600 MW機組引風(fēng)機電機高壓變頻調(diào)速裝置利舊增容改造

黃海波

(湖南華電長沙發(fā)電有限公司，長沙 410203)

600 MW機組引風(fēng)機電機高壓變頻調(diào)速裝置利舊增容改造

黃海波

(湖南華電長沙發(fā)電有限公司，長沙 410203)

湖南華電長沙發(fā)電有限公司2臺600 MW機組4臺引風(fēng)機變頻器冷卻方式均為開式循環(huán)，運行環(huán)境溫濕度偏差大、粉塵含量過高，功率單元頻繁發(fā)生故障。2臺機組風(fēng)煙系統(tǒng)均采用“引增合一”方式后，引風(fēng)機電動機容量由4 000 kW增加到6 000 kW，目前配置的4 500 kV·A高壓變頻調(diào)速裝置已無法滿足其正常運行要求。為降低投資成本，提出變頻器冗余并聯(lián)運行方式，提高供電系統(tǒng)的容量。改造后節(jié)能率高達30%～50%，同時大大降低了設(shè)施設(shè)備的能耗成本和運行成本。

600 MW機組；引風(fēng)機；電機；變頻調(diào)速裝置；供電系統(tǒng)；增容改造

0 引言

湖南華電長沙發(fā)電有限公司(以下簡稱長沙公司)為了降低機組能耗、提高資源利用率，決定對#2機組引風(fēng)機電機高壓變頻調(diào)速裝置進行利舊增容改造，規(guī)劃利用現(xiàn)有4套4 500 kV·A高壓變頻調(diào)速裝置并聯(lián)成2套9 000 kV·A的高壓變頻調(diào)速裝置實現(xiàn)，并將變頻器冷卻方式由開式循環(huán)改為閉式循環(huán)，克服變頻室受外界環(huán)境的影響，提高對變頻器的有效控制能力，降低變頻器改造的投資成本，避免變頻器受外部擾動停運對機組的影響。

1 高壓變頻器并聯(lián)驅(qū)動系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1系統(tǒng)主回路控制策略

并列驅(qū)動變頻器一次回路原理如圖1所示，通過光纖通信方式，實現(xiàn)控制板件之間的高速通信，如果A/B變頻器的輸出電壓不同期，變頻器之間會產(chǎn)生電流(橫流)流動。為避免一次回路操作時序不同步，發(fā)生充電沖擊、能量倒灌、單機運行等異常狀況。主從機變頻器的啟停機、充電、工變切換等時序操作均由主機的可編程控制器(PLC)負責(zé)，從機不設(shè)計PLC控制，以保證系統(tǒng)操作的同步性[1]。

圖1 并列驅(qū)動變頻器一次回路原理框圖

為避免二次回路電壓電流波形出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致變頻器之間形成有功、無功環(huán)流，犧牲變頻器容量等異常狀況。在主從機控制系統(tǒng)參數(shù)、主回路器件參數(shù)絕對一致時，同時設(shè)計差流控制策略，保證主從機輸出功率的平衡。

1.2系統(tǒng)主回路邏輯關(guān)系

高壓變頻調(diào)速裝置一次回路由2把隔離刀閘QS1/QS2和3臺高壓真空斷路器QF2/QF3/QF4組成一拖一自動旁路方式，具體接線如圖2所示。其中，QF2為手車式真空斷路器，QF3/QF4為固定式真空斷路器。6 kV電源經(jīng)隔離刀閘QS1、真空斷路器QF3到高壓變頻裝置，變頻裝置輸出經(jīng)真空斷路器QF4、隔離刀閘QS2送至電動機，電動機變頻運行；6 kV電源還可經(jīng)高壓真空斷路器QF2直接啟動電動機，電動機工頻運行。QF4與QF2實現(xiàn)電氣閉鎖，保證任何時候不能同時合閘[2]。高壓開關(guān)QF1與電動機為原有設(shè)備。

圖2 電氣一次回路原理接線圖

1.3并聯(lián)驅(qū)動系統(tǒng)控制原理

變頻器并聯(lián)驅(qū)動系統(tǒng)主機接受分散控制系統(tǒng)(DCS)的速度指令，主控系統(tǒng)將速度指令轉(zhuǎn)換為電

壓矢量的幅值Us和角度θ，Us和θ直接作為主變頻器的控制指令。從機同時采樣2臺變頻器的輸出電流，通過閉環(huán)調(diào)節(jié)得到從機的幅值指令Uref，然后通過2臺變頻器主控板的通信光纖將Uref和θ經(jīng)空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)后，輸出接近于理想的正弦波實時傳給從機，具體接線如圖3所示。

