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柴油发电机组并联系统运行要求与故障分析案例

2019-12-02 00:37:10

摘要:文章根据近十年船舶柴油发电机组控制系统及船舶电站系统修理经验,结合康明斯发电机组厂家实际工作运行中遇到的柴油发电机组并联运行中出现的典型故障,从原理进行分析,梳理出典型故障的解决方法,通过实践验证后为后续修理工作运行提供有价值的参考。

 

柴油发电机组并联运行是一种重要运行状态。

船舶电网负荷用电量较大或船舶停靠码头、狭水道航行等特殊情况下,就会启动第二台或更多的柴油发电机组参与发电以满足更大的船舶负荷要求。

2台或2台以上柴油发电机组并联运行的供电品质和可靠运行必须满足相序一致、频率一致和电压一致3个基本前提,其中相序由发电机制造和电缆布置确定,频率和电压则与柴油发电机组的运行参数和运行特性密不可分。柴油机的稳态调速率和发电机的静态电压调整率是柴油发电机组正常并联运行以及运行品质的决定因素。

柴油发电机组并联运行时,如果出现负荷分配不均和负荷分配不稳等现象,会直接影响电站系统的运行安全,甚至对柴油发电机组本身造成不可逆转的损伤。柴油发电机组并联运行时有功功率分配不平衡,低负荷时往往会在并联机之间引起有功环流,严重时出现逆功;高负荷时会出现1台柴油发电机组已经满载或过载,而另1台柴油发电机组仍处于轻载状态,机组过载会引起柴油发电机组安全保护装置动作,影响整个电站系统的正常运行,严重时会造成柴油机拉缸等重大伤害。

1柴油发电机组并联运行时负荷分配超差

1 · 1故障描述

3台TBD604柴油发电机组修后单机水阻负荷

试验,运行参数正常,试验数据如表1所示。

 

TBD604柴油发电机组单机水阻负荷试验数据记录表

机组号

定负口

功率

/kW

频率

/Hz

电压

备注

 

0

0

 

402

稳态调速率:

2 · 68%;稳态电压调整率:3 · 08%

 

125

49.71

397

 

250

49 · 31

394

 

375

48 · 97

393

1開

5

48 · 66

390

 

0

0

 

402

稳态调速率:

2 · 66%;稳态电压调整率:3 · 08%

 

125

49.70

397

 

250

49 · 30

394

 

375

48.99

392

1開

5

48 · 67

390

 

0

0

 

403

稳态调速率:

3巧2%;

稳态电压调整率:3 · 08%

5、

125

49 · 67

398

0

250

49 · 25

395

5

375

48.74

393

 

500

48 · 23

391

致3个基本前提,其中相序由发电机制造和电缆布置确定,频率和电压则与柴油发电机组的运行参数和运行特性密不可分。柴油机的稳态调速率和发电机的静态电压调整率是柴油发电机组正常并联运行以及运行品质的决定因素。

柴油发电机组并联运行时,如果出现负荷分配不均和负荷分配不稳等现象,会直接影响电站系统的运行安全,甚至对柴油发电机组本身造成不可逆转的损伤。柴油发电机组并联运行时有功功率分配不平衡,低负荷时往往会在并联机之间引起有功环流,严重时出现逆功;高负荷时会出现1台柴油发电机组已经满载或过载,而另1台柴油发电机组仍处于轻载状态,机组过载会引起柴油发电机组安全保护装置动作,影响整个电站系统的正常运行,严

1 . 2故障分析和定位

由表1知,3台柴油发电机组单机水阻负荷试验数据无明显异常、机组运行时无异常现象、电压调整率基本一致,稳态调速率1 #机组和2#机组基本一致,3 #机组的稳态调速率较其他2台机组偏大。

柴油发电机组的转速理论上为设定的恒定转速,从而确保供电时频率稳定以满足设备使用要求,然而机组实际运行中由于负荷不断发生变化,柴油机的实际转速会偏离设定值。这种随着负荷增大或减小而发生实际转速偏离设定值的关系,称为柴油机的稳态调速率。稳态调速率允许柴油机转速在一定范围内波动,这种柴油机转速的变化反映在发电机组上就是发电机输出电压频率的变化。

