基于變頻技術(shù)的發(fā)電廠供油動力裝置特性分析

章恩科

（浙江省電力建設(shè)有限公司，浙江 寧波 315012）

基于變頻技術(shù)的發(fā)電廠供油動力裝置特性分析

章恩科

（浙江省電力建設(shè)有限公司，浙江 寧波 315012）

針對新建機組鍋爐供油變頻動力裝置在安裝調(diào)試階段出現(xiàn)的技術(shù)問題，著重對冷卻變頻電動機本體的輔助風(fēng)機控制方式和變頻器受母線電壓降造成停運、變頻切換時爐前點火裝置失油壓等故障情況進行分析，通過修改變頻器的PLC邏輯、增加接線、在集控室對變頻柜進行軟件中組態(tài)，成功解決了問題。

變頻電動機；輔助風(fēng)機；母線電壓；油壓降

0 引言

燃煤發(fā)電機組鍋爐供油系統(tǒng)動力裝置經(jīng)歷了從“普通防爆電動機+油量調(diào)節(jié)閥”到“變頻器+變頻防爆電動機”的發(fā)展過程，實現(xiàn)鍋爐供油量控制的同時也節(jié)約了電能。鑒于380 V供油變頻器自身特性和變頻柜電源一次接線的原因，在安裝調(diào)試階段存在以下問題：安裝時碰到變頻電動機本體帶有不同軸的輔助風(fēng)機，而供貨合同冷卻方式為IC411（全封閉外表軸向自扇冷卻）；調(diào)試時6kV大容量高壓電動機啟動階段產(chǎn)生母線降壓造成變頻器停運，變頻裝置切換運行方式時發(fā)生爐前點火裝置因管道油壓低而點火失敗等。對此，需從電氣技術(shù)方面進行分析和處理，以確保機組鍋爐供油系統(tǒng)輸出油壓的穩(wěn)定可控。

1 輔助風(fēng)機控制方式的確定

變頻器在對輸入電源整流、逆變過程中都會產(chǎn)生小幅的諧波分量，在進行能量轉(zhuǎn)換時會將損耗轉(zhuǎn)變成熱量，通過變頻電動機本體的外殼和周圍介質(zhì)不斷將熱量散發(fā)出去，因此變頻電動機一般配有風(fēng)扇對其本體進行強迫冷卻。每臺機組設(shè)1套鍋爐供油動力裝置，主要包括1臺功率132 kW的變頻電動機、附增1臺功率2.2 kW的工頻輔助風(fēng)機、1面變頻控制柜內(nèi)設(shè)容量為198kVA的變頻器。

1.1 輔助風(fēng)機的電源接入

由于工頻輔助風(fēng)機與變頻電動機不同軸，因此考慮從變頻柜內(nèi)380 V總開關(guān)下增設(shè)1路引接作為輔助風(fēng)機的電源（見圖1），從而保證變頻電動機和輔助風(fēng)機同電源，在總電源開關(guān)合閘后同時得電，且減少對變頻電動機及其輔助風(fēng)機的電源控制環(huán)節(jié)。

實現(xiàn)變頻電動機和輔助風(fēng)機的遠程控制，輔助風(fēng)機一次回路由TR2熱繼電器和KM4接觸器組成，再由變頻器和PLC（可編程邏輯控制器）的程序?qū)佑|器閉合或斷開發(fā)出指令（電氣一次主接線見圖1，其中Q1為變頻柜內(nèi)總電源開關(guān)），熱繼電器能對輔助風(fēng)機進行保護并給出信號，接觸器可進行頻繁啟/停操作且可控制。變頻電動機和輔助風(fēng)機的就地/遠程控制回路見圖2，其中，KM1為變頻前接觸器合閘線圈，KM2為工頻接觸器合閘線圈，KM3為變頻后接觸器合閘線圈，KM4為輔助風(fēng)機合閘線圈，回路中的KM2和KM3常閉觸點使KM2工頻接觸器和KM3變頻后接觸器不能同時合閘，從而起到電氣互鎖作用。

圖1 變頻電動機和輔助風(fēng)機電氣一次接線

1.2 變頻電動機與輔助風(fēng)機的聯(lián)鎖邏輯

由于變頻電動機和輔助風(fēng)機電源均引自變頻柜內(nèi)，利用每面變頻柜的變頻器和PLC以及適當(dāng)增加控制接線，就可完成對1套供油動力裝置的1臺變頻電動機及其輔助風(fēng)機間啟停順序和保護停機邏輯聯(lián)鎖，實現(xiàn)對變頻電動機和輔助風(fēng)機的控制。鍋爐供油量的多少則根據(jù)機組運行狀況來確定，實現(xiàn)過程為：集控室DCS（分散控制系統(tǒng)）發(fā)出4～20 mA調(diào)節(jié)指令→就地油泵房I/O柜→變頻柜內(nèi)的變頻器和PLC→對應(yīng)變頻器調(diào)頻范圍38～50Hz→由變頻電機帶泵輸出不同大小的油壓。

