磨煤機高壓變頻啟動改造

韓 軍，鄭建農(nóng)，劉 德

（1.華能營口仙人島熱電有限責任公司，遼寧 營口 115000；2.華能國際電力股份有限公司，北京 100031）

磨煤機是火力發(fā)電廠重要輔助設備之一，運行正常與否直接影響機組安全、經(jīng)濟運行。某電廠磨煤機6kV 電動機運行中頻繁出現(xiàn)轉(zhuǎn)子籠條斷裂和定子接地的故障，從2010 年5 月起至2014 年11月，磨煤機電動機連續(xù)13次故障［1］，給機組的安全穩(wěn)定運行造成極大的影響。其中一次磨煤機6kV電動機接地故障而綜合保護裝置拒動，造成了越級跳機事件。每次電動機故障后抽轉(zhuǎn)子檢查，有時籠條過熱變形、連續(xù)多處斷裂、轉(zhuǎn)子籠條的銅茬飛出砸傷定子線圈、定子線圈弧光短路、轉(zhuǎn)子籠條端環(huán)徑向開裂，有時轉(zhuǎn)子籠條完好，而定子線圈端部或直線段絕緣擊穿弧光短路的接地，電動機端部引線發(fā)熱燒斷引起弧光接地的現(xiàn)象，針對以上現(xiàn)象進行以下分析處理。

1 電動機輸出參數(shù)計算及啟動方式選擇

每臺塔式爐配備8臺磨煤機，型號為MB3600/1000/490，打擊輪外徑D＝3 550 mm，打擊輪寬度b＝1 000mm，打擊輪轉(zhuǎn)速n＝490r/min，啟動轉(zhuǎn)矩Tq＝4 000N·m，最小運行轉(zhuǎn)矩Tc＝12 860N·m，最大運行轉(zhuǎn)矩Tmax＝20 800N·m，飛輪矩TF＝1 200 000kg·m2。電動機與磨煤機直軸連接，中間沒有減速齒輪箱。

1.1 軸功率計算［2］

查1號爐4號磨煤機分散控制系統(tǒng)（DCS）記錄曲線，給煤量55.3t/h（額定值60t/h），運行電流125A，小于額定電流165A。電動機電壓6.2kV，輸入的功率1 046kW。電動機空載損耗P0＝61.2 kW（其中鐵耗PFe＝45.1kW），定子滿載銅耗（75℃）Pcu1＝14.1kW；機械損耗Pmech＝13.0kW；轉(zhuǎn)子滿載銅耗（75 ℃）Pcu2＝16.5kW，雜散損耗Pad＝6.7kW。合計最大總損耗為95.3kW，減去總損耗，輸出的軸功率P2＝950.7kW，滿足磨煤機機械軸功率892kW 的要求。

1.2 轉(zhuǎn)矩計算［3］

電動機拖動負載的轉(zhuǎn)矩關系為：

式中：Te為電動機額定的拖動轉(zhuǎn)矩；TL為負載轉(zhuǎn)矩；TF為轉(zhuǎn)動慣量；dn/dt為加速度。

風扇磨煤機轉(zhuǎn)速從0r/min爬升至n2＝490r/min，啟動時間延長至200s，則慣性轉(zhuǎn)矩：

Te－TLe＝17 063N·m，該值大于額定啟動轉(zhuǎn)矩7 200N·m，所以變頻器可以拖動電動機帶磨煤機啟動。如果啟動時間縮短為91s，計算磨煤機慣性轉(zhuǎn)矩為17 063N·m，此時電動機額定轉(zhuǎn)矩24 263N·m剛好等于啟動轉(zhuǎn)矩和慣性轉(zhuǎn)矩之和，91s是拖磨煤機啟動時間的最小臨界點，如果縮短啟動時間小于91 s，變頻器將無法拖動電動機帶磨煤機啟動。

1.3 啟動方式選擇［4］

采用變頻器啟動磨煤機，調(diào)整頻率的同時還調(diào)整電壓，保持定子恒磁通，在啟動的低頻階段采用補償電壓的手段，保證了高啟動轉(zhuǎn)矩，逐漸拖動電動機，啟動期間定轉(zhuǎn)子間的轉(zhuǎn)速滑差最小，轉(zhuǎn)子感應電流最小，轉(zhuǎn)子的發(fā)熱降至最低，籠條變形降至最輕可以解決籠條斷裂問題。