柴油发电机组的稳态调速率不同,即在设定转速相同的情况下,带同样负荷后,不同机组柴油机实际转速下降的幅度不同,发电机电压的频率不同,机组并联运行后频率相同,此时并联柴油发电机组各自承担的负荷不同。以1 #机组带载,3 #机组并机组为例,3 #机组稳态调速率高,并机组后带载使3 # 机组转速按照稳态调速率曲线下降,1 #机组负荷转移至3 #机组的同时转速按照稳态调速率上升,直至2台机组转速完全一致,各自承担相应的负荷。如果并联运行机组的稳态调速率一致或接近,则并联运行机组的负荷分配按照稳态调速率曲线比较均衡,如果存在明显偏差会导致在并机组后负荷分配不均衡,其程度主要由稳态调速率的差别大小决定。

根据机组试验数据分析判断该故障为稳态调速率调整不当造成,需要对3 #柴发机组的稳态调速率参照1 #机组稳态调速率曲线进行调整。

1 · 3故障处理和效果验证

3 #柴油发电机组重新进行负荷试验,满负荷后调节电压至390 v,调节电子调速器的DROOP电位器,使频率升高到48 · 7 Hz,然后主机卸荷,测量记录电压和频率,试验数据如表2所示。

完成调整后进行并机组试验,以2 #机组和3 #机组为例,实船负荷试验数据记录如表3所示,负荷分配均衡,满足修后检验要求。

2柴油发电机组并联运行时功率因数表波动

2 · 1故障描述

3台12v四0型柴油发电机组,修后单机纯水

表2 3 #柴油发电机组稳态调速率参数调整后负荷试验数据汇总表

机组

额定负荷

有功功率

/kW

频率/Hz

电压/v

备注

、整后

、整

整口

3 #

0

0

 

 

403

402

稳态调速率:

2.60%;

稳态电压调整率:

3 · 08%

 

125

49 · 67

49 · 72

398

397

 

250

49.25

49.32

395

394

 

375

48.74

48,99

393

393

1

5

48.23

4& 70

391

390

表3 2#机组和3#机组并联运行数据记录表

 

 

50

75

 

75

50

25

总功率/kW

210

495

745

970

730

485

245

2#机组

电流/A

200

450

720

850

680

450

240

有功功率/kW

1闐

245

380

480

350

240

125

功率因数

0· 86

o.81

o.82

o.82

o.8 }

o.81

0· 85

3 #机组

电流/A

230

480

730

880

740

480

250

有功功率/kW

110

250

365

490

380

245

120

功率因数

o.80

o.80

0 · 78

o.81

o.82

o.78

0 · 80

阻负荷试验数据无异常,试验期间无异常现象,试验数据如表4所示。

表4 12v1兕BCDI柴油发电机组水阻负荷

试验数据汇总表

机组号

额定负荷

功功

/kW

频率

/Hz

电压

备注

 

0

0

 

390

稳态电压

调整率:4 · 2%

 

125

49.78

384、8

 

250

49巧6

379.4

 

375

49.34

373巧

 

0

0

 

3

稳态电压

调整率:3.8%

05 厶

125

49巧9

384 · 5

5一0

250

49.25

380

/5“

375

48 · 80

375.3

 

0

0

 

390

稳态电压

调整率:4.7%

25·

125

49.74

383巧

气丷0

250

49.

376.8

宀/气一

375

49.巧

371. 6

负荷试验时任意2台机组并联运行无异常,带船上负荷进行并机组时,发现柴油发电机组双机并联运行时,功率因数表显示幅度0 · 2范围内,周期 0巧s左右的波动。

带船上负荷试验期间观察发现任意2台机组或、台机组并联都会有不程度的功率因数表抖动情况,功率表未发现抖动

第1期 中国修船

2 · 2故障分析和故障定位

柴油发电机组输出的总功率为视在功率,包括有功功率和无功功率,有功功率用于保持用电设备正常运行所需的电功率,无功功率用于电路内电场和磁场的交换,在电气设备中建立和维持磁场的电功率。无功功率不对外做功,而是转变为其他形式的能量。

