《电工技术》 爽子 2015-10-08 09:37
中国电工网讯:
 张淑洁
 
    (杭州制氧机集团股份有限公司石化工程公司技术部,杭州310014)
 
    [摘要] 介绍膨胀机带异步发电机回收膨胀功发电原理、发电机并网与解列条件以及控制、保护方法。
 
    关键词 膨胀机 膨胀功 异步发电机 并网 解列 逆功率
 
    1 发电机类型选择
 
    某丙烷脱氢项目采用美国UOP公司的工艺包。UOP工艺包用发电机回收膨胀机的膨胀功发电并稳定膨胀机转速。膨胀机为ATLAS-MAFI产品,带发电保护柜。
 
    介质在膨胀机中膨胀,压缩气体的能量释放出来推动膨胀机加速运转,在没有外力平衡的情况下,膨胀机的转速会越来越高,直至发生飞车事故。工艺包中,膨胀机的额定转速为33209r/min,在膨胀机启动升速接近33000r/min时,需要有外力平衡,使其在额定转速下运行。这个外力需要及时准确投入,并且可随着膨胀机转速的升高,阻力矩自动增加,直至达到平衡。根据这一原理,工艺包选用三相鼠笼式异步发电机来吸收膨胀功发电,将膨胀功产生的机械能转换为电能回馈到电网,同时产生平衡阻力矩。膨胀机的额定转速较高,为了使膨胀机与发电机间的变速比不至于过大,选择2极电机,同步转速n1(n1=60f1/p,其中,f1为外加电源电压频率,p为磁极对数)为3000r/min。
 
    2 发电机工作原理
 
    选择的鼠笼式异步发电机与鼠笼式异步电机的结构相同,由定子和转子组成。当定子三相绕组通入对称三相电流时,电机的内部空间将产生一个转速为n1的旋转磁场。发电机转子的转速称为发电机转速,用n表示。
 
    2.1发电机工作在电动状态
 
    如果发电机的定子与电网连接,定子绕组中流过三相对称电流,那么此电流在电机内部空间产生旋转磁场φ,旋转磁场的转速为n1。当n<n1时,转子导体与旋转磁场存在相对运动,转子切割旋转磁场产生感生电动势,在转子中感生出电流i2。流过感生电流i2的转子在旋转磁场φ中受到电磁力的作用,产生电磁转矩T=KmφI22,其中Km为转矩常数,2为转子中每相绕组的功率因数。根据左手定则判断,电磁转矩方向与旋转磁场方向相同(如图1所示),推动转子旋转,转子转速n的旋转方向与旋转磁场转速n1的方向相同。这时,发电机从电网吸收电能,工作在电动状态,将吸收的电能转换为机械能,与膨胀功一起推动膨胀机加速运转。这种情况要避免发生。
 
    2.2发电机工作在发电状态
 
    在膨胀机膨胀功的作用下,发电机转子的转速高于同步转速,即n>n1,此时转子切割磁力线的方向发生了改变,转子产生的感生电流-i2的方向正好与电动状态时相反。转子感生电流-i2与定子磁场φ相互作用,产生与n1相反方向的电磁转矩T‘=Kmφ(-I2)2=-KmφI22,阻碍转子转速上升(如图2所示),使膨胀机的转速得到稳定。同时,转子感生电流的磁场作用于定子绕组,将膨胀功的机械能变成电能馈送给电网,电机工作在发电状态。这个原理与异步电机再生发电状态(回馈制动状态)相同。
 
 
    2.3发电机发出电压的频率
 
    发电机工作在发电状态时,转子电流产生的旋转磁场转速n2=60f2/p=60sf1/p=sn1,其方向与n1相反。转子以n速度旋转,则转子电流产生的旋转磁场作用在定子上相当于n+n2。n+n2=(1-s)n1+sn1=n1,由此可见,无论转子的转速多大,转子旋转磁场和定子旋转磁场总是以同一转速在定子空间相对定子旋转着,这两个磁场间没有相对运动,所以转子旋转磁场在定子绕组上产生的感生电动势的频率f与电网频率相同,即f=f1。
 
