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燃气轮机的SFC启动
摘要：近年来，燃气轮机联合循环电站在世界上发展十分迅速，燃气轮机只能通过其他动力来启动。用燃气轮机发电机通过SFC供电来拖动燃气轮机成为越来越普遍的启动方式。本文简单介绍了这种启动方式的工作原理。可供有关人员参考。
前言
图1时典型的燃气轮机结构示意图。左侧是空气进口，空气经过压缩机压缩，在燃烧室与喷入的燃油或天然气混和燃烧，形成的高温高压气体推动燃气轮机的叶片作功。带有余热的气体从右侧排出 ，对联合循环电站它将用来烧锅炉，产生蒸汽供蒸汽轮机再作功。
空气被高度压缩是燃气轮机良好工作的前提条件之一，一台燃机大约有三分之二的功率用来驱动压气机。显然，为了使燃气轮机能够开始工作，一定要有其他的动力先使压气机开始工作。当压气机产生足够压缩比的气体，进入燃烧室的燃油或者天然气开始燃烧，燃气轮机就可以自己维持旋转，即在此速度下，机组可以产生使自己不断升速的功率了。这就是燃汽轮机组的启动过程。
机组的布置方式
燃气轮机联合循环电站机组的布置有两大类。一是多轴布置（图2），E级燃机多为这种布置，左侧的燃气轮机单独带一台发电机，排出的热气进入余热锅炉（HRSG），产生的蒸汽送给蒸汽轮机（另外带动一台发电机）。左侧的燃气轮机需要考虑启动的问题。
另外一类是单轴布置（图3），F级燃机多数为这里布置。根据不同公司的传统，又分两种布置顺序。上面一种是从左到右，燃气轮机、蒸汽轮机和发电机（GE、ALSTOM和多数三菱机组采用这种布置）。下面一种是燃气轮机、发电机和蒸汽轮机（西门子采用这种布置）。为便于启动，这种布置方式的发电机和蒸汽轮机之间设有离合器，在燃气轮机启动时，蒸汽轮机处于静止状态。
机组的启动方式
机组的启动方式有以下3种。
（1）电动机拖动
最简单，也是早期采用最多的启动方式，是在发电机尾部加装一台电动机。在启动时将燃气轮机机组拖到一定转速，然后通过离合器使电动机与燃气轮机机组脱开。
（2）蒸汽轮机拖动
对单轴布置的燃气轮机联合循环机组，可以用蒸汽轮机拖动启动（当然需要供气的锅炉）。
（3）发电机做电动机拖动
这种启动的原理是将发电机作电动机运行，通过外加（变频）电源让它将燃气轮机机组升速， 在燃气轮机开始自己作功后，再退出电动机运行状态，然后又作为发电机并网发电。这种启动方式目前越来越多地被采用。
发电机作电动机时的拖动原理
众所周知，发电机和电动机在电磁原理上是相同的，同步发电机完全可以作为同步电动机工作。如果在电机定子上通入三相交流电，将产生一个旋转磁场。转子加上励磁后也会建立一个磁场。这两个磁场相互作用产生的力就是同步电动机的转动力矩（见图4）。
但是，50Hz，两极的七轮发电机工作转速为3000r/min。如果由工频电源供电，它只能在3000r/min下作电动机工作。并且，常规的发电机转子上没有特别结构（如类似异步电机笼条的启动绕组）满足直接启动要求，因此必须通过提供可以改变频率的电源使发电机完全处于同步电动机状态逐渐升速，以达到拖动燃气轮机机组启动的目的。静止变频器（SFC）就是一种可以改变频率的电源。
静止变频器（SFC）系统
SFC系统是一套将恒定电压和恒定频率的三相交流电源变成可变电压和可变频率的交流电源。将这一电能输给电机定子绕组，就可以让电机在同步状态下逐步升速。在燃气轮机需要启动时，发电机主回路开关首先将发电机与高压电力系统断开。然后由高压电力系统或柴油发电机辅助系统向SFC系统供电。
（1）SFC电路原理
