水泥厂余热发电励磁系统的保护与限制

水泥厂余热发电励磁系统的保护与限制

李延军

洛浦天山水泥有限责任公司   新疆和田地区洛浦县   848200

摘要：本文概述了水泥厂余热发电项目励磁系统的几种运行模式，以适用于水泥厂余热发电的并网运行。以梅州市梅盛伟业水泥有限公司的余热发电的励磁系统为例，并通过现场的试验报告来验证励磁系统的运行效果。

关键词：励磁系统；水泥厂余热发电；运行模式

1励磁控制系统的主要任务

同步发电机的励磁控制系统对电力系统的安全稳定运行有重要的影响。励磁控制系统的任务有可以很多，但其主要任务（在可靠性高的前提下）是维持发电机的电压在允许范围内和提高电力系统运行的稳定性。把维持发电机电压水平看作励磁控制系统最基本及最主要的任务，有主要原因是为了保证电力系统运行设备的安全。电力系统中运行的设备都有额定电压和最高电压。保证发电机端输出电压在允许范围内，是保证发电机电压及系统各点电压在允许范围内的基础条件之一，也就是保证电力系统设备安全运行的基本条件之一。要做到这一点，这就要求发电机励磁系统不但能够在静态，而且能在大扰动后的稳态中也能保证发电机电压在允许的范围之内。发电机运行规程规定同步发电机运行电压正常变化范围为±5%，最高电压不得高于额定值的110%。

2励磁控制系统的运行方式

根据国家标准GB/T7409.1—7409.3“同步电机励磁系统”的规定定义，同步电机励磁系统是“提供电机磁场电流的装置”，该标准中，对励磁系统的组成、性能等做了逐一的描述，其中也包含了在不同工况下的运行方式（模式）。励磁系统的有以下几种运行方式。

2.1恒机端电压（自动）运行方式

恒机端电压（自动）运行方式为发电机励磁系统闭环自动调节方式。在该种运行方式下，励磁系统的主要任务是维持发电机机端电压的恒定，以运行设置的电压量为给定量，以机端电压作为反馈量，实现PID的闭环调节。恒电压运行方式是励磁系统的主要运行方式，通常在主力电源发电站的机组中采用。

2.2恒励磁电流（手动）运行方式

一般而言，励磁系统都有自动和手动两种运行方式，在手动运行方式下，励磁系统的主要任务是维持发电机转子电流的恒定，以运行设置的转子电流为给定量，以实测的转子电流为反馈量，实现PID的闭环调节。恒电流运行方式是辅助的运行方式，在励磁系统PT断线（电压反馈量消失）、试验、检修时，通过手动运行的方式，可以调节转子电流，从而调节发电机的机端电压及无功（并网时）。

2.3定角度运行方式

恒电压或恒电流方式中，实际从PID运行的结果控制量Uc，都是决定功率单元的移相角度的。定角度运行方式是指手动改变可控硅的触发角度，励磁系统的功率单元一般采用可控硅或IGBT，通过手动指令（开入量）改变可控硅的触发角度或IGBT的占空比，调节功率单元的输出电压即发电机的转子电压，从而调节发电机的机端电压及无功（并网时）。这种运行方式在发电机做短路试验或空载升压试验时是必须的，通常这种状态下，功率源的输入采用外接电压源提供。

2.4恒无功运行方式

该方式为维持发电机并网时输出的无功恒定的自动调节方式。在该种运行方式下，以运行设置的无功量为给定量，以机端无功测量值作为反馈量，实现的闭环调节。无功闭环是个慢速（相对电压闭环而言）调节闭环，通常在比对无功给定和无功实测后，产生一个附加控制信号，叠加到电压闭环的输入部分。恒无功运行方式是励磁系统的辅助运行方式，通常在水电站机组中采用。