2 改進方案實施

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

采用1臺6kV 高壓變頻器拖動4臺磨煤機電動機的方案，變頻器調(diào)壓的同時調(diào)頻，保證啟動轉(zhuǎn)矩，同時變頻器可以限制定子電流，防止電動機過載。在整個啟動過程中電動機定轉(zhuǎn)子一直處于低滑差運行狀態(tài)，轉(zhuǎn)速從頻率0.5 Hz開始爬升，緩慢升至頻率50Hz，最大限度降低了轉(zhuǎn)子的啟動電流。

變頻器拖動磨煤機電動機頻率至50 Hz，即額定轉(zhuǎn)速，隨后切換至工頻運行，采用一拖4變頻軟啟動見圖1。

虛線框內(nèi)為原有設備，其余為增加設備，M1、M2、M3和M4分別是4臺磨煤機電動機；QFA5是變頻器進線斷路器，QFA1、QFA2、QFA3和QFA4是原磨煤機工頻電源斷路器；QFA7、QFA8、QFA9和QFA10是磨煤機變頻電源斷路器。

磨煤機變頻軟啟動的過程如下。

a.初始狀態(tài)：變頻器TFA 經(jīng)過下口電抗器驅(qū)動電動機M1 變頻啟動。斷路器狀態(tài)：QFA5、QSA1、QFA7合閘位，其余斷路器分閘位。

b.變頻器接收到啟動指令后，輸出驅(qū)動電動機M1達到額定轉(zhuǎn)速。

圖1 磨煤機變頻器啟動電源系統(tǒng)圖

c.PLC自動鎖相變頻器輸出變頻電壓與系統(tǒng)的工頻電壓，檢測壓差、頻差和相差。

d.變頻器PLC 鎖相合格后，合工頻斷路器QFA1，此時電動機M1 由變頻和工頻共同供電運行。

e.斷開變頻電源斷路器QFA5，變頻器停止輸出，延時0.5s，斷開變頻斷路器QFA7，變頻器退出運行。電動機M1僅由工頻帶載。

經(jīng)過上述過程，磨煤機電動機M1軟啟動成功，其他電動機同理。

2.2 實施過程

2.2.1 確定DCS畫面增加的按鈕和模擬量參數(shù)

a.增加按鈕和指示：QFA5變頻器進線斷路器分合閘按鈕，啟動和停止變頻器按鈕，變頻器已上電和已斷電指示，M1、M2、M3和M4磨煤機變頻斷路器分合閘按鈕及位置指示，允許工頻合環(huán)按鈕。

b.增加顯示參數(shù)：QFA5變頻器進線電流和功率，M1、M2、M3和M4磨煤機變頻電流和功率，轉(zhuǎn)速給定，轉(zhuǎn)速反饋。

c.增加警示信號：變頻器就緒，變頻器故障，QFA5斷路器控制回路斷線，保護裝置動作，保護裝置異常和儲能未滿，M1、M2、M3和M4磨煤機變頻斷路器熔斷器熔斷和控制回路斷線。

根據(jù)上述原則編制了DCS點表。

2.2.2 確定聯(lián)鎖和閉鎖回路

變頻器就緒時信號上傳給DCS，才允許合變頻器進線斷路器QFA5；QFA5 保護裝置故障或變頻器故障時閉鎖變頻器進線斷路器QFA5合閘；變頻器啟動過程中，如果電動機出現(xiàn)故障，采用事故按鈕緊急停機；4臺磨煤機變頻電源斷路器采用硬接線實現(xiàn)相互閉鎖，工作時只能合其中的一個斷路器，避免變頻電源與工頻電源撞車；變頻器運行時，不允許用變頻電源斷路器分閘，采用變頻器PLC 的接點閉鎖其分閘回路；為安全考慮，電動機爬升至額定轉(zhuǎn)速，需要運行人員確認后，點擊畫面的允許工頻合環(huán)按鈕，變頻器才能進入鎖相環(huán)節(jié)，捕捉變頻與工頻電源的壓差、頻差和相差，鎖相合環(huán)結(jié)束后自動解除允許工頻合環(huán)按鈕。

