻行業(yè)應(yīng)用戰(zhàn)略經(jīng)理 劉軍祥2021年第三期

導(dǎo)語:隨著城市化進程對于清潔電力能源和城市供電電網(wǎng)安全等用電訴求的不斷升高,燃氣蒸汽聯(lián)合發(fā)電機組的大型電站越來越多地成為城市建設(shè)、電網(wǎng)安全、綠色環(huán)保的重要組成部分。燃氣電站以其機組啟動速度快、系統(tǒng)恢復(fù)周期短、調(diào)峰響應(yīng)迅速、建設(shè)占地面積小、排放無污染等特點,成為國家電網(wǎng)、城市邊緣電源點的重要補充。

      1燃氣電站工藝介紹

  燃氣電站主要以天然氣作為一次能源,通過將天然氣與空氣混合燃燒推動燃氣輪機旋轉(zhuǎn),拖動發(fā)電機運行輸出電力。同時,配備有啟動機組、燃氣余熱鍋爐、蒸汽發(fā)電機組等,其燃氣、蒸汽聯(lián)合發(fā)電機組的工作原理如圖1所示。

  系統(tǒng)一方面通過高溫燃氣,推動燃氣輪機高效做功;另一方面,又通過余熱鍋爐,通過熱交換吸收高溫尾氣余熱,產(chǎn)生高溫高壓蒸汽推動蒸汽發(fā)電機組做功發(fā)電。兩臺發(fā)電機輸出的電能,可同時輸送至電網(wǎng),滿足區(qū)域電網(wǎng)調(diào)峰及應(yīng)急供電的需要。

  在圖1中,M1為燃氣輪機啟動電動機、FC表示液力耦合器、COMP表示空壓機、GAS表示燃氣輪機、G1A表示燃氣發(fā)電機、STM表示蒸汽輪機、G1B表示蒸汽發(fā)電機、DDP表示除氧器、CP表示凝結(jié)水泵、CWP表示循環(huán)水泵、FP表示給水泵、MWB表示低壓汽包、HWB表示高壓汽包、Boiler表示鍋爐。

圖1 燃氣電站工作原理圖.jpg

  作為骨干電網(wǎng)應(yīng)急響應(yīng)的關(guān)鍵一環(huán),為保證區(qū)域電網(wǎng)與骨干電網(wǎng)解列而出現(xiàn)大面積停電的情況下,快速恢復(fù)區(qū)域電網(wǎng)關(guān)鍵負荷供電的能力,保證城市指揮、搶險需要。通常對燃氣發(fā)電機組,賦予孤網(wǎng)機組“黑啟動”功能。

  “黑啟動”,是孤網(wǎng)電站應(yīng)急自啟動的俗稱,指在沒有外網(wǎng)電力接入的情況,依托自身配備的小型柴油發(fā)電機組,完成發(fā)電站的機組啟動、并網(wǎng),恢復(fù)供電能力。具備“黑啟動”能力的電站,通過自帶柴油發(fā)電機及相應(yīng)的配套設(shè)施,完成機組啟動、恢復(fù)。

  而高壓變頻技術(shù)則是燃氣電站“黑啟動”中的關(guān)鍵技術(shù)之一。


  2 燃氣輪機變頻啟動應(yīng)用方案

  基于對“黑啟動”模式燃氣發(fā)電機組運行工藝的分析,如圖2所示。機組啟動過程主要包括:啟動電動機并入孤網(wǎng)啟動、拖動汽輪機軸系運轉(zhuǎn)、燃氣輪機吹掃、機組點火暖機沖轉(zhuǎn)、啟動電動機退出、燃氣輪發(fā)電機同步并網(wǎng)發(fā)電等幾個階段。

圖2“黑啟動”模式燃氣發(fā)電機組運行工藝分析.jpg

  與通用變頻器驅(qū)動風(fēng)機、泵類負載不同,高壓變頻器拖動燃氣輪機組啟動電機運行時,系統(tǒng)運行結(jié)構(gòu)存在并網(wǎng)允許峰值電流低、負載靜止啟動轉(zhuǎn)矩大、負載轉(zhuǎn)移容易能量“返灌”等顯著工況特征。

