低電壓穿越對給煤機變頻器影響的試驗與研究

韓峰，余程

(1.浙江浙能技術研究院有限公司控制技術所，杭州 310000； 2. 浙江浙能蘭溪發電有限責任公司， 浙江 蘭溪 321100)

0 引言

隨著電力技術的發展，變頻器在電廠中的應用越來越廣泛，浙江浙能蘭溪發電有限責任公司(以下簡稱浙能蘭溪電廠)在給煤機、空氣預熱器、真空皮帶機等多處設備都應用了變頻器，但由于有時電網電壓不穩定，導致變頻器在使用中出現欠電壓保護動作、過電壓保護動作等問題。引起電源電壓晃動的原因有很多，如電網電壓波動、雷擊、大設備啟動等。空氣預熱器、真空皮帶機等設備的變頻器停運后，可在短時間內搶啟備用設備，而給煤機變頻器的故障停運會導致給煤機直接跳閘，最終造成鍋爐主燃料跳閘(MFT)。

為了避免因系統低電壓擾動造成給煤機跳閘，從而觸發機組跳閘這一嚴重事故情況的發生，針對浙能蘭溪電廠的設備情況，開展了低電壓對給煤機變頻器影響的試驗與研究。

1 浙能蘭溪電廠機組概況

浙能蘭溪電廠總裝機容量為4臺600 MW超臨界機組。采用北京巴威公司制造的B&WB-1903/25.40-M型超臨界、中間再熱、平衡通風、固態排渣、全鋼構架、露天布置的P形螺旋爐膛直流鍋爐，燃用具有中等結渣性的煙煤；采用正壓直吹中速磨煤機制粉系統，前后對沖燃燒方式，每臺鍋爐配備6臺ZGM113G型中速輥式磨煤機，每臺磨煤機配有1臺GM-BSC22-26型耐壓稱重式給煤機；對應爐膛兩側墻布置36只DRB-4Z低NOx雙調風旋流燃燒器，燃燒器上層配有前后各8個燃盡風門；鍋爐露天戴帽布置，噴燃器以下緊身封閉，在尾部豎井下設置2臺豪頓華三分倉空氣預熱器。

2 提高給煤機抗低電壓穿越能力的方法

浙能蘭溪電廠每臺機組配置6臺上海大和衡器有限公司生產的耐壓稱重式給煤機，采用中速磨煤機冷一次風正壓直吹式制粉系統，給煤機采用安川電機(中國)有限公司(以下簡稱安川)生產的VS-606V7變頻器，有欠電壓自啟動功能。整臺給煤機主要分為控制電源和動力電源。由于給煤機內儀表的控制電源取自不間斷電源(UPS)(220 V AC)，所以控制電源基本不會出現欠電壓情況；給煤機動力電源取自電動機控制中心(MCC)段380 V動力電源。電網短時低電壓對UPS無任何影響，但對MCC段動力電源影響較大。

通過分析有關變頻器的技術資料及變頻器欠電壓的研究資料，目前針對給煤機低電壓跳閘主要有以下幾種解決方法。

(1)用蓄電池作為變頻器的備用電源。將給煤機的主、備用電源通過開關分別接入變頻器交流輸入端和直流母線上，正常工作時兩路電源同時投入，交流電源提供變頻器驅動電機的能量，同時為蓄電池充電。一旦交流電源電壓降低或中斷，直流電源蓄電池將會給變頻器直流母線供電，維持變頻器正常運行。供電時間的長短取決于電機的負載和蓄電池的容量，變頻器故障或收到其他相關保護信號時快速斷開直流電源，確保系統安全可靠運行。目前已有專業的公司開發出成套的系統，例如臺灣宏瑞公司的DC-BANK、南京國臣信息自動化技術有限公司的抗晃電系統等[1]。

(2)為變頻器接入在線UPS。變頻器采用UPS供電，但目前應用大型UPS為變頻器供電的案例不多，動力用UPS存在電源容量大、轉換效率低、投資成本高、維護成本高等缺點[2]。

(3)為給煤機停運信號設置一定延時，給煤機變頻器設置掉電自啟動，在設定的延時時間內自啟動成功則認為系統正常，否則給煤機跳閘。給煤機判斷停運增加延時有兩種方法：一是在分散控制系統(DCS)邏輯中增加延時判斷給煤機停運，低電壓恢復后，DCS遠方重新下發啟動指令，如果超過一定時間電壓未恢復，則發停運指令；二是在就地設備中增加延時，低電壓恢復后，變頻器自啟動。方法2比方法1能夠更快速實現自啟動。

