燃機電廠電氣設計特點
東北電力設計院馬曉靜
【內容提要】 當今燃氣—蒸汽聯合迴圈電廠的應用正在世界各地迅速發展。本文根據燃機電廠的特點，在對燃機電廠電氣方面的特殊性進行**的基礎上，提出電氣設計的特點。燃機電廠的應用前景廣闊，其電氣設計原則的研究將為此類電廠的建設提供參考。
【關鍵詞】 燃機電廠；電氣設計。
1 前言
燃機電廠為燃氣輪機發電廠的簡稱，它是潔淨發電技術的一種體現。燃機發電廠的燃料為天然氣、燃料油或工業伴生氣等，由於燃燒完全，其燃燒生成排放物對環境影響少，噪音汙染小；又因燃機電廠具有裝機快、體積小、投資省、效率高、執行成本低和壽命週期較長等優點，目前市場應用非常廣泛。在國內，由於國家「西氣東輸」工程的政策實施，引進液化天然氣和管道氣專案也在全面開展，因此我國的燃機電廠專案也進入了乙個新的發展時期。
燃機電廠的電氣部分具有與燃煤機組不同的特徵，本文將重點分析其中某些特徵，**針對性的設計觀點。另外，鑑於我國目前燃機機組多數承擔調峰任務，所以本文討論也針對具有調峰功能的聯合迴圈燃機機組進行分析**。
2 燃機電廠基本流程
燃機電廠有簡單迴圈和聯合迴圈兩種型別。簡單迴圈的通流部分由進排氣管道和燃氣輪機的三大件即壓氣機、燃燒室、透平組成。壓氣機從大氣吸入空氣，並把它壓縮到一定壓力，然後進入燃燒室與噴入的燃料混合、燃燒，形成高溫燃氣，具有做功能力的高溫燃氣進入透平膨脹做功，推動透平轉子帶著壓氣機一起旋轉，帶動發電機做功輸出電能，從而把燃料中的化學能，部分地轉變為機械功，燃氣在透平中膨脹做功，而其壓力和溫度都逐漸下降，最後排向大氣。
為了實現高效率低能耗，燃氣輪機又可組成聯合迴圈。聯合迴圈的基本流程是在上述簡單迴圈的基礎上進行的。將簡單迴圈中燃氣輪機的高溫排氣（9e為538℃，9f為609℃左右），經過煙道排入餘熱鍋爐（hrsg），應用熱交換器原理加熱鍋爐中的給水，產生高溫高壓的蒸汽，進入蒸汽輪機做功，並帶動蒸汽輪發電機發電。
在燃機的聯合迴圈中，又有單軸布置和多軸布置之分：
● 單軸布置：一台燃氣輪機與一台容量匹配的汽輪機共同帶動一台發電機，而且它們組裝在一根主軸上的布置。
● 多軸布置：每台燃氣輪機和每台汽輪機驅動各自發電機的汽輪機和燃氣輪機的一種布置。這種布置允許一套以上的燃氣輪機/餘熱鍋爐裝置與一台汽輪機相連線。
燃機電廠中還有以下兩個重要概念：
● iso條件：溫度15℃，海拔零公尺，相對濕度60％，1標準大氣壓，帶基本負荷。
● 2拖1、3拖1或4拖1：用於燃機聯合迴圈中，用數字表示為2+2+1、3+3+1、4+4+1，第乙個數字表示燃氣輪機發電機組的數量，第2個數字表示餘熱鍋爐的數量，第3個數字表示汽輪發電機組數量。
3 燃機電廠電氣部分的特殊性：
本文將主要針對我國應用較廣的ge公司的9e和9f系列的燃機進行分析。
3.1 燃機發電機容量選擇
燃氣輪機的乙個顯著特點是其效能隨周圍空氣溫度的變化而改變。當機組所在地點不變時，大氣壓力的波動是很小的，而大氣溫度一年四季變化很大，可在