2.2.3 施工圖紙設計

確定6kV 開關柜電源的進線方式，合理布置盤柜確保運行操作和維護空間。改造磨煤機變頻器進線斷路器QFA5，更換其出線電流互感器和零序電流互感器，增加遠方/就地轉(zhuǎn)換開關，繪制變頻器進線開關柜、變頻電源開關柜和變頻器控制柜的端子排圖，開列柜間連接電纜，優(yōu)化電纜通道的路徑，開列施工材料。開列UPS、直流電源、事故按鈕和工頻合環(huán)等電纜，編制電纜清冊。

2.2.4 設備安裝和調(diào)試

對干式變壓器、開關柜、高壓電纜、電流互感器、電壓互感器、避雷器和保護裝置進行靜態(tài)調(diào)試，上傳信號至DCS并與畫面核對，用DCS 和保護裝置傳動開關的分合閘。對6kV 變頻電源與工頻電源進行核相，杜絕非同相合環(huán)事故的發(fā)生。

調(diào)試期間，變頻器啟動磨煤機至額定轉(zhuǎn)速，變頻電源與工頻電源合環(huán)后自動斷開變頻電源斷路器，整個過程長達7min，嚴重影響變頻器的正常使用，當電網(wǎng)要求增加機組負荷而啟動磨煤機時，不能及時啟動磨煤機增加負荷。通過分析原因，采用串電抗器直接啟動變頻器的方案，不采用先不串電抗器啟動，然后再串電抗器啟動磨煤機的方案，啟動時間縮短至2min，滿足了運行的需要。

工頻合環(huán)調(diào)試時，整定同期電壓系數(shù)、同期相位kp系數(shù)和同期相位ki系數(shù)。通過對變頻器輸出電壓、變頻器輸入電壓和變頻器輸出電流的在線錄波，探索系數(shù)變化時相位角的變化規(guī)律，為整定PID 的控制參數(shù)節(jié)約了大量的時間，最后實現(xiàn)變頻與工頻的合環(huán)的角度小于3°，實現(xiàn)了合環(huán)時對電動機和系統(tǒng)的沖擊降至最低，為整個工程能否實現(xiàn)奠定了堅實的基礎。

鑒于磨煤機工頻斷路器合環(huán)后，變頻斷路器有時能分閘，有時不能分閘的情況，現(xiàn)場實際錄DCS輸出允許工頻合環(huán)指令的波形，測量從狀態(tài)有效到自動復位的時長，其中測量1號磨煤機4次，時長分別為2.47s、3.29s、2.09s和2.09s；測量3號磨煤機4次，時長分別為3.19s、1.58s、3.58s和2.84 s，發(fā)現(xiàn)DCS輸出允許工頻合環(huán)指令有效時長不穩(wěn)定。結(jié)合PLC程序的運行邏輯，對“允許工頻合環(huán)”按鈕予以修改，點擊DCS畫面“允許工頻合環(huán)”的按鈕后，只有當DCS得到工頻斷路器（QFA1、QFA2、QFA3和QFA4）合閘位置的反饋信號，延時1s，才自動解除“允許工頻合環(huán)”按鈕，解決了變頻斷路器有時能分閘，有時不能分閘軟故障的問題。

為了避免誤操作，統(tǒng)一開關柜的KKS編碼；為了避免6kV 工頻電源從變頻電源開關柜反送電至變頻器的輸出端，引起變頻器絕緣柵雙極晶體管（IGBT）的爆炸，修訂運行操作規(guī)程，要求每次用變頻器啟動磨煤機結(jié)束后，必須斷開磨煤機變頻電源斷路器QFA5和變頻電源6kV 隔離開關QSA1。

3 結(jié)束語

磨煤機變頻啟動改造工程實施后，電廠磨煤機電動機轉(zhuǎn)子籠條沒有出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，沒有出現(xiàn)定子端部放炮和線圈接地的現(xiàn)象，每年節(jié)約用于高壓電動機修理費近百萬元，經(jīng)濟效益顯著。

［1］ 韓軍，鄭建農(nóng)，劉德.磨煤機接地故障導致發(fā)電機跳閘原因分析及防范措施［J］.吉林電力，2015，43（3）：54－56.

［2］ 周鶚.電機學［M］.北京：中國水利水電出版社，1994.

［3］ 任興權(quán).電力拖動基礎［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1989.

［4］ 佟純厚.近代交流調(diào)速［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1985.