    2.4膨胀机转速随负载波动后的稳定过程
 
    发电机输出电压会随膨胀机转速自动调整。n上升,转差率s的绝对值上升(n>n1),转子感生电动势E2上升,转子电流I2上升,在电磁感应的作用下,发电机输出电压U1增加,输出电流增加,发电机作用在膨胀机的电磁阻力矩增加,n减小,膨胀机转速得到稳定。
 
    3 发电机并网、解列
 
    3.1发电机并网
 
    首次开机前,需确认发电机电动运行时的旋转方向。只有发电机电动运行时的旋转方向与膨胀机运行时的旋转方向一致,才可以连接发电机与膨胀机。
 
    膨胀机转速与发电机转速比为11/1,膨胀机额定转速为33209r/min,发电机额定转速为3019r/min。膨胀机启动时,发电机不与电网连接,没有励磁,相当于膨胀机的一个机械负荷,发电机的定子、转子绕组中没有电压、电流。膨胀机启动后,膨胀机在膨胀功的推动下带动发电机加速运转。当膨胀机的转速接近额定转速,发电机转速达到3000r/min×99%(允许偏差,2910~2970r/min)时,DCS根据系统测速单元检测的信号发出合闸命令至高压柜,高压柜断路器合闸,发电机并网。
 
    并网后,发电机定子加入三相对称电流,在发电机内部空间产生转速为3000r/min的旋转磁场。此时,由于发电机转速n小于n1,因此发电机工作在电动状态,吸收电网电能,与膨胀功一起带动膨胀机加速旋转。当发电机转速达到3000r/min时,转子与旋转磁场没有相对运动,转子中没有感生电动势产生,所以发电机既不发电,也不从电网吸收电能。随着膨胀机转速的升高,发电机转速高于旋转磁场转速(n>n1),转子与旋转磁场产生相对运动,切割磁力线产生感生电动势、感生电流。感生电流的磁场作用于定子绕组,将膨胀机膨胀功的机械能转化为电能,发电机发电,同时产生阻碍膨胀机加速旋转的电磁转矩。随着膨胀机转速的继续上升,发电机的电磁转矩随之增加,当膨胀机的驱动转矩与发电机的电磁转矩平衡时,膨胀机转速不再上升而趋于稳定。
 
    3.2发电机解列
 
    膨胀机正常停车或故障停车时,工艺先发出停膨胀机信号停运膨胀机。约5s后,发电机输出功率降至额定功率的20%左右时,DCS发停车命令至高压柜,高压柜断路器分闸,发电机脱离电网,励磁消失,发电机不再发电。
 
    4 发电机保护
 
    膨胀机带发电机的作用除发电外,更主要的作用是用于平衡膨胀机膨胀功的驱动力矩,使膨胀机稳定运行。所以,除发生短路事故,高压柜断路器可直接跳闸,使发电机脱离电网(同时,给DCS一个停膨胀机信号)外,发生其它电气故障时,都要将信号送至DCS,在工艺做好停膨胀机的相应操作后,才由DCS发信号给高压柜,使高压柜断路器分闸,发电机脱离电网。
 
    如果发电机转速低于3000r/min(n<n1)时将发电机与电网连接,或膨胀机停机时DCS送到高压柜的分闸信号延时至发电机转速低于3000r/min,那么发电机将工作在电动状态,从电网吸收电能,将电能转化机械能,驱动膨胀机运转。这种情况对膨胀机运行不利,需设置逆功率保护。逆功率超过3%额定功率时,DCS立即发出跳闸信号至高压柜,使断路器分闸;逆功率未超过3%额定功率时,需延时10s,若10s后逆功率仍存在,则DCS发跳闸信号至高压开关柜,使断路器分闸。
 
   
  • 《电工技术》2014年1月刊
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