以上3種方法中，前2種方法投入成本較大，增加了蓄電池等設備，每臺給煤機都要增加1套成套的系統，1臺小型變頻器價格在10 000元以下，而成套裝置成本為變頻器成本的10倍以上，且有些型號的變頻器還要進行改造以符合成套裝置的要求；同時，由于大型蓄電池等設備的增加，使設備的定期檢修工作更加繁瑣，增加了故障點及定期維護工作，不利于給煤機的日常運行及維護。針對浙能蘭溪電廠的設備情況，第3種方法簡單，不增加設備，投入成本較小，但在邏輯上應設置更加嚴密的保護，需要試驗進一步論證其可行性。

3 給煤機變頻器設置自啟動方式的可行性

3.1 文獻研究分析

以往的文獻資料多處提到通過鍋爐爐膛安全監控系統(FSSS)的給粉機全停邏輯延時來處理這個矛盾，大都認為：延時會導致FSSS安全級別降低使用，存在爆爐隱患；沒有延時，因為給粉跳閘引起停爐，給生產帶來巨大經濟損失。這些文獻多是針對中間儲倉式制粉系統，但現有制粉系統主要為中間儲倉式制粉系統和直吹式制粉系統。

對于中間儲倉式制粉系統，當鍋爐負荷變化不大時，一般只改變運行給粉機的轉速，從而改變進入一次風管的煤粉量；當鍋爐負荷變化較大，已超出給粉機的轉速調節范圍時，可以通過改變投停燃燒器數量和運行給粉機臺數來較大幅度改變煤粉量。所以對于中間儲倉式制粉系統來說，如果給粉機變頻器停運或給煤機轉速迅速降低，將嚴重影響燃燒器燃燒，多臺給粉機同時停運，勢必引起鍋爐滅火，最終導致停爐。如果此種制粉系統的變頻器設置再啟動功能，鍋爐滅火后大量的煤粉會再次沖入鍋爐，造成鍋爐爆燃等嚴重后果[3-5]。

對于直吹式制粉系統來說，制粉系統的出力將直接影響鍋爐蒸發量的大小，制粉系統中磨煤機的出力決定了制粉系統的能力。當鍋爐負荷變化不大時，一般通過改變運行給煤機的轉速來調節煤粉量，但調節燃料量的同時還要調節風量，而風作為煤粉的輸送介質，直接影響進入爐膛燃料的多少。磨煤機內可積存一定的煤量，在風量正常的情況下，磨煤機磨出的粉直接吹進鍋爐。由于磨煤機出粉存在一定的時間差，在積存的可磨煤能夠保持正常燃燒的情況下，給煤機短時間停運不會對系統造成任何影響。直吹式制粉系統磨煤機主要為中速磨煤機和雙進雙出鋼球磨煤機，雙進雙出鋼球磨煤機的煤粉儲備量相當于磨煤機運行10～15 min的出粉量[6]，給煤機在低電壓情況下短時間停運，完全可以支持正常燃燒。

正壓中速磨煤機正常運行過程中，如果出現電網低電壓情況，給煤機變頻器停運后，磨煤機內部的存煤能穩燃的時間取決于磨煤機的出力和磨煤機內部的存煤量。正壓中速磨煤機存在最小出力要求，一般能降到額定出力的40%維持正常運行，低于最小出力運行時，由于磨盤上煤層過薄，研磨部件的金屬部分可能會直接接觸，導致磨煤機出現強烈磨損或振動等事故，所以正常運行時，都會保持磨煤機磨盤上積存一定的煤量，這小部分存煤能維持數秒燃燒，所以可以設置給煤機變頻器低電壓自啟動功能，以避免電網電壓波動的影響。

3.2 正壓中速磨煤機支撐正常燃燒的時間

正壓中速磨煤機支撐正常燃燒的時間取決于磨煤機內部的存煤量和當時磨煤機的出力，磨煤機的出力與風量、煤種等有關，其中的很多變化因素都很難估算。在人工停運給煤機過程中，對于正壓直吹式制粉系統，為了將中速輥式磨煤機內的煤粉燃盡，總會在給煤機停運約1 min后再停磨煤機，而在這段時間內磨煤機仍能正常運行，說明磨煤機內部積存的煤量在風量正常情況下能夠支持1 min左右的燃燒。給煤機日常停運曲線如圖1所示。

一般情況下，電網低電壓穿越故障時間小于2 s，對于中速磨正壓直吹式制粉系統或者類似的系統，可利用磨煤機內的存煤支持燃燒，躲避2 s內的低電壓穿越，不會對系統造成嚴重的影響。但在給煤機實際停運的2 s內，保持給煤機虛假運行2 s，給煤量會保持原有數值不變，如停運超過一定時間，則認為系統實際故障停運。

