發(fā)電廠直接空冷系統(tǒng)采用變頻控制應(yīng)用問題

邢英邁

遼寧電力勘測設(shè)計院發(fā)電部，遼寧沈陽 110179

0 引言

空冷系統(tǒng)是指汽輪機(jī)的排汽或凝結(jié)排汽的冷卻水被進(jìn)人由翅片管束組成的冷卻器管內(nèi)，由橫掠翅片管外側(cè)的空氣進(jìn)行凝結(jié)或冷卻的整個過程。冷卻器管內(nèi)流體不與空氣直接接觸，而濕式冷卻的塔內(nèi)空氣直接與冷卻水接觸并靠蒸發(fā)和對流冷卻，故空冷系統(tǒng)可節(jié)省濕式冷卻系統(tǒng)的蒸發(fā)、風(fēng)吹和排污損失的水量，達(dá)到節(jié)約水資源的目的[1，2]。

空冷系統(tǒng)分為直接空冷系統(tǒng)和間接空冷系統(tǒng)。直接空冷系統(tǒng)根據(jù)通風(fēng)方式分為機(jī)械通風(fēng)和自然通風(fēng)。間接空冷系統(tǒng)根據(jù)配用的凝汽器分為表面式凝汽器和混合式凝汽器。綜合比較而言，直接空冷系統(tǒng)具有冷卻效率高、占地面積小、投資較省、系統(tǒng)調(diào)節(jié)靈活、冬季運(yùn)行防凍性能好等特點，目前國內(nèi)正在進(jìn)行的空冷電廠大多采用機(jī)械通風(fēng)直接空冷系統(tǒng)。

1 接空冷系統(tǒng)簡要原理及冷卻風(fēng)機(jī)配置概述

對于直接空冷來說，其主要作用就是通過空氣與蒸汽間進(jìn)行熱交換，利用用空氣來冷凝汽輪機(jī)的排汽。其中，機(jī)械通風(fēng)方式供應(yīng)系統(tǒng)所需要的冷卻空氣，這就是機(jī)械通風(fēng)直接空冷系統(tǒng)基本特點，這種系統(tǒng)往往代替常規(guī)水冷卻凝汽器，而安裝在機(jī)組布置在汽輪機(jī)下方，主要是按照布置在主廠房外的空氣冷卻凝汽器為主，其中，空氣冷凝汽輪機(jī)的排汽，熱交換在空氣與蒸汽之間進(jìn)行。另外，對于許多翅片管組成的凝汽器來說，排氣管道送至室外的空氣冷卻凝汽器對于汽輪機(jī)排汽來說尤為重要，這是因為在此過程中，空氣流過凝汽器翅片管束的外表面在軸流冷卻風(fēng)機(jī)的作用下，可以通過排汽冷凝咸水，然后利用重力自流的作用下，可以把凝結(jié)水集于布置在下方的凝水箱內(nèi)，然后，汽輪機(jī)的回?zé)嵯到y(tǒng)內(nèi)接受凝結(jié)水泵送回來。

對于由若干臺空冷凝汽器構(gòu)成的空冷凝汽器系統(tǒng)來說，臺軸流風(fēng)機(jī)都應(yīng)該配置在每臺空冷凝汽器上，另外，一般在高度為20m～45m的空冷平臺上安裝。一個水平平面內(nèi)布置的軸流冷卻風(fēng)機(jī)，往往都會存在軸流冷卻風(fēng)機(jī)群，因而顯得較為龐大。對于變頻控制的風(fēng)機(jī)電機(jī)來說，硬接線和通訊方式與電廠DCS相連，然后進(jìn)行相關(guān)的變頻調(diào)速工作。這樣，在不同的蒸汽負(fù)荷和環(huán)境溫度情況下，DCS系統(tǒng)可以根據(jù)實際情況而進(jìn)行相關(guān)的風(fēng)機(jī)啟停及轉(zhuǎn)速的控制，從而使得排汽壓力汽輪機(jī)保持恒定。