五、六十度以上。當大氣溫度下降時，空氣比容會減小，壓縮過程所需消耗的壓縮軸功率將隨大氣溫度的下降而不斷減小。由於燃氣輪機出力的2/3供給壓氣機，因此壓氣機軸功率的減小相當於增大了燃氣輪機傳遞給發電機的出力。
對於製造廠生產的系列燃氣輪機而言，其額定出力都是以iso工況標稱的。因此燃氣輪機安裝在不同的地點時，應根據安裝地點的氣象條件核定燃氣輪機的額定出力。從圖1可以看出周圍環境是如何影響出力、熱耗率、耗熱量及排氣流量的。
每種機型都有自己的溫度影響曲線。它受迴圈流質的引數和部件的效率以及空氣的質量流質的限制。
圖1 燃機效能受周圍環境溫度影響的曲線
由圖1可知，當環境空氣溫度為－18℃時，燃機的出力可達iso工況下額定出力的1.2倍；當溫度為＋49℃時，燃機的出力又為iso工況下額定出力的0.8倍。
因此燃機的額定出力根據環境溫度的不同在乙個範圍值內變化。鑑於發電機的額定出力是乙個固定值，因此在選擇燃機發電機的額定出力時，應使發電機的額定出力和燃氣輪機的額定出力變化範圍相互協調。使發電機的額定容量既不能限制燃氣輪機的出力，又不能選得過大，造成浪費。
燃氣輪機發電機的出力有多種定義，例如在gb/t15135-1994中，發電機即有「額定容量、標準額定功率、最大連續功率、尖峰功率、極限出力」的相關術語，此處僅對其中經常使用的「額定容量」和「最大連續功率」的選擇加以分析。
根據相關文獻，燃氣輪機發電機的額定容量的定義為：「在額定頻率、額定電壓、額定功率因數和額定氫壓（如用氫冷）以及預定執行的年平均氣溫和初級冷卻介質溫度條件下，電機的溫公升和溫度不超過規定值時，發電機出線端的有效連續視在功率」。
簡單迴圈的發電機的額定容量應與燃氣輪機現場額定出力配合選擇。這樣的配合原則可以保證發電機的額定容量在全年的大部分時間之內與燃氣輪機的額定出力範圍相匹配。單軸配置的聯合迴圈機組發電機還應計及同軸汽輪機相應的功率，多軸配置聯合迴圈機組中汽輪發電機的容量應和汽輪機的容量相互協調。
預定執行的年平均氣溫是指燃機安裝地點的年平均氣溫。初級冷卻介質溫度，對於開啟式空冷發電機，是指進入發電機的空氣溫度，通常是周圍環境空氣溫度。對密封迴圈冷卻的發電機，初級冷卻介質溫度是指從冷卻器進入發電機的氫氣或空氣的溫度。
發電機的最大連續容量是指在燃機安裝地點處於一年中最低溫度的時段內，發電機能夠保證連續執行、高於額定值的出力。 發電機最大連續容量的選擇原則是：。這裡需要強調的是使用預定執行的月最低平均氣溫，沒有規定使用極端最低氣溫，這是考慮不宜為此把發電機容量選得過大，造成浪費。
燃機電廠發電機組中的發電機，由於其特性要與燃氣輪機協調，而各大燃氣輪機製造廠根據其製造技術、使用材料、氣象條件等因素，燃氣輪機的出力不可能形成乙個標準的系列等級，如50、100、200、300mw等，故對於燃機電廠發電機組的容量應冠以「級」字更為合理。且隨著不同的現場氣象條件，製造廠提出的現場額定出力還會變化。
在iso和標準進氣和排氣損耗及以天然氣為燃料的條件下，9e型燃氣輪機簡單迴圈的額定功率為126mw，聯合迴圈的額定功率為180mw。9f型燃氣輪機簡單迴圈的額定功率為255.6mw，聯合迴圈的額定功率為390.