3.3 給煤機短時停運、自啟動后對鍋爐的影響

圖1 給煤機日常停運曲線

圖2 3臺給煤機同時手動停運10 s再啟動

2014年1月21日，浙能蘭溪電廠現場測試給煤機變頻器停運一定時間后自啟動對鍋爐運行的影響。選擇#2機組負荷480 MW左右，5臺磨煤機給煤機同時運行，模擬正常運行過程中1～3臺給煤機同時停運數秒后重新恢復。通過DCS手動將單臺給煤機給煤量指令打到0，停運時間10 s以上，再進行啟動，火檢情況正常，無大幅波動情況，火焰燃燒情況與日常正常運行情況基本一致；之后依次進行了2臺給煤機同時指令到0，3臺給煤機給煤量指令同時到0的試驗。從圖2可以看出，3臺給煤機停運10 s的過程中，火焰信號正常，爐膛壓力波動正常，主蒸汽溫度等運行平穩。該試驗也同時驗證了給煤機在低電壓情況下設置自啟動的可行性， 10 s內自動啟動正常不會對整個鍋爐系統產生影響。

4 給煤機變頻器低電壓帶載試驗

為了驗證各種變頻器能否在低電壓情況下實現掉電自啟動，分別選用了安川的V7，H1000以及ABB公司的ACS550等變頻器進行了模擬低電壓情況下的帶載試驗。根據電網低電壓穿越情況和給煤機設置情況，依據DL/T 1648—2016《發電廠及輔機變頻器高低電壓穿越技術規范》，分別針對3種低電壓穿越區進行試驗。

(1)變頻器持續低電壓穿越區：變頻器電源進線電壓幅值小于額定電壓，且大于或等于90%額定電壓，持續時間5 s以上的電壓及時間區域。當變頻器電源進線電壓跌至該區域，變頻器應可靠供電，保障對象安全運行。

(2)變頻器短時低電壓穿越區：變頻器電源進線電壓幅值小于額定電壓，且大于或等于60%額定電壓，持續時間不大于5 s的電壓及時間區域。當變頻器電源進線電壓跌至該區域，變頻器應可靠供電，保障對象安全運行。

(3)變頻器瞬時低電壓穿越區：變頻器電源進線電壓幅值小于額定電壓，且大于或等于20%額定電壓，持續時間不大于0.5 s的電壓及時間區域。當變頻器電源進線電壓跌至該區域，變頻器應可靠供電，保障對象安全運行。

在試驗過程中發現，每種變頻器所能承受的最低電壓不相同，當電壓暫降至一定值后，會出現變頻器失電停止運行的情況。

系統電壓位于持續低電壓穿越區時，所有試驗型號的變頻器都能夠滿足規范要求，在6 s內穩定運行，對系統沒有任何影響。系統電壓位于變頻器短時低電壓穿越區時，持續時間不大于5 s，通過調整變頻器運行參數，部分變頻器能夠保證給煤機處于運行狀態。系統電壓位于變頻器瞬時低電壓穿越區時，部分變頻器，如ABB的ACS550，在系統電壓低于60%額定電壓時會出現短時失電，無法保持運行狀態信號，導致給煤機控制器認為變頻器故障停運，變頻器不會重新自啟動；高端變頻器，如安川的H1000，在達到瞬時低電壓穿越區極限值時也不會出現失電停運現象，變頻器能夠處于帶電運行狀態，系統電源電壓恢復正常后變頻器能夠繼續穩定輸出電壓。

當系統電壓低于變頻器瞬時低電壓穿越區一定時間后(持續時間大大超過0.5 s)，如安川H1000在電壓低于15%額定電壓一定時間后，也必然會出現類似ACS550變頻器的失電停運現象。此種情況下，掉電自啟動設置將會失去重啟作用，應在給煤機控制邏輯中引入其他失電判斷條件，如引入動力電源監視繼電器，判斷變頻器電源發生低電壓情況時，延時一定時間觸發給煤機啟動指令，如果低電壓時間過長，應觸發給煤機停運指令，以保證給煤機長時間欠電壓后不會再啟動[7-8]。

5 結束語

給煤機、磨煤機日常運行數據及試驗說明，對于大型火力發電機組正壓直吹式制粉系統，可通過磨煤機內積存的煤來支持一定時間的燃燒，可實現給煤機變頻器在低電壓情況下短暫停運后自啟動，對鍋爐燃燒系統不會有任何影響。本文通過現場試驗，證明可通過設置低電壓情況下自啟動功能和在控制邏輯中引入其他失電判斷條件，實現給煤機變頻器低電壓穿越。