2 變頻器在空冷凝汽器系統(tǒng)中的應(yīng)用

節(jié)能、軟啟動、還有控制方便變頻節(jié)能這些是風(fēng)機(jī)電機(jī)采用變頻控制的幾個主要原因。過去調(diào)節(jié)風(fēng)門、擋板開度的大小等則往往是常用的控制手段，但是目前對于風(fēng)機(jī)的部分指標(biāo)控制和調(diào)解工作較難適用于工藝要求。所以，應(yīng)該的要求則是風(fēng)機(jī)均全速運(yùn)轉(zhuǎn)在各種生產(chǎn)需要的條件下，其中，能量以風(fēng)門、擋板等的節(jié)流損失消耗來體現(xiàn)相關(guān)的運(yùn)行工況的變化。這樣在實際生產(chǎn)過程中，不僅僅控制精度存在一定影響，另外的能源和設(shè)備都大大地浪費，使得生產(chǎn)成本增加過快，也使得相關(guān)的使用設(shè)備的壽命縮短，造成了相關(guān)維護(hù)維修費用居高不下。這樣可以看出，傳統(tǒng)的方法調(diào)控對于直接空冷系統(tǒng)龐大的軸流冷卻風(fēng)機(jī)群表現(xiàn)出不適應(yīng)性。值得注意的是，當(dāng)下降調(diào)節(jié)流量時候，在效率一定前提下，可以成比例轉(zhuǎn)速n下降，同時，軸輸出功率P成立方關(guān)系下降。這樣可以得出，轉(zhuǎn)速與電機(jī)的耗電功率基本上成立方比的關(guān)系。所以說，要想使得流量成正比的減少，則可以通過降低風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速的方法；同時，軸功率成立方關(guān)系降低，壓力成平方關(guān)系減少，因而節(jié)電效果顯著。所以來說，通過變頻器調(diào)節(jié)空冷軸流冷卻風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、控制起停在節(jié)能方面的效益，在一定的空冷機(jī)組運(yùn)行不同的蒸汽負(fù)荷及環(huán)境溫度條件下，這種節(jié)能方面的效益十分明顯。

2.1 軟啟動

對于風(fēng)機(jī)大部分設(shè)備來說，往往采用異步電動機(jī)直接啟動，這樣相關(guān)的缺點就不可避免存在，比如，機(jī)械沖擊、啟動電流大、而且電氣保護(hù)特性差等等，這樣使得設(shè)備壽命受到極大影響。所以，不能瞬間動作保護(hù)設(shè)備的負(fù)載出現(xiàn)時，這樣機(jī)械故障就會造成電機(jī)被燒毀，以及風(fēng)機(jī)損壞的現(xiàn)象出現(xiàn)。另外，啟動電流約為（4～7）倍額定電流的情況下，對于空冷系統(tǒng)的軸流冷卻風(fēng)機(jī)群的成組啟動過程中，這樣對于電網(wǎng)要求比較高，并且容易造成機(jī)電設(shè)備的嚴(yán)重沖擊而致使損壞。

所以，通過均勻地改變定子供電頻率的方式，這種條件下，可以使得電動機(jī)的轉(zhuǎn)速平滑改變，并在其過程中，保持有限的轉(zhuǎn)差率從高速到低速過程中，這樣就具有相關(guān)的寬范圍、高精度和高效率的調(diào)速性能，使得機(jī)械特性足夠強(qiáng)度。

對于變頻調(diào)速在調(diào)速控制來說，同時也能使得電動機(jī)“軟啟動”功能得以實現(xiàn)，這樣對于變頻調(diào)速的這種“軟啟動”功能來說，可以使得啟動電流在零與最大值的設(shè)定電流之間運(yùn)行，從而有效降低電網(wǎng)的沖擊，緩解了對于供電容量的要求，這樣就能夠解決上述問題，減輕相關(guān)的啟動機(jī)械轉(zhuǎn)矩對電動機(jī)的機(jī)械損傷，節(jié)能設(shè)備維護(hù)費用，以及延長設(shè)備的使用壽命。

2.2 控制方便

對于軸流冷卻風(fēng)機(jī)經(jīng)變頻器來說，通過硬接線和通訊方式與電廠DCS相連，并且一般都在（20%～110%）額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，另外，DCS系統(tǒng)還應(yīng)該包括直接空冷系統(tǒng)的調(diào)節(jié)與控制內(nèi)容。對于直接空冷的控制系統(tǒng)來說，應(yīng)該滿足相關(guān)汽輪機(jī)的各種工況要求，力求做到控制靈活和操作簡單，主要包括有以下幾個方面的內(nèi)容：

第一，模擬量控制包括：汽輪機(jī)背壓控制、冷凝汽器熱井（凝結(jié)水箱）水位控制、空冷凝汽器出口凝結(jié)水量控制。其中，對于空背壓控制來說，主要采用變頻器可以實現(xiàn)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的無級調(diào)整；

第二，對于DCS中實現(xiàn)的直接空冷系統(tǒng)來說，可以就是一個順控功能組，從而完成相關(guān)的空冷系統(tǒng)的啟動、停止、低負(fù)荷運(yùn)行以及防凍保護(hù)等運(yùn)行過程。