圖3 并聯(lián)驅(qū)動系統(tǒng)從機控制算法框圖

2 現(xiàn)場實測變頻器并聯(lián)驅(qū)動系統(tǒng)的性能

2.1并聯(lián)驅(qū)動系統(tǒng)的擾動試驗

2臺變頻器輸出波形相位一致，初始幅值也一致，輸出差流基本為0，主從機輸出功率平衡。0.2 s時B變頻器輸出電壓幅值瞬間跌落10%，實測波形如圖4所示。在圖4中，橫坐標為時間(s),縱坐標為電流(A)、電壓(V)，從上至下5個波形依次為變頻器并聯(lián)后輸出電壓、輸出電流、A變頻器輸出電流、B變頻器輸出電流以及輸出差流,實踐證明，變頻器發(fā)生擾動后，控制策略也可以使差流迅速調(diào)節(jié)到零。

圖4 現(xiàn)場實測變頻器并聯(lián)驅(qū)動系統(tǒng)擾動波形

主從機有功、無功功率及系統(tǒng)有功、無功功率波形如圖5所示。在圖5中，橫坐標為時間(s)，縱坐標為功率(W)，從上至下依次為A變頻器輸出有功、無功功率，B變頻器輸出有功、無功功率，以及并聯(lián)后輸出的有功、無功功率調(diào)節(jié)過程。實踐證明，變頻器在外部擾動情況下，系統(tǒng)輸出功率基本無波動。

圖5 主從機有功無功功率及系統(tǒng)有功無功功率波形

2.2并聯(lián)驅(qū)動系統(tǒng)的負載試驗

實測#3引風(fēng)機變頻器輸出額定頻率時，并聯(lián)驅(qū)動系統(tǒng)電機側(cè)電壓互感器(PT)二次電壓波形圖如圖6所示，在圖6中，橫坐標為時間(s)，縱坐標從上到下依次為電壓(V)、頻率(Hz)。從上述波形可見，變頻器并聯(lián)后輸出電壓波形完美無畸變。

圖6 主從機并聯(lián)后輸出電壓波形(50 Hz、PT二次側(cè))

主從機并聯(lián)后輸出差流及頻率波形(5 Hz)如圖7所示，在圖7中，橫坐標為時間(s)，縱坐標從上至下依次為差流(A)、頻率(Hz)。從上述波形可見，#3引風(fēng)機變頻器輸出242.2 A電流時，主從機差流僅0.9 A，即主從機電流基本平衡，電流有效值不平衡度僅為1.6%，遠遠優(yōu)于5%的設(shè)計目標。

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3 關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新點

(1)執(zhí)行DL/T 5153—2014《火力發(fā)電廠廠用電設(shè)計技術(shù)規(guī)程》[3]完善引風(fēng)機電機變頻運行方式下保護配置，在變頻器出口及電機中性點側(cè)分別裝設(shè)一組用于差動保護的寬頻電流互感器，利用旁通柜的開關(guān)位置自動切換差動保護的工作原理，保證工頻和變頻狀態(tài)下差動保護均正常投入運行。

圖7 主從機并聯(lián)后輸出差流及頻率波形(5 Hz)

(2)采用“空水冷”空調(diào)系統(tǒng)解決變頻器積灰及凝露問題，利用爐側(cè)工業(yè)冷卻水為熱量交換介質(zhì)對高壓變頻通風(fēng)系統(tǒng)進行冷卻，控制變頻器運行環(huán)境的溫濕度，其運營成本是同等熱交換功率空調(diào)冷卻方式的1/5～1/6，避免了節(jié)約能源的二次浪費。

(3)執(zhí)行參考文獻[4]配置瞬時停電再啟動功能，當6 kV廠用電源瞬間閃變或工作電源切換時，引起變頻器進線電壓波動，變頻器將短時中斷輸出保護自身設(shè)備，在電源恢復(fù)之后，電動機仍在運轉(zhuǎn)時，變頻器會自動跟蹤電動機轉(zhuǎn)速再啟動，提高供電的可靠性。

(4)冷卻用風(fēng)扇及供電電源均冗余配置，當工作風(fēng)扇故障時，自動投入備用風(fēng)扇并發(fā)出報警信號至DCS；風(fēng)扇電源能實現(xiàn)外接電源與移相變單獨繞組自產(chǎn)電源之間雙電源自動切換，當工作電源故障時，備用電源自動投入并發(fā)出報警信號至DCS。

