淺談電廠冷卻塔風機軟啟動改造

郭晟昆

（廣州大學城華電新能源有限公司 廣東廣州 510000）

0 引言

大功率交流電機直接啟動（硬啟動）會產生一系列的電器和機械問題。電器方面，啟動時可達5 倍～7 倍的額定電流，電動機繞組因電流引起過溫，造成供電網絡電壓波動，影響其他設備的正常運行；機械方面，過大的啟動轉矩產生機械沖擊，對其帶動的設備造成大的沖擊力，縮短使用壽命，影響精確度，如使聯軸器損壞、皮帶撕裂等，造成機械傳動的非正常磨損及沖擊，加速老化，縮短壽命［1］。為改善啟動性能，通用做法是采取軟啟動方式。啟動方式有自耦變壓器降壓啟動、星三角降壓啟動、電力軟啟動器啟動、變頻器啟動等電力軟啟動方式，以及采用液力耦合器及其他一些性能更好的機電一體化軟啟動產品。其中，電力軟啟動器啟動在降低啟動電流、改善啟動性能方面有著較高性價比，在國內外得到了廣泛的應用［2］。

1 機組概況及暴露的問題

1.1 硬啟動暴露的問題

本廠冷卻塔風機電動機為上海電機YD355L1-8/4W，額定功率60/160 kW，額定電流131/277 A，額定轉速745/1485 r/min，采用雙速風機硬啟動方式。直接啟動電動機時，啟動電流倍數K1應滿足公式（1）所含的條件：

式中：Ist為電動機的啟動電流，A；In為電動機的額定電流，A；Sn 為電源的總容量，kVA；Pn為電動機的額定功率，kW。

本廠站用變額定容量Sn取2 000 kVA；Ist/In比值取啟動時最大值為7；Pn取冷卻塔風機低速啟動60 kW，得出K1=7≤9.08。雖然可以直接啟動（硬啟動）并且對母線電壓降不大于10%，但是多年的頻繁啟停，我們仍然發現許多硬啟動方式對冷卻塔風機機械及電氣方面產生的不良影響。通過對冷卻塔風機機械及電氣缺陷的分析，總結電機在硬啟動下方式所暴露出的問題。

啟動時，硬啟動方式對冷卻塔風機機械部分的齒輪箱沖擊較大，機械磨損問題突出。對比減速箱齒輪及扇葉的檢修情況，發現硬啟動對機械的沖擊比較大，機械磨損造成振動偏大，也影響到了電機的穩定運行；高低速切換繁瑣，切換時必須停下電動機；電機的頻繁啟停讓電機承受過多的大電流沖擊，容易發生繞組絕緣被擊穿，影響電機的使用壽命。硬啟動造成啟動電流過大耗電量大，啟動力矩不可調，啟動不穩定。如果啟動過程中電動機跳閘，甚至對開關及廠用電系統造成沖擊，影響其他設備的正常運行，所造成的電壓降會影響同一電網變壓器下其它電氣設備的正常工作。本廠的冷卻塔風機電機直接啟動，電流過大產生的沖擊損傷是很明顯的，雙速切換邏輯繁瑣，不利于操作。硬啟動方式在切換高速、低速運行時，要先停電動機才能實現切換，降低了工作效率，不利于運行人員操作。啟動時產生的巨大噪聲擾民等現象，以及暴露出的其他問題也需要改進完善。

1.2 軟啟動器的方案確定

分析前文提出的4 種軟啟動方式：自耦變壓器降壓啟動方式需另外單獨配置1 臺自耦變壓器，體積大、質量大，不適用于冷卻塔塔風機控制柜現有的布局結構；星三角降壓啟動時，啟動電流只有全電壓啟動電流的1/3，啟動力矩只有全電壓啟動力矩的1/3，導致力矩不足使電機啟動失敗，且在星三角轉換時會產生沖擊電流對電網造成沖擊；變頻器啟動方式需要額外購置變頻器及其相應配件，投資成本巨大，不符合經濟效益最優化原則。故本次冷卻塔風機雙速電機使用軟啟動器啟動方式，其啟動初始電壓及啟動初始力矩均可根據需求自行調節，啟動平滑性、柔性好，并且軟啟動的功能同樣也可以用來電機制動，實現軟停車，降低啟動時對減速箱的沖擊力度，同時控制啟動電流，消除對廠用電系統的影響。結合前期潤滑油系統改造，將潤滑油泵控制進一步整合，優化系統控制模式，提高可靠性，簡化操作，提高效率。