8mw。
3.2 啟動系統
在燃機的構造中，壓氣機是燃機各部分中最重要的部件之一，同時它也是燃機中最耗能的大部件，燃機透平在正常執行中產生的功率有2/3將消耗在壓氣機中，剩餘的1/3才作為動力源輸出到發電機。那麼在啟動過程中，燃機透平沒有做功，必須要有一套額外的裝置供給燃機功率，在控制系統的命令下，幫助燃氣輪機按照啟動程式旋轉、點火、公升速，最後完成燃氣輪機的啟動。這套額外的啟動裝置隨著燃氣輪機的發展，機組容量的增加，啟動裝置的型式也有很大不同。
9e型機組通常採用乙個額定功率為1000kw的啟動馬達來實現燃機的啟動，可由相應機組的廠用工作高壓段為其供電，啟動馬達位於燃氣輪機本體上，通過高壓電纜實現廠用高壓電源與啟動馬達之間的連線。啟動馬達在燃機正常啟動後停止執行。
9f型機組通常採用變頻啟動系統方式，啟動時發電機充當啟動電動機，但常規的發電機沒有特別的結構來實現同步發電機直接啟動成為同步電動機執行，況且，燃氣輪機在啟動初期時的轉速不是很高並且需要可以調節的，所以必須提供可以改變頻率的電源使發電機在各種速度下做同步電動機執行，變頻啟動系統用來滿足上述要求。
3.3 主變的選擇
因燃機電廠的發電機組作為調峰、應急電源時，起停頻繁，採用單元制接線方式，用雙捲變壓器聯接電網某一種電壓比較合適。據調查，燃機電廠大多採用發電機雙捲變壓器單元制接入電力系統。
主變容量的選擇與燃煤機組的主變壓器容量選擇類同，本文不做描述。
3.4 發電機出口斷路器（gcb）
非調峰的燃氣輪發電機組，發電機出口斷路器的裝設原則同燃煤機組。
用於調峰的燃氣輪發電機組，由於起停頻繁，其發電機出口是否設定斷路器，目前存在兩種不同的看法，現從技術和經濟因素分別分析如下：
3.4.1技術比較
否認裝設的觀點認為：首先，發電機與主變壓器之間串接gcb後，發電機變壓器迴路的可靠性要比無gcb時下降，gcb故障或檢修時將影響整個機組的執行；其次，由於主變壓器作為降壓變壓器倒送廠用電，為了保證廠用電電動機起動時高壓廠用電母線的電壓水平，主變壓器或高壓廠用變壓器需採用有載調壓型，這也降低了可靠性。
同意裝設的觀點認為：在發電機承受不平衡負荷或發電機出口發生不對稱短路時，gcb可以迅速切除故障，保護發電機使其免遭損壞；另外，變壓器內部因絕緣閃落形成的電弧使油分解後產生的大量氣體引起變壓器內部壓力的公升高，將導致變壓器油箱破裂或**。變壓器內部故障電弧電流由系統和發電機共同提供。
系統提供電弧電流由裝在主變壓器高壓側的斷路器切斷，切斷時間大約為40ms。高壓系統斷開後發電機在滅磁前仍連續不斷的提供電弧電流，使油箱內部壓力繼續上公升，發電機轉子滅磁及定子電流衰減時間通常長達數秒（與勵磁系統有關），以至保護不了變壓器。而在發電機出口裝設gcb可在3周波（60 ms）內切斷故障電流，將發電機與故障變壓器迅速隔離，從而保護了主變壓器和高壓廠用變壓器，避免變壓器遭受嚴重破壞；再者，當發電機發生內部故障時，gcb迅速跳開，使發電機與電網隔離，而不必連主變壓器一併切除，停機廠用電源仍可由系統通過主變壓器倒送，從而避免了廠用電源系統的事故切換，這樣減輕了執行人員的壓力，為迅速處理故障創造了條件，提高機組保護的選擇性。
綜合比較以上兩種觀點，本文認為，對於調峰用燃機電廠,因其起停頻繁,裝設gcb是可取的。裝設gcb後可避免高壓廠用電源的切換，簡化廠用電源的控制和保護接線，從而提高廠用電系統的可靠性；減輕對電動機的電衝擊和機械衝擊以及對絕緣保護的破壞。機組並網或停機時只需通過gcb就可完成，縮短了機組起停時間；利用gcb同期，可以避免在主變高壓側出現由於兩側相角差而產生的兩側反相電壓對裝置絕緣造成嚴重的損傷。
這一點對調峰用燃機電廠尤為重要。
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