(5)根據(jù)高壓變頻調(diào)速裝置動態(tài)試驗確定引風(fēng)機電機定子頻率與諧振頻率的關(guān)系曲線，并確定諧振增益與諧振頻率關(guān)系曲線，然后對這2條曲線進行比較分析，確定在運行中需要躲開的臨界共振轉(zhuǎn)速區(qū)域，設(shè)置變頻調(diào)速裝置使其在調(diào)速過程中迅速通過，防止因機械共振而損壞機械設(shè)備。

(6)重新優(yōu)化變頻器交流電源配置，避免電源故障擴大事故，變頻器控制電源取機組220 V交流不停電電源(UPS)，預(yù)充電和風(fēng)機電源取鍋爐保安段，照明和空調(diào)等電源取鍋爐工作段并設(shè)置專用的配電箱，提高運行方式的靈活性和供電電源的可靠性。

4 投運后經(jīng)濟效益測算

表1 600 MW機組引風(fēng)機電機各負荷段高壓側(cè)電流

注：Ib表示高壓側(cè)變頻電流，A；Ig表示高壓側(cè)工頻電流，A。#2機引風(fēng)機變頻器改造后運行時間，2016年2 460.25 h，2017年676.18 h。

2臺6 kV引風(fēng)機投入運行3 136.43 h，電價按0.456元/(kW·h)計，#3，#4引風(fēng)機高壓變頻調(diào)速裝置投入運行后，經(jīng)濟效益測算：2×6 kV×(128.0～144.6 ) A×3 136.43 h×0.456元/(kW·h)=220～248萬元。

#3，#4引風(fēng)機高壓變頻調(diào)速裝置投入運行1年產(chǎn)生的經(jīng)濟效益測算： 2×6 kV×(128.0～144.6) A×365 d×24 h/d×0.456元/(kW·h)=614～693萬元。

600 MW超臨界發(fā)電機組，引風(fēng)機電機變頻器利舊增容改造總投資145萬元，測算帶350～450 MW負荷運行4個月就可收回投資。

5 風(fēng)煙系統(tǒng)性能優(yōu)勢

(1)#2機組風(fēng)煙系統(tǒng)采用變頻調(diào)速實現(xiàn)風(fēng)量控制后，引風(fēng)機風(fēng)道擋板在全開位置，風(fēng)道擋板壓流損失減少，風(fēng)機可以平滑穩(wěn)定地調(diào)整風(fēng)量，運行人員可靈活地調(diào)控燃燒，變頻器頻率經(jīng)常運行在30～40 Hz,提高了鍋爐效率。

(2)#2機組引風(fēng)機電機通過變頻器平滑軟啟動,啟動電流小于額定電流值,減少了設(shè)備機械沖擊，延長了設(shè)備使用壽命,避免了風(fēng)機首先關(guān)閉出口擋板后再啟動的要求，電機運行狀況明顯改善，維護量及檢修費用大大減少。

(3)引風(fēng)機是鍋爐重要的能耗設(shè)備，采用變頻調(diào)速方式降低風(fēng)機轉(zhuǎn)速,減少電機輸入功率,能夠回收大量的電能損耗，同時電機諧波損耗大大減小,消除了由此引起的機械振動,能更好地保障鍋爐運行的安全性和可靠性。

運行實踐證明，#2機組2臺引風(fēng)機電機高壓變頻調(diào)速裝置利舊增容改造，不僅可以提高系統(tǒng)的容量、系統(tǒng)的可靠性，還具有節(jié)能降耗效果明顯、投資回收期短、延長設(shè)備使用壽命、降低設(shè)備維護費用等特點，值得廣泛推廣。

[1]東方日立電控設(shè)備有限公司.東方日立高壓變頻器 DHVECTOL-DI系列用戶手冊(REV.03)[M].2016.

[2]李先彬.電力系統(tǒng)自動化[M].5版.北京：中國電力出版社，2007.

[3]火力發(fā)電廠廠用電設(shè)計技術(shù)規(guī)程:DL/T 5153—2014[S].

[4]發(fā)電廠及變電站輔機變頻器高低電壓穿越技術(shù)規(guī)范：DL/T 1648—2016[S].

TM 621.7

B

1674-1951(2017)10-0063-03

2017-06-02；

2017-09-04

(本文責(zé)編：白銀雷)

黃海波(1969—)，女，山東青島人，高級工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護和自動裝置的管理及維護方面的工作(E-mail:chdhhb@126.com)。