  這就要求面向燃氣輪機孤網(wǎng)“黑啟動”啟動運行模式的高壓變頻器具備如下關(guān)鍵技術(shù)特征:

  (1)采用激磁涌流抑制技術(shù),將變頻器輸入側(cè)合閘時,峰值涌流控制在2In以內(nèi);

  (2)采用電壓型單元串聯(lián)多電平產(chǎn)品,20%負載以上功率因數(shù)達0.95;

  (3)采用“變頻+液偶”的柔性軟啟動控制模式;

  (4)變頻器采用逆功率抑制技術(shù),自適應(yīng)完成啟動電動機向燃氣輪機的負載轉(zhuǎn)移。

  運用施耐德電氣集團旗下利德華福品牌的電壓源型單元串聯(lián)多電平高壓變頻系統(tǒng)應(yīng)用平臺,開發(fā)的燃氣發(fā)電機組“黑啟動”定制化技術(shù),實現(xiàn)了其微電網(wǎng)友好、負載啟動平滑、機組負荷穩(wěn)定過渡等多重工藝需求,為提升燃氣發(fā)電機組的安全啟動、可靠并網(wǎng)提供高品質(zhì)技術(shù)保障。


  3實際項目應(yīng)用案例

  華南某電力公司(以下簡稱電廠)占地18萬平方米,已有2套9E聯(lián)合循環(huán)機組于2005年全面投產(chǎn)運行,容量為2×180MW,使用天然氣發(fā)電。

  為了應(yīng)對電網(wǎng)的大面積停電事故,電網(wǎng)對電廠的“黑啟動”能力日益重視。燃氣發(fā)電機組能夠快速啟動、寬幅加載和靈敏響應(yīng),稍加改造即可成為合格的“黑啟動”電站。

  華南某電網(wǎng)為了優(yōu)化電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)安全,加大對電廠“黑啟動”的補貼,鼓勵電廠進行“黑啟動”改造。該電力公司積極響應(yīng)電網(wǎng)政策,針對機組進行了“黑啟動”改造。

  由于利德華福在燃氣輪機“黑啟動”有豐富的經(jīng)驗、成熟的應(yīng)用案例,最終選擇了利德華福為其提供高壓變頻設(shè)備,該項目已于2020年6月交付投入運行。

  (1)變頻器參數(shù):

  額定電壓:6kV

  額定功率:1600kW

  (2)配置方案:

  ● 每相功率單元采用6級串聯(lián),具備功率單元旁路功能及N+1冗余功能;

  ● 黑啟動轉(zhuǎn)速跟蹤響應(yīng)功能;

  ● 逆功率虛擬控制技術(shù);

  ● 電動機調(diào)速與液偶調(diào)速,雙轉(zhuǎn)速耦合;

  ● 控制電源采用雙電源冗余+UPS供電方案(用戶提供2路AC220V)。

  (3)方案亮點:

  ● 采用一拖二手動旁路柜,可以分別驅(qū)動兩套燃氣輪機分別實現(xiàn)“黑啟動”功能,提高了設(shè)備利用率;

  ● 具備N+1冗余功能,單個模塊故障時,依然能夠輸出額定電壓及額定功率,系統(tǒng)安全性極強;

  ● 風(fēng)機電源和控制電源都采用雙電源冗余供電結(jié)構(gòu),設(shè)備運行可靠性增強;

  ● 32位DSP處理器控制平臺,實現(xiàn)真正的恒轉(zhuǎn)矩和快速的動態(tài)響應(yīng)。

  (4)用戶收益:

  ● 一次性通過了華南某電科院的驗收;

  ● 由于華南某省內(nèi)燃機電廠都有互動溝通,在省內(nèi)有很好的示范性;

  ● 優(yōu)化“黑啟動”解決方案的總投資,減少柴油發(fā)電機的投資成本,系統(tǒng)方案如圖3所示。

圖3 “黑啟動”電動機一次主回路系統(tǒng)方案.jpg

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