變頻電動機或輔助風(fēng)機的啟停順序聯(lián)鎖邏輯為：輔助風(fēng)機啟動同步于變頻電動機，停機延遲（加延時繼電器）或可同步于變頻電動機的啟停順序。保護停機聯(lián)鎖邏輯為：在變頻電動機或輔助風(fēng)機的熱繼保護動作、接觸器故障和變頻器欠壓保護動作時，變頻電動機和輔助風(fēng)機停運。針對輔助風(fēng)機與變頻電動機聯(lián)鎖的要求，遠程操作時，集控室DCS側(cè)發(fā)送操作指令至就地變頻柜進行遙控，變頻柜側(cè)將運行參數(shù)、狀態(tài)等反饋到集控室DCS便于監(jiān)視，變頻電動機與輔助風(fēng)機就地/遠程控制接線見圖2（b）；就地操作時，則需要在變頻柜面板設(shè)有就地/遠程轉(zhuǎn)換開關(guān)、工頻接觸器合/分、變頻器（變頻電動機）啟/停、輔助風(fēng)機啟/停、變頻前接觸器合/分、變頻后接觸器合/分等操作按鈕和相應(yīng)指示燈。

圖2 變頻電動機與輔助風(fēng)機控制接線

2 供油變頻裝置運行方式的確定

每面變頻柜設(shè)置有工頻/變頻、變頻/工頻2種切換方式，在變頻器故障時只能切換到工頻狀態(tài)運行。利用集控室DCS軟件組態(tài)可實現(xiàn)多種切換方式，如對2臺機組的2面變頻柜（1號機組12A和2號機組12B）可組合實現(xiàn)12A工頻/12B變頻、12A工頻/12B工頻、12A變頻/12B變頻、12A變頻/12B工頻和它們的反向切換共8種方式。正常狀態(tài)下，2面變頻柜中12A或12B在較低的調(diào)節(jié)頻率下運行，對供油泵站到爐前點火裝置的供油管道作熱油循環(huán)，且另一面變頻柜在變頻狀態(tài)下作熱備用；當(dāng)1號或2號機組的鍋爐點火啟動或保安電源柴油發(fā)電機投運時，通過集控室DCS上調(diào)12A或12B變頻器的頻率指令來增加供油量。

但在機組的電動給水泵電動機啟動階段，變頻器出現(xiàn)停止輸出、在12A變頻/12B變頻或12A工頻/12B變頻切換時爐前點火裝置的油壓低于最低值，導(dǎo)致鍋爐啟動點火失敗或機組運行低負荷時因油槍熄火而直接停爐。

圖3 變頻電動機與輔助風(fēng)機主要聯(lián)鎖控制信號

2.1 母線電壓降對變頻器的影響

根據(jù)廠用電系統(tǒng)一次接線布置，1號、2號機組共設(shè)置2臺2×40 MVA啟動備用變壓器（簡稱啟備變，其余類推），短路阻抗Uk1%=14%，每臺機組6kV電動給水泵電動機功率為6300 kW；1號、3號機組主廠房6kV饋線柜通過高壓電纜分別為12A/B和34A/B的2×1600kVA公用變壓器（以下簡稱公用變）提供電源（短路阻抗Uk3%=8%），12A和34A變頻柜饋線開關(guān)布置在公用PCⅠ段，12B和34B變頻柜饋線開關(guān)布置在公用PCⅡ段。由于廠用高壓電動機類感性負載集中，尤其是電動給水泵啟動時會使6kV母線產(chǎn)生明顯的電壓降，1號機組整套啟動調(diào)試階段電動給水泵帶負載啟動時，變頻器因欠壓保護動作而停止運行；在6kV公用變低壓側(cè)實測線電壓約270 V，為額定值的70%。由此可知，廠用電源無論是由啟備變還是高廠變供電，6kV電動給水泵啟動時都會導(dǎo)致鍋爐供油380 V變頻電動機停運。

變頻器設(shè)有欠壓保護功能，當(dāng)輸入線電壓低于300 V時，變頻器收到截止指令并停止功率輸出，且欠壓保護整定值由程序鎖死而無法修改。雖然變頻器設(shè)有掉電自啟功能，在輸入電壓恢復(fù)到額定值后能自動重啟，但頻率從0Hz開始上升到啟動頻率（5～10Hz）后才可輸出功率，再由啟動頻率上升到38Hz最低調(diào)節(jié)頻率，因而運行時嚴重影響到供油管道內(nèi)油壓的穩(wěn)定。

