變頻與工頻運行自動切換系統在一次風機上的應用

摘要:高壓變頻技術在火電廠輔機動力上應用后節能效果顯著，但目前變頻器的可靠性還不能滿足發電廠的穩定運行要求，本文介紹了一次風機變頻與工頻運行自動切換系統的設計思路和應用情況，在保證鍋爐安全運行前提下達到節能降耗的目的，為火發電廠風機變頻控制技術安全應用提供借鑒。

關鍵詞:一次風機 變頻 自動切換 轉換函數

1 概述

1.1 設備概況 一次風機是火力發電廠內重要的輔機，容量大、耗電多，而且長期處于連續運行、低負荷及變負荷運行狀態，目前大多數采用節流調節的方式控制一次風母管壓力，其節能潛力巨大，采用變頻調速技術是比較理想的的節能途徑。但從目前各發電企業運行的變頻器統計，許多品牌的變頻器都多多少少的出現過變頻器本身故障或被外界因素誘發跳閘事件。

華能上安電廠300MW機組一次風機為上海鼓風機廠生產的2518AZ/842型雙進單出離心風機，雙側對稱布置，風量為46.8m3/s，風機效率為83%，配置的電機為YKK630--6型鼠籠電機，額定電壓6KV，額定功率為1120KW，額定電流為122.6A，轉速為1486轉/分。

1.2 問題提出 雖然一次風機采用變頻調速是較理想的節能措施，但電力生產的特殊性要求一次風機運行不僅要有較高的經濟性，而且首先要有足夠的安全可靠性，盡可能減少一次風機變頻跳閘對鍋爐運行的影響，避免因一次風失壓導致鍋爐滅火情況發生。由于變頻器是一個復雜的大功率電力電子裝置，要想達到目前工頻運行方式下的可靠性還有一段差距，就目前運行情況看，不管是進口變頻器，還是國產變頻器，都多次出現過變頻器本身故障或被外界因素誘發跳閘的情況。因此，為解決火力發電廠鍋爐一次風機采用變頻調速后機組的安全穩定運行問題，需解決兩個問題:一是自動切換如何實現;二是切換過程中如何使風量變化幅度最小，以滿足鍋爐穩定燃燒的需要，這就需設計變頻與工頻自動切換系統來解決。

2 變頻與工頻運行切換系統設計

2.1 自動切換系統原理圖

該系統由變頻器入口斷路器QF1、出口斷路器QF2、工頻旁路斷路器QF3和變頻器組成。當引風機變頻運行方式時，操作變頻器入口斷路器、出口斷路器閉合，然后啟動變頻器，開啟一次風機變頻運行。工頻運行時，斷開變頻器入口斷路器、出口斷路器，然后閉合工頻旁路斷路器轉換到工頻運行。當變頻器檢修時，拉出QF1、QF2斷路器，形成明顯斷點。電氣聯鎖及操作基本原則如下:①變頻器入口斷路器QF1與變頻器實現聯鎖保護，當變頻器不具備送電條件時，閉鎖QF1合閘回路，當變頻器出現重故障時，緊急分斷QF1斷路器。②變頻器出口斷路器QF2與變頻器實現聯鎖保護，當QF2沒有閉合時，禁止啟動變頻器。③QF3與QF2之間存在電氣硬接線和DCS邏輯雙重閉鎖功能，兩個斷路器不能同時閉合。④斷路器QF2與斷路器QF3處的接地刀閘存在互鎖功能，防止設備運行或檢修時誤操作導致嚴重事故。⑤QF1斷路器配變壓器保護，保護動作時跳開QF1斷路器，連跳QF2斷路器。QF3斷路器配置電動機保護，保護動作時跳開QF3斷路器。QF2斷路器配置電動機保護，保護動作時閉鎖變頻向工頻切換。

2.2 風機入口擋板自動調整方案 變頻器運行中跳閘后，在切換到工頻過程中，風機入口擋板必須快速響應關到相應位置，以確保一次風量較小波動，但擋板回關位置如何確定，這就需要提前計算給定。一次風機轉速給定信號與風量是線性關系，但入口擋板開度與風機風量則是非線性關系。因此，當變頻器跳閘時，DCS系統要用當時變頻轉速給定信號控制風機入口擋板開度，方能使自動切換前后的風量相等。經過多次在現場試驗測定了入口擋板開度與風機風量、轉速的函數關系，建立了在本側風機同一出力下，由變頻控制狀態轉化為擋板控制時所須擋板開度的轉換函數，將其輸入DCS系統內，則當變頻器跳閘時，風機入口擋板可實現根據跳閘前變頻器的轉速自動調節到需要的位置，保證切換前后的風量相等。