3 空冷凝汽器系統(tǒng)變頻器的技術(shù)要求

這里考慮到不同于普通風(fēng)機(jī)的特點，對于空冷系統(tǒng)冷卻風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速裝置具有以下幾個方面的主要的相關(guān)技術(shù)要求。

第一，頻率范圍在旋轉(zhuǎn)速度的0%～110%之內(nèi)，是指具有良好的變頻調(diào)速裝置的調(diào)節(jié)性能，這樣才能對于不同的負(fù)荷變化情況下進(jìn)行調(diào)節(jié)。還能滿足相關(guān)的、電纜及濾波器，還有電機(jī)、齒輪箱、電纜的相關(guān)功率損失，以及滿足風(fēng)機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的運(yùn)行等等，同時還應(yīng)該具有一定的短時過載能力；

第二，柜裝方式為常用的安裝方式，這是因為要考慮到元件發(fā)熱的原因，合理進(jìn)行相關(guān)安裝設(shè)置，比如，設(shè)置散熱空間距離及風(fēng)冷通道，還應(yīng)該合理進(jìn)行相關(guān)的排氣扇等機(jī)械通風(fēng)裝置的安裝；

第三，保護(hù)功能及設(shè)備對于變頻調(diào)速裝置必不可少，主要包括電動機(jī)過壓/低壓、電動機(jī)失速，整流器，逆變器過流、進(jìn)線電源失壓、控制器外殼超溫、電動機(jī)過負(fù)荷、電源缺相等等；

第四，電廠機(jī)組分散控制系統(tǒng)DCS，或者其他一些控制系統(tǒng)的指令對于變頻調(diào)速裝置也應(yīng)該起到十分重要作用，利用這些主要狀態(tài)信號和故障報警信號，來進(jìn)行相關(guān)的控制通信操作；可以利用相關(guān)的機(jī)組分散控制系統(tǒng)DCS及廠用通信管理系統(tǒng)的通訊接口，在一定的通訊協(xié)議下進(jìn)行操作；

第五，減少運(yùn)行噪聲則是變頻調(diào)速裝置另一要求，同時盡可能減少電磁干擾（變頻調(diào)速裝置產(chǎn)生）對電力系統(tǒng)的影響。滿足相關(guān)對于諧波的規(guī)定，以及盡可能降低變頻調(diào)速裝置應(yīng)考慮將對電網(wǎng)諧波影響；

第六，所有保護(hù)設(shè)備及控制設(shè)備對于變頻調(diào)速裝置來說也較為重要，包括內(nèi)置濾波器；隔離變壓器；內(nèi)置的浪涌保護(hù)裝置（MOV）；EMI，RFI保護(hù)及防雷脈沖保護(hù)裝置、輸入、輸出電抗器等等。其中的環(huán)境要求比較苛刻，所以應(yīng)該合理設(shè)定工作環(huán)境，為電廠長期穩(wěn)定發(fā)展提供有力支持；

第七，利用相關(guān)的數(shù)字微處理器控制器，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控方式。通過變頻器上的觸摸式鍵盤和LCD/LED顯示，遠(yuǎn)程實現(xiàn)就地人工啟動、停止變頻器等操作，還能實現(xiàn)調(diào)整轉(zhuǎn)速、頻率的功能等等；

第八，故障自診斷功能則是另外一個特點，即能夠?qū)τ谥甘?、能在就地顯示并遠(yuǎn)方報警相關(guān)產(chǎn)生的故障。

4 結(jié)論

綜上所述，在火力發(fā)電廠直接空冷系統(tǒng)中采用變頻器對該系統(tǒng)軸流冷卻風(fēng)機(jī)群的電機(jī)進(jìn)行調(diào)控，具有節(jié)約能源；改善風(fēng)機(jī)和電動機(jī)的運(yùn)行特性、延長設(shè)備使用壽命、降低機(jī)組維護(hù)費用；控制靈活簡捷的優(yōu)越性。合理而正確的選擇變頻器，使軸流冷卻風(fēng)機(jī)能滿足系統(tǒng)的各種運(yùn)行工況，是保證火力發(fā)電廠直接空冷系統(tǒng)長期可靠穩(wěn)定運(yùn)行的重要條件。

[1]戎毅仁.錫林郭勒盟正鑲藍(lán)旗電廠空冷系統(tǒng)的比較與選擇[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2010(3).

[2]石誠，王智.某電廠空冷系統(tǒng)的優(yōu)選分析[J].電力建設(shè)，2008，29(8).