為避開因6kV母線電壓降致使變頻器停運，采取了以下解決措施：利用集控室DCS對2臺機組的變頻柜通過軟件組態(tài)作1用1備的邏輯聯(lián)鎖，在1號機組6kV電動給水泵啟動前將12A變頻器先切換至2號機組12B變頻器運行。變頻器欠壓保護應(yīng)結(jié)合燃煤機組廠用電狀況，可對其整定值作適當(dāng)修改；廠用高壓變壓器可選分裂變和雙圈變結(jié)合的方式，盡量將輸入電壓穩(wěn)定性高的裝置與啟動階段引起明顯壓降的設(shè)備接在低壓側(cè)不同繞組的6kV母線上。

2.2 切換方式對油壓降的影響

輸油裝置采用DJ46-50×11型多級單吸離心泵，并通過Φ108mm管道接到爐前點火裝置，管道長約1000 m；1號和2號機組鍋爐輸油管道間設(shè)有連通閥，在1號機組輸油裝置故障時連通閥打開，由2號機組供油裝置提供燃油。在大容量高壓電機啟動階段，因6kV母線電壓波動對變頻器造成的影響可通過運規(guī)避開，但鍋爐啟動點火或機組降到低負荷運行前，一般變頻裝置都處在最低變頻，需通過調(diào)節(jié)頻率增加輸出燃油量。在12A變頻/12B變頻切換時，由于12A變頻電動機停運后輸油管道內(nèi)原燃油殘壓隨時間呈指數(shù)曲線衰減，而12B變頻啟動又將需要時間，爐前點火裝置油槍的油壓（油槍額定設(shè)計油壓3.5MPa）在2 s內(nèi)從油管道最低運行狀態(tài)的3MPa下降到2MPa，造成爐前管道油壓低于油槍最低點火值而熄火，說明12A電動機停運2 s后，12B變頻電動機產(chǎn)生的補充油壓與12A電機停運后燃油殘壓的疊加值還低于油槍最低點火值。

變頻電動機與輔助風(fēng)機主要聯(lián)鎖控制信號見圖3。雖然每面變頻柜內(nèi)設(shè)置的機械互鎖裝置在變頻器進行變頻/工頻切換時起到保護作用，但由單面變頻柜作變頻/工頻切換時可能發(fā)生KM3接觸器會有拉弧而使主觸點粘合、機械互鎖裝置卡死以及380 V變頻柜電源、變頻器本體故障等情況，這些因素都將增加變頻柜停運的概率，因此不采用在單面變頻柜將變頻直接切換到工頻運行。

在變頻切換時應(yīng)確保供油管道持續(xù)有效的油壓，特別是在機組鍋爐點火啟動或低負荷運行時更需保持輸油管道油壓的穩(wěn)定。在集控室DCS通過軟件組態(tài)對1號機組的12A變頻柜、2號機組12B變頻柜作切換聯(lián)鎖邏輯：1號機組的12A變頻柜變頻運行，2號機組的12B變頻柜熱備用（KM1接觸器合閘、KM3接觸器分閘）；當(dāng)12A變頻柜故障或正常停役，12B變頻柜直接工頻啟動。在12A變頻/12B工頻切換試驗時，爐前點火油槍沒有熄火，說明切換過程點火裝置的最低油壓還高于其最低點火值，能迅速補充油管道內(nèi)的油壓降。同理，1號機組的輸油裝置故障時，2號機組12B變頻柜也直接工頻啟動，且熱備用狀態(tài)的12B變頻柜由于變頻后接觸器KM3為分閘狀態(tài)，工頻接觸器KM2立即合閘，此時在12B變頻柜內(nèi)無需對KM2/KM3接觸器作合閘/分閘切換。

3 結(jié)語

針對鍋爐燃油380 V變頻動力裝置系統(tǒng)出現(xiàn)問題且無法更換現(xiàn)有設(shè)備的情況，采取對就地單臺變頻柜內(nèi)的變頻器+PLC程序作邏輯修改、增加接線、在集控室增設(shè)2臺變頻柜的軟件組態(tài)聯(lián)鎖等處理措施，確保了變頻電動機的安全運行、鍋爐供油油壓的可靠且連續(xù)穩(wěn)定，解決了鍋爐因管道油壓低而點火失敗的難題。

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（本文編輯：方明霞）

Characteristic Analysis on Power Plant for Fuel Supply Based on Frequency Conversion Technology

ZHANG Enke
（Zhejiang Electric Power Construction Co.，Ltd.，Ningbo Zhejiang315012，China）

Aiming at technological problems occurred in power plant for fuel supply of newly-built unit boilers based on frequency conversion technology during its installation and commissioning，the paper analyzes control mode of auxiliary blower for variable-frequency motor cooling，frequency converter shutdown due to bus voltage drop and fuel pressure loss of the ignition device before the furnace during frequency conversion.By modification of PLC logic of frequency converter，line increase and software configuration of frequency conversion cabinet in centralized control room，the problems are successfully solved.

variable-frequency motor；auxiliary blower；bus voltage；fuel pressure drop

TM621

：B

：1007-1881（2016）09-0062-04

2016-06-29

章恩科（1978），男，工程師，從事火電廠電氣技術(shù)管理工作。