功率因数是有功功率和视在功率的比值,是衡量电气设备性能的一项重要指标。水阻负荷试验中负荷的特性为纯阻性,发电机输出的功率基本上完全消耗在水阻负荷上,视在功率中主要为有功功率,功率因数接近1。

3台柴油发电机组单机运行工况正常,负荷试验数据无异常,机组运行稳定,任意两机组并联运行平稳,未发现功率因数表抖动现象,可以判断有功功率分配正常。带船上负荷与水阻负荷的区别是船上负荷通常为感性负荷,此时发电机输出功率包括有功功率和无功功率,分析判定导致双机并联运行中功率因数表抖动的原因为无功分配不均震荡。无功功率在柴油发电机组当前输出功率中的比重不断变化,会引起功率因数表波动,与实际现象符合,该现象主要是由于并联运行的柴油发电机组调差特性曲线不一致导致。

柴油发电机组的调差特性是指发电机端电压随该电机无功负荷变化而变化的曲线,当前3台发电机并联运行时调差为正调差特性,即当无功电流或无功功率增加时端电压随之下降,柴油发电机组中所配IFC5系列发电机并联运行时调差一般设定在

2%、3 · 6%范围内。

2 · 3故障处理和效果验证

在船上负荷工况下(双机共200 kW,单机 100 (W)对发电机AVR调压板(SX440)、调差装置分别进行了调整,两机组并联运行时功率因数表抖动现象有明显改善,幅度在± 0 · 03范围内,周期在1 s左右。

重新用负荷桶加电抗器模拟船上感性负荷,分别对3台发电机组调节调差装置电位器调整,统一各台发电机组调差特性曲线。安装调试后两机组并联运行时功率因数表在水阻及电抗器负荷工况下,低工况下幅度在± 0 · 01范围内、周期在0 · 1 s左右。实船负荷工况下两机组并机组1開kW负荷时功率因数表幅度在± 0 · 01范围内,周期在2 s左右抖动,

200 kW后无波动,试验数据见表5所示。

表5 12v1兕BCDI型柴油发电机组并联运行试验数据汇总表

 

1 #发电机

2#发电机

功率

/kW

电流

/A

频率

KHz

功率因数

功率

/kW

电流

/A

频率

/Hz

功率因数

 

 

 

50

o,8

60

92

50

0 · 85

 

110

250

49巧

o,7

100

248

49,5

o.75

 

140

280

49.4

o.7

140

280

49.3

o.7

 

300

570

49.2

o.7

310

570

49 · 1

0 · 7

机试 组验序验数

2 #发电机

3 #发电机

功率

/kW

电流

/A

频率

/Hz

功率因数

功率

/kW

电流

/A

频率

/Hz

功率因数

 

100

240

49.9

o.8

1

250

49.8

o.8

 

140

280

49,9

o,71

150

300

49 · 8

0 · 7

 

240

450

49 · 7

o.7

260

480

49 · 6

0 · 7

 

330

610

49巧

o,65

3

570

49 · 4

o.7

 

3 #发电机

1 #发电机

功率

/kW

电流

/A

频率

/Hz

功率因数

功率

/kW

电流

/A

频率

/Hz

功率因数

 

120

250

49.9

o,8

130

255

49.9

o,78

 

185

340

49,8

o,7

185

330

49 · 7

o.75

 

3

550

49 · 4

0 · 7

3

530

49巧

o,7

 

350

650

49 · 3

0 · 65

340

0

49 · 4

0 · 7

3柴油发电机组并联运行时功率分配不稳

3 · 1故障描述

2台500 kW柴油发电机组,配置为TBD604 型柴油机、IFC5型发电机,ECGIO開一J型电子调速器,通过配电板内机组控制器采集机组运行参数并控制电子调速器调速完成并机组状态下的负荷分配。单机负荷试验正常,数据如表6所示。

表丘TB型柴油发电机组负荷试验

单机数据汇总表

机组号

额定负荷

有功功率

/kW

转速

/(r/min)

频率

/Hz

备注

 

0

0

1 499

 

