燃气轮机静态变频启动系统（SFC）故障浅析

摘要：静态变频启动系统（SFC）作为燃气轮机的驱动装置，在燃机电厂中十分重要。本文以某燃机电厂为例，针对燃气轮机静态变频启动系统出现的静态启动装置（SSD）跳闸故障进行剖析，根据机组实际情况对可以采取的解决措施进行对比分析，从而考虑最佳解决方案。

0 引言

静态变频启动系统SFC（Static Frequency Converter）是利用大功率电力电子器件将工频电流输入变成连续可调的变频交流电输出装置。燃气轮机从盘车转速开始启动、点火、加速到自持转速的过程中，燃机自身做功不足以满足启动的要求，必须先利用SFC 拖动转子转动，使发电机平滑加速，实现机组启动。除满足燃机发电机正常启动外，SFC 还能满足燃机盘车、压气机水洗等要求。本文以某燃机电厂燃机静态变频启动系统为例，针对其出现的故障进行分析探讨：

1 系统简介

1.1 设备概述

该电厂燃气轮机采用哈尔滨汽轮机厂有责任限公司引进的ALSTOM 公司GT13E2 型燃机。GT13E2 型燃机配置有72 只EV 型燃烧器，单环形燃烧室、单轴、冷端驱动。透平为5 级，轴流式压气机、压气机为21 级，有三级抽气，四个防喘阀，分别在压气机第4、8、12 级处，压气机入口有一级可调进口导叶。配套发电机为箱式结构，静态励磁，采用强制循环空气冷却；启动方式为：发电机作为同步电机，利用静态变频器启动。

SFC 是一个复合系统，包含一个静态励磁系统（SES）和静态启动装置（SSD）。静态启动装置（SSD）是频率控制的电源，可用于将同步发电机作为电动机启动；静态励磁系统（SES）通过采用转换器直接控制磁场电流，来调节终端电压和同步设备的无功电流。以该厂为例，目前配套有2 套ABB 的静态变频系统（SFC1、SFC2）、2 套南瑞继保的励磁系统（SES1、SES2）。与之配套的是 2 台刀闸柜和1 台切换控制盘用以完成燃机至SFC 的切换控制。

1.2 运行情况

燃机启动时，静态变频启动装置一投上，转子就可以转动并加速（盘车系统退出）。

在点火成功转子升速过程中，当转子转速超过 SFC 功率降低转速（1500rpm）时，SFC 功率输出降低；当达到SFC 停止转速（2700rpm）时SFC 停止，随着机组功率输出的增加，燃机转速进一步上升，直至达到燃机空载转速（3000rpm）。

2.故障分析

2.1 故障概况

2022 年7 月，在该厂燃机启动升速过程中，燃机发出“SFC PROTECTA”保护报警，燃机静态启动装置SSD跳闸，虽然到达2700rpm 时SFC 自动退出，但由于检测到SFC 故障信号，燃机并网顺控无法继续执行，燃机顺控中断维持3000rpm 转速。SFC 故障需至就地控制柜进行手动复位后，故障消除，顺控方能继续执行。

由于燃机电厂承担着对电网调峰的重任，一旦因为 SFC 故障导致机组并网推迟或启动失败，会对电网安全及电厂经济产生严重影响。

2.2 原因分析

对比几次SFC 故障情况，均为燃机快升速至SFC 停止转速时 SSD 跳闸，观察 SFC 故障时电流、功率较正常启动时无太大差别，且对装置进行复位后无其他报警产生。查阅规程发现每次启动时SFC 的实际输出电流、电压都会有较大摆动，并会经常超过设计值，如图表中所示。

表 1 SFC 输出参数

在机组停运后电厂维护人员对SFC 相关系统进行检查，在对SSD 装置检查后发现装置本身并无问题。咨询维保人员是否为电流、电压超限引起，告知SFC 本身为大功率输出装置，电流、电压的摆动属正常现象。

该厂燃机曾出现过冬季由于润滑油温度较低，油系统阻力较大，而原定应的SFC 功率无法使转子升速至清吹转速 835rpm，维护人员对SFC 转速进行修改，将SFC 拖动转速修改为 840rpm，以此来保证清吹点火顺控顺利执行。

因此怀疑润滑油温会影响设备的调速，夏季出现该现象可能是由于润滑油温高引起。夏季润滑油温可达50℃，而冬季机组启动时只有大约为40℃，油温高导致油系统阻力较小，原定的功率可能会使SFC 超过SFC 停止转速时仍未停止，引起SFC 超速报警，SSD 装置跳闸故障。

3 解决方案

3.1 转速修改

效仿冬季时将SFC 拖动转速修改为 840rpm考虑此次是否也可通过修改 SFC 退出转速来避免 SSD 跳闸故障。电厂维护人员在经过讨论后暂时未修改SFC 退出转速，因考虑到随意更改参数会对燃机顺控产生影响，且润滑油温高引起 SFC 故障尚需论证，该方案暂不执行。

3.2 及时复位

在“SFC PROTECT A”保护报警发出，SSD 跳闸后，需要人员至就地SFC 控制面板对装置进行复位，复位成功后故障消除，只要复位及时，重新执行燃机启动顺控，燃机就可并网运行。

3.3 降低油温

为论证是否为夏季润滑油温高引起燃机SFC 故障，通过降低冷却水温度以此来降低润滑油温度。

降温后，润滑油温保持在 47℃左右，最高不超过48℃。经过实际验证，在将润滑油温度降低后，第二天机组启动过程中，“SFC PROTECT A”保护报警未报出，2700rpm 时SFC 正常退出，SSD 装置未跳闸，机组顺利启动并网。

保持同样的润滑油温度，在2022 年8 月-9 月，该电厂机组共启动13 次，燃机SFC 故障未出现，因此确定是由于夏季润滑油温度高引起SFC 超速，而降低润滑油温度可以有效解决该故障问题，成功避免 SSD 跳闸故障影响燃机并网，保证机组顺利启动。

4 效果及经济性分析

1. 通过后续观察，在降低润滑油温度后，SSD 跳闸故障在该电厂机组启动过程中未出现。彻底解决了燃机静态变频启动系统故障问题，确保SFC 功能组正常运行及退出，保证机组顺利启动。

2. 解决燃机SFC 故障问题后可避免机组并网延迟，该电厂为联合循环机组，若燃机延迟并网也会影响汽机并网。按推迟并网 15 分钟计算，可以多发电量：

25.8*0.25=6.45 万 kWh每次启动可以节约成本：

25.8*0.25*0.8550=5.51475 万元年节约启动成本（每年启动约 150 次）：

25.8*0.25*0.8550*150=827.2125 万元

5 结论

通过对该电厂燃气轮机静态变频启动系统发生的故障进行分析，最终确定是由于夏季润滑油温高影响设备调速导致SFC 超速报警，SSD 跳闸故障，通过降低润滑油温度后得到有效解决。实际验证表明此种方法可以有效解决燃气轮机启动过程中出现的SSD 跳闸故障问题，确保设备安全。后续将会继续密切关注夏季时该电厂SFC状态，观察相同故障是否还会继续发生，同时会对燃机SFC 出现的新的故障问题进行分析处理。

参考文献：

[1] 刘惠明. 大型燃气轮机发电机组静态变频起动装置及其运行维护[J]. 燃机轮机发电技术2000，2（3-4）：198-22.

[2]阮伟.静态变频器（SFC）在燃机电厂的应用[J]. 电气开关，2007，（2）：48-51.

[3] 王成龙. 静态变频启动装置在燃气电厂的应用[J].企业技术开发，2013，32（17）：65-68.