1.3 項目裝置介紹

本項目計劃重新制作冷卻塔風機啟動控制箱，安裝于冷卻塔風機平臺，整合風機軟啟動控制、高低速切換、潤滑油系統控制及聯鎖、保護及故障報警、運行參數監視及設置、箱內環境控制等功能。軟啟動器選用施耐德ATS48C41Q 軟啟動器，由三相反并聯的晶閘管構成。它串接在三相電源與電動機之間，通過改變晶閘管門極脈沖觸發角度，使晶閘管導通角從零逐漸增大。根據預先設置的軟啟動器參數曲線，電動機輸出力矩隨電機上的端電壓的增大而逐漸增大，轉速隨之逐步提高，直至達到額定端電壓、額定轉矩和轉速，啟動過程結束［2］。控制邏輯由西門子S7-200 PLC 實現，自行開發顯示操作界面（基于單片機系統及圖文液晶顯示屏）用作運行參數監視設置。控制箱用304 不銹鋼制造，提高防雨、防塵、防小動物等防護等級，箱內安裝溫濕度傳感器、加熱器、冷卻通風風扇等環境控制設備。

2 改造實施方案

2.1 軟啟動改造的運行原理

施耐德ATS48C41Q 軟啟動器啟動模式豐富、保護功能完善、可設置第二電機參數（本案作低速參數），較適合啟動雙速電機。軟啟動器由PLC 控制，PLC 通過開出點啟動軟啟動器。軟啟動器按預設參數啟動電機，主回路用軟啟動來切換。軟啟動接入電源和電動機定子之間。使用軟啟啟動電動機時，輸出電壓逐漸增加，電動機逐漸加速，直到達到全壓，電流達到最大后逐漸降低。待電機達到額定轉數時，啟動過程結束［3］。啟動完成后通過接點信號反饋至PLC，由PLC 控制合上旁路接觸器KM 完成啟動過程，為電機提供高速運行時的額定電壓，實現了啟動過程中的平滑啟動，大幅降低了啟動電流和電壓暫降幅度，減少了高次諧波含量，延長了電機使用壽命和檢修周期。

2.2 軟啟動改造的目標

將冷卻塔風機的直接啟動改為軟啟動，降低啟動電流和啟動力矩，減少對設備的沖擊磨損。冷卻塔風機一次啟動原理見圖1。

圖1 冷卻塔風機一次啟動原理圖

（1）高、低速切換由KMyy1、KMyy2、KMd 3 個接觸器組成，KMyy1、KMyy2 吸合時，電機繞組接成雙Y，電機處于高速狀態；KMd 吸合時，電機繞組接成三角，電機處于低速狀態。兩組接觸器互鎖，防止形成短路。當軟啟動完成后，旁路接觸器KM吸合，將軟啟動器旁路。

（2）潤滑油泵由PLC 控制，設有熱繼電器保護，油壓經變送器轉換成4 mA～20 mA 信號送入PLC AI 模塊，作為保護及邏輯控制用。

（3）簡化雙速切換，提高自動化程度。

3 效益分析

3.1 經濟效益

本廠塔風機共3 臺，于2015 年10 月至11 月期間改造完成#1 冷卻塔風機，2016 年上半年陸續完成另外2 臺冷卻塔風機的改造項目。投入運行以來，經自檢及運行人員巡檢，軟啟動裝置運行正常，冷卻塔風機啟動時噪聲明顯減小。改造前冷卻塔風機電機啟動電流峰值約為2 000 A 左右，改造后約為1 000 A 左右，峰值降低50%，啟動電流大幅度降低，延長了電機的使用壽命。本廠為調峰機組，調度根據電網負荷波動下達早起晚停任務，峰電、平電時段為2 套機組滿負荷運行，谷電時段停1 套機組，單套機組運行，故冷卻塔風機改變啟停次數，平均每年300 次以上，個別年份啟停次數可達400 次以上。