SFC系统包括变压器、直流电抗器、转换器和逆变器几个主要部分，如图5。
转换器是一个3相6脉冲桥式连接电路的整流器，它将恒定电压的三项工频交流电转换成可变电压的直流电。逆变器也是一个3相6脉冲桥式连接电路，但它将转换器产生的直流电逆变成幅值和频率可变的三相交流电。这一可变的交流电供给电机使其升速到规定转速。
设备名称 设备功能
SFC变压器 为转换器提供合适的输入电压，也利用其漏抗限制在转换器可控硅臂短路时的短路电流。
转换器 利用可控硅的相位来控制直流电压，即直流电流为合适的大小。
直流电抗器 起滤波作用，使直流电流更平滑。
逆变器 用可控硅相位控制支流变成交流时对应电机转速的频率，是发电机平稳升速。
（2）旋转磁场的产生的发电机升速原理
在启动时，SFC的输出连接到发电机定子电枢绕组上，每一瞬间有两相通电，就在定子上产生一个磁场。除法信号根据装在发电机转子上的位置信号器发出的信号加在逆变器上，通过改变通入电流的绕组来产生一个每次改变60·的逐步旋转磁场。这个磁场与已经加了励磁的转子作用，就使发电机旋转。逐步提高逆变器输出电流的频率，就使转子的转速逐步增加，图6显示了SFC如何产生一个旋转磁通和使转子旋转。
（3）发电机系统图示例
图7是一个系统图。SFC硬件的高可靠性和高利用率允许一台SFC系统启动多台燃气轮机机组（图中为两套燃机发电机连接到一套共用系统）。也可以用两套SFC系统启动多台燃气轮机机组。系统的冗余使这样的系统可靠性更加提高，即使一套SFC出现故障，燃气轮机仍然可以启动。
启动过程的一个实例
位于法国和比利时边境的BAUDOUR联合循环电站装有一台GE公司的9F系列单轴布置的燃气轮机组（布置方式如图3上图所示）发电机出力约370MW。机组虽然带基本负荷，但是启停次数仍然较多。
图8是一个典型的启动曲线。机组先低速盘车，在需要启动时机组由SFC供电启动旋转。先使燃气轮机升速至大约700r/min，是压气机以提供吹拂回热器的风。10分钟后降速到400 r/min，燃气轮机点火，燃气轮机在电动机拖动和自身燃烧的双重功率作用下继续升速。在转速达到2000 r/min后SFC断电，由燃气轮机单独拖动将机组转速升到3000 r/min，然后发电机并网。升速时蒸汽轮机低压缸抽真空以减小阻力转矩。一般从发电机点火到并网只需要2到3分钟。
该电站的SFC容量为7MW。实际上一般只需要用3-5MW的功率即可。
采用SFC启动对发电机的要求和影响
如前所述，当燃气轮机电站采用SFC启动时，发电机将作为变频电动机运行，此时，发电机转子上需要装设一个“位置信号器”，提供信号给逆变器，以便正确导通两相绕组的电流，产生总是使机组升速的磁场。位置信号器由SFC厂家提供，可以是电磁式的或光电式的，多数厂家采用电磁感应式。其结构原理是直接在转轴上装上一个环，环在对应发电机正极和负极位置处的半径不同，即与传感器的距离不同，从而产生不同的信号。环外面的对应固定位置则装设传感器，即信号传出装置。
从理论上说，变频电动机的电流和磁场中有相当大比例的高次谐波，会在电机线圈和转子表面产生附加损耗和发热。但由于燃气轮机机组的启动功率远远小于发电机的额定功率（一般只有1.5%左右），这些夫加损耗和发热实际上可不予考虑。
因此，除需要加“装位置信号器”外，燃气轮机发电机和常规发电机完全相同。
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发表于 2009-10-20 10:50:14
发表于 2009-11-9 15:51:10
楼主
发表于 2013-2-21 09:05:40