2.5恒功率因数运行方式

该方式为维持发电机并网运行的功率因数恒定的自动调节方式。在该种运行方式下，以运行设置的功率因数为给定量，以机端实测的功率因数为反馈量，实现的闭环调节。功率因数闭环是个慢速（相对电压闭环而言）调节闭环，通常在比对功率因数给定和功率因数实测后，产生一个附加控制信号，叠加到电压闭环的输入部分。恒功率因数运行方式是励磁系统的辅助运行方式，通常在小型余热机组（水泥、化工、钢铁厂余热）中采用。为了适应不同的运行方式，成熟的励磁系统须具备以上所说的几种运行方式。在水电站中，由于网压基本恒定，为了电网的无功富余，通常以恒无功为运行模式；在余热发电中，由于受生产工艺的限制，有功波动大，此时采用恒功率因数运行比较合适。在操作中通常每个运行方式都对应一个开关量输入信号，通过开关量的输入信号，让励磁系统明确，运行人员目前需要它在什么方式下工作。当然，有些运行方式的切换，靠运行人员手动的操作是不现实的。比如，原来励磁系统运行在恒电压闭环下，当发生PT断线时，调节器就必须自动（非人员干预下）切换到恒电流的运行方式，在恒无功或恒功率因数运行的状态下，如果发生一些限制动作信号，也必须自动（非人员干预下）切换到恒电压的运行方式。这里面涉及到运行方式的优先权问题，在切换的逻辑编程中必须考虑清楚。在切换过程中，还有一个必须要考虑清楚的是给定量的问题，由于励磁系统中，除了定角度运行方式外，都采用的是闭环运行，闭环运行就涉及到给定量与反馈量的问题。为了实现无扰动的切换，在编程时通常以实际运行方式的测量值作为备用运行方式的给定值。比如，当前运行在电压闭环方式，此时测量到的转子电流，就是即将切换转子电流闭环的给定值，以此类推。当经过以上的处理后，就可实现各种闭环方式之间的无扰动切换了。

3梅州市梅盛伟业水泥有限公司余热发电案例

3.1客户的需求及程序的实现

水泥窑余热发电技术是直接对水泥窑在熟料煅烧过程中窑头窑尾排放的余热废气进行回收，通过余热锅炉产生蒸汽带动汽轮发电机发电。发电机的有功出力是受生产工艺过程的影响的，原有恒电压的运行方式下，如果机组的有功发生变化，为了保证机组的安全运行，无功也必须做相应的调整，也就是要运行人员频繁操作电压的给定值，机组的无功才能运行在合适的状态。机组投运后，客户提出能否投入恒功率因数运行，这样当有功变化时，无需运行人员的操作，机组的无功也跟随这变化。根据客户现场的需求，我们在常规电压闭环中，引入了功率因数的附加控制信号。实时比对功率因数的给定与实测值，如果发现实测的功率因数偏高（高于死区门槛值），就叠加一个增磁的信号到电压PID闭环中；如果发现实测的功率因数偏低（低于死区门槛值），就叠加一个减磁的信号到电压PID闭环中。当然，如果有些限制保护动作时，闭环方式就由功率因数闭环切换到电压闭环。两个闭环之间的给定也是靠实时跟踪来保证切换的无扰动的。当然，在程序中我们还设置了功率因数闭环投入的条件：（1）发电机并网运行，且有功无功大于额定值的3%；（2）没有任何限制及保护动作；（3）功率因数投入的开关量有效。

3.2恒功率因数运行的效果

梅州市梅盛伟业水泥有限公司的余热发电，自机组运行模式修改以来，操作人员只需在开机并网前进行少量的操作，当机组带上负荷后，投入功率因数闭环的运行方式，操作人员基本不需要关注励磁系统的运行工况了，发电机的无功会跟随着生产工艺变化后的有功数值的变化而进行自动调整，调整后的功率因数始终保持在原有的设定数值，真正实现无人（少人）值守的目的。

结语：

通过运行模式的调整，针对余热发电机组的特点，从运行、操作、维护的角度来看，恒功率因数的运行方式是可行的。实践表明，励磁系统辅助的保护及限制功能，与励磁主控程序一样的重要，是机组的安全运行必要的配置与保障。

参考文献：

[1]邓澜,王婷婷,兰挺进.水泥厂余热发电励磁系统的保护与限制[J].水泥工程,2020(6):49-51.

[2]兰挺进.水泥厂余热发电励磁系统的几种运行方式[J].水泥工程,2018(6):58-60.

[3]王亚菲.余热发电机组励磁与汽门协调控制研究[D].天津:天津理工大学,2015.