2.3 風機入口擋板動作速度問題 在風機變頻改造中，風機入口擋板的動作速度對鍋爐的影響很重要，特別是當變頻向工頻切換時。在切換過程中，為防止電機過電壓，從變頻器故障到旁路開關合閘約需4秒左右時間，電機進入全速運轉還需要6-10秒時間，為了抵消由于電機速度增加而帶來的風量增加，入口擋板應在幾乎相同的時間內關到預定位置，因此要求入口擋板的動作速度要快。為了實現風機檔板在變頻器故障時快速動作和工頻運行時調整操作穩定，要求風機檔板執行機構在故障狀態時動作速度快，正常操作時動作速度要慢，以符合運行人員的調整要求，為此應選擇擋板的全行程關時間控制在12-15秒為宜。

2.4 自動切換系統DCS控制邏輯設計 一次風機應用變頻調速控制后，運行調節最終要滿足一次風壓的要求。變頻方式運行時一次風壓調整不再依靠調節入口擋板開度來改變風量，改為以一次風母管壓力為被控對象，變頻器接受DCS提供的4-20mA速度給定信號，調節一次風機轉速來改變進氣量。同時保留了一次風機入口擋板備用功能，一次風壓即可通過變頻器也可通過入口擋板進行調整。

通常，兩側一次風機變頻方式運行時，一次風機入口擋板應手動放到100%全開位置，一次風壓通過變頻器進行自動調整。一臺變頻器故障后，如果需要故障側一次風機工頻運行，故障側一次風機入口擋板可置于全開，利用非故障側變頻運行風機進行一次風壓變頻自動調節，也可將非故障側變頻運行風機手動設定一定轉速，然后兩側擋板同時投自動進行一次風壓力調節。當兩臺一次風機都在工頻方式運行，一次風機入口擋板可投自動進行調節，與改造前相同。

2.5 自動切換系統應用效果

2.5.1 一次風機變頻控制改造結束后，在空載和帶負荷情況下進行了手動工頻向變頻、手動變頻向工頻切換試驗，工變頻切換平穩，入口擋板響應迅速，一次風壓波動很小。在修后超速試驗前，又模擬了變頻器重故障停機狀態，自動切換系統成功啟動，轉到工頻運行，同時入口擋板關到相應位置，對鍋爐燃燒沒有造成任何影響。

2.5.2 一次風機變頻控制改造后，在機組負荷250MW時，發生了一次變頻器內部故障，從變頻運行方式自動切換到工頻方式，從運行曲線觀察，一次風壓波動很小，鍋爐負荷基本沒有受到影響。

2.5.3 一次風機變頻改造結束后，節能效果顯著，與變頻改造前電機運行參數相比，滿負荷時電流下降約25A，半負荷運行時電流下降約26A，從供電開關處統計用電量分析，變頻控制改造后月平均節電28%，同時從一次風機單耗試驗分析，改造后能耗下降約25%。

3 結語

高壓變頻器近年在電力系統雖然應用較廣，但大多考慮的是節能效果，積累的運行經驗較少，安全隱患不容樂觀，在故障情況下多次出現影響機組負荷或導致機組跳閘事件。華能上安電廠300MW機組一次風機變頻與工頻運行自動切換系統的設計和應用，避免了變頻器故障時對機組安全運行的威脅，通過正常情況下的切換試驗和變頻器故障時的成功切換觀察，對鍋爐燃燒影響很小，同時變頻控制技術應用后節能效果顯著，改善了鍋爐一次風壓調節品質，值得火電廠風機類輔機變頻控制改造時借鑒和推廣。

參考資料:

[1]風機及系統運行與維修問答/機械設備維修問答叢書，機械工業出版社，2004.

[2]蔡增基.流體力學泵與風機(第五版)，中國建筑工業出版社，2009.

[3]王朝暉.泵與風機，中國石化出版社，2007.