 

 

125

1 492

49.7

50

250

480

49、3

75

375

1 4

48.8

5

1 458

48.6

 

0

0

1 499

 

 

2

125

1 498

49.8

250

1 492

49.7

7

375

1 488

49.5

 

5佣

1 480

49.3


100 kW负荷并机组试验时出现2台机组互相抢负荷的现象,负荷分配不稳,总负荷增大后负荷分配有改善,250 kW以上负荷并机组试验时机组可稳定均匀分配负荷,功率因数表无抖动,机组并联运行期间配电板内负荷分配器动作正常。

3 · 2故障分析和故障定位

单机负荷试验中转速稳定,系统运行无异常,可初步判断系统硬件无故障,并联运行时负荷分配表现为2台并联机组来回拉负荷无法稳定。遥控调速电位器阻值不均匀可导致调速不均匀,使转速变化过快或缓慢引起调速系统超调,始终在调整过程中无法稳定;柴油发电机组电子调速器性能不匹配可导致并联机组调整曲线不一致,负荷调整速度慢,严重时无法稳定。

调速电位器在发电机组单机负荷试验并联运行试验时共用一个通道,单机试验中手动和自动调速转速变化均匀,无异常,同时断电检查调速线路绝缘良好,调速电位器电阻变化均匀,可以排除调速电位器的因素。

2台并联发电机组稳态调速率过低,在低负荷时会出现超调现象,以1 #和2 #柴油发电机组并联运行带1 kW负荷为例,负荷分配器调节一次,对应的柴油发电机组转速上升或下降4转,由表6 可以看到2#发电机过低的稳态调速率会导致并联运行时该机组负荷分配超调,无法实现2台并联机组负荷分配稳定。

2台并联发电机组稳态调速率如果过高,则会导致负荷分配器动作后负荷转移慢,并联机组实现负荷稳定分配的过程较长。根据故障现象分析判断

2台并联机组的稳态调速率需要调整和匹配。

· 3故障处理措施和效果验证

重新进行负荷试验,调整1 #、2 #柴油发电机组电子调速器性能,将2台机组稳态调速率统一调整为3%左右。

调整稳态调速率后,进行负荷并机组试验,试验数据如表7所示,并机组试验中2台机组负荷分配均匀,满足试验要求。

表7稳态调速率性能试验记录表

机组

序号

额定

负荷/%

功功

/kW

转速/

(r/min)

频率

/Hz

备注

 

 

0

0

1 499

 

稳态调速率: 2 · 6%

 

 

125

1 488

49 · 6

 

 

250

1 478

49.3

 

 

375

1 466

48 · 8

 

 

5

1 460

48.65

 

 

0

0

1 499

50

 

 

 

125

1 488

49.6

 

 

250

1 480

49 · 3

 

 

375

1 470

48,9

 

1

500

1 464

48,75

4对策和建议

· 1转速传感器安装和线路检查

检查转速传感器的安装,安装中要注意转速传感器对准飞轮的齿顶,安装完成后手动盘机组,检查间隙正常后电动盘机组。防止由于安装距离太远无法起动,或运行过程中转速信号丢失导致游机组。

检查电子调速器齿条连杆无松动,执行器接线牢靠,接触良好,避免偶发性转速跳变。

4 · 2初始值设定和参数调整

遥控调速的电动电位器应设定在中间位置后通过电子调速器转速设定电位器设定柴油机转速为额定转速,确保额定转速上下可调范围大致相同。

空机组电压按照要求调整为统一值,单机负荷试验时将电压调整率和稳态调速率调整为统一值,稳态调速率推荐调整值为3%,确保并机组后电压调整率推荐调整值为4%

 

5结束语

发电机并联运行中影响有功功率分配稳定、均衡的还有调速器线性、执行器和高压油泵齿条连杆安装、执行期油门反馈电位器精度、机械零位等因素;影响无功功率分配的还有AVR调压线性,旋转整流器等因素。但只要是合格的调速器和调压系统,关键因素还是稳态调速率和静态电压调整率这两个特性的调整,这是决定机组并联运行稳定,负荷均衡的关键因素。

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