本廠冷卻塔風機主要用于冷卻廠用循環水，保證凝汽器真空度及使用廠用循環水設備的電機溫度處在最經濟運行溫度。影響冷卻塔風機耗電量的主要因素為本廠冷卻塔風機啟動臺數及功率，根據當時發電機運行機組數及溫度狀況（低溫條件下廠用循環水溫度低于啟動冷卻塔風機降溫的最低數值，高溫條件下啟動多臺冷卻塔風機冷卻廠用循環水溫度），其余各類因素為偶然因素或無法統計數據，不計入統計。發電機運行機組數難以統計。現使用年發電量與冷卻塔風機年耗電量進行對比，另列出當年的年平均最高溫度及年平均最低溫度，具體見表1。

表1 2015～2017 年冷卻塔塔風機、發電機運行機組及溫度狀況統計表

由表1 可知，對比2017 年與2016 年度數據，在年平均最高溫跟最低溫均大于2016 年度的情況下，冷卻塔風機耗電率反而下降了約0.03%，降低了生產運行成本，做到了節能降耗。得益于軟啟動器控制的優越性，檢修人員對冷卻塔風機減速箱及電機的維修周期跟更換頻率大幅減少，原件磨損的更換費用、廠家派遣的技術人員費用及冷卻塔風機故障維修期間的發電量損失也大幅降低。

3.2 安全效益

機組運行時，若其中1 臺冷卻塔風機因故障停運，會導致循環冷卻水溫度上升3 ℃～5 ℃，影響機組效率，降低機組的出力，因此冷卻塔風機對維持廠用循環水溫度非常重要。冷卻塔風機維護與更換耗時長，嚴重影機組循環水溫，進而對機組的安全運營造成非常大的影響。若冷卻塔風機同時出現故障問題，將會導致機組全部停運退出備用等嚴重后果。現經改造，機組安全可靠性大大增加，提高了安全效益。

另外，改造前，冷卻塔風機潤滑油泵未設定與冷卻塔風機的聯啟聯停和運行監視，運行值班人員在啟動（停運）冷卻塔風機或冷卻塔風機運行時要現場操作并確認油泵。若潤滑油泵在運行中出現故障，但未能及時發現，將導致齒輪箱及相應系統磨損甚至損壞，后果不堪設想。因此，此次改造加入了聯啟聯停與運行監視功能，更好地保障了機組安全穩定運行。

3.3 社會效益

此次冷卻塔風機改造，加裝軟啟動器后，冷卻塔風機啟動時間較改造前有所減少。且啟動時產生的噪音也有明顯降低，周邊居民投訴減少。

另外，在冷卻塔風機改造前的方案論證與改造后的實驗中，運行人員對電動機的啟動方式進行了深入的學習與廣泛的討論，規范了冷卻塔風機的正常啟動程序，并對運行人員做了事故預想、事故處理等一系列培訓。運行人員對設備的熟悉程度和對電氣電機知識的了解程度進一步加深。

4 結論

對冷卻塔風機啟動裝置進行技術改造，能夠大大降低發電機的啟動電流，減少電機啟動時的機械沖擊和磨損，電機軸承的運行情況也有所改善，電機的檢修周期大大延長，從而提高冷卻塔風機的使用壽命，維修費用明顯降低。通過幾年來的運行觀察，驗證了冷卻塔風機軟啟動技術路線可行性，節能增效顯著，提高了本廠用電系統的可靠性，保障了機組安全穩定運行，取得了較好的綜合效益。