變頻改造對電廠輔機安全性的影響分析

邢裕

摘 要：隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們對電能的需求越來越大，在火力發(fā)電廠中，泵與風(fēng)機主要的耗電設(shè)備，電耗約占發(fā)電機組用電的75%以上，大型輔機多采用定速泵，效率在設(shè)計工況點附近很高，機組需要在偏離設(shè)計點的低負(fù)荷運行，效率下降，廠用電率增加，所以輔機節(jié)能的潛力很大。變頻調(diào)速在較寬負(fù)荷范圍具有很高的調(diào)節(jié)效率，隨著高壓變頻技術(shù)逐漸成熟，大功率變頻器性價比逐漸提高，成為泵與風(fēng)機節(jié)能的重要手段。本文對如何提高變頻器及相關(guān)回路的可靠性進行分析，使變頻器及相關(guān)回路在出現(xiàn)故障時對機組影響最小。

關(guān)鍵詞：火力發(fā)電廠；變頻改造；輔機安全性；分析

一、變頻技術(shù)的節(jié)能原理

在火電廠中高壓輔機設(shè)備的穩(wěn)定性、可靠性影響發(fā)電機組的安全穩(wěn)定運行，其中變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將電源的頻率由工頻變換為另一個頻率的電能控制裝置。應(yīng)先將工頻交流電源轉(zhuǎn)換為直流電源，再將直流電源轉(zhuǎn)換為頻率、電壓可控的交流電源，變頻器的電路由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制組成。高壓電機變頻調(diào)速通過改變輸入到交流電機的電源頻率，從而達到調(diào)節(jié)交流電動機轉(zhuǎn)速的目的。根據(jù)電機學(xué)原理，交流異步電動機轉(zhuǎn)速由下式確定：

由式（1）可知，電動機的輸出轉(zhuǎn)速與輸入的電源頻率、轉(zhuǎn)差率、電機的極對數(shù)有關(guān)。交流電動機的直接調(diào)速方式主要有：

（1）變極調(diào)速（調(diào)整p）；

（2）轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速或串級調(diào)速或內(nèi)反饋電機（調(diào)整s）；

（3）變頻調(diào)速（調(diào)整f）。

其中高壓電機變頻調(diào)速的優(yōu)點多，得到了廣泛的應(yīng)用。根據(jù)流體力學(xué)的基本定律可知：泵（或風(fēng)機）類設(shè)備均屬平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其轉(zhuǎn)速n與流量Q、壓力（揚程）H以及軸功率P具有如下關(guān)系：

式中：Q1、H1、P1—風(fēng)機（或水泵）在n1轉(zhuǎn)速時的流量、壓力（或揚程）、軸功率；Q2、H2、P2—風(fēng)機（或水泵）在n2轉(zhuǎn)速時的相似工況條件下的流量、壓力（或揚程）、軸功率。由式（2）、式（3）、式（4）可知，風(fēng)機（或水泵）的流量與其轉(zhuǎn)速成正比，壓力（或揚程）與其轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與其轉(zhuǎn)速的立方成正比。當(dāng)風(fēng)機轉(zhuǎn)速降低后，其軸功率隨轉(zhuǎn)速的三次方降低，驅(qū)動風(fēng)機的電機所需的電功率亦可相應(yīng)降低。當(dāng)風(fēng)機原用進口擋板節(jié)流調(diào)節(jié)時，如果原選型余量大，此時若改用降低轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)出力，是非常節(jié)能的。從上述分析可見，調(diào)速是風(fēng)機、水泵節(jié)能的重要途徑。

二、輔機變頻改造的關(guān)鍵控制技術(shù)

1.變頻運行的控制原則與策略

輔機采用變頻以后，泵或風(fēng)機的調(diào)門或擋板開足，過去調(diào)門或擋板是由變頻器控制的，也是輔機變頻改造后控制策略的基本原則。當(dāng)送風(fēng)機、吸風(fēng)機、一次風(fēng)機采用變頻以后，運行時靜葉應(yīng)全開，由變頻器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)送風(fēng)量、爐膛負(fù)壓和一次風(fēng)壓。雖然閥門全開會最節(jié)能，，但是在全開的時候無法滿足工藝需求，如凝泵變頻后，應(yīng)保證凝結(jié)水母管壓力，會采用凝泵變頻器調(diào)節(jié)除氧器水位，凝泵出口調(diào)門調(diào)節(jié)凝結(jié)水母管壓力，使得系統(tǒng)不穩(wěn)定。其實凝結(jié)水壓力不用控制某壓力點，只需要限制最小壓力不低于標(biāo)準(zhǔn)值。

變頻凝泵與凝泵出口調(diào)門控制中，變頻器轉(zhuǎn)速投自動后控制水位偏差，凝泵出口調(diào)門采用開環(huán)控制，在低負(fù)荷的時候?qū)τ诘拈_度很小，反之很大，有效的保證母管壓力。

2.變頻故障時的變工頻自動切換

工頻、變頻切換功能有正常的切換功能和故障切換功能，正常工況下泵或風(fēng)機有工頻切換到變頻、有變頻再切換到工頻。對于一些沒有備用的輔機，當(dāng)出現(xiàn)變頻器故障時，將變頻自動切換到工頻，在進行機組風(fēng)機變頻改造中，當(dāng)出現(xiàn)變頻器故障時，沒有考慮變頻切換到工頻的功能，導(dǎo)致輔機跳閘。這種改造方法降低機組運行的可靠性，機組負(fù)荷與參數(shù)波動很大。

對于900MV機組一次風(fēng)機變頻改造中，設(shè)計變頻故障時的變工頻自動切換，機組在運行的時候出現(xiàn)兩次變頻器故障，都切換到工頻，所以在變頻器故障切換工頻功能設(shè)計的時候，應(yīng)充分考慮相互間的匹配動作，同時應(yīng)注意以下幾點：

（1）變頻器故障后應(yīng)切斷進、出口開關(guān)，過幾秒后合上工頻開關(guān)，應(yīng)保證電機安全，還應(yīng)滿足風(fēng)壓變化不超限。

（2）變頻器故障后應(yīng)切斷進、出口開關(guān)的同時，故障的一次風(fēng)機靜葉應(yīng)快速關(guān)到此負(fù)荷下對應(yīng)的開度，達到正常開度后切換到靜葉的壓力控制，故障風(fēng)機升工頻的時候，正常風(fēng)機應(yīng)同時升到工頻，靜葉關(guān)至工頻時此負(fù)荷下對應(yīng)的開度，然后在切換到一次風(fēng)機靜葉的壓力控制，防止兩側(cè)強風(fēng)情況出現(xiàn)。

（3）應(yīng)記錄原先工頻時不同負(fù)荷下調(diào)門或靜葉對應(yīng)的開度十分重要，對于風(fēng)機，盡管由于不同負(fù)荷下靜葉開度與煤種、環(huán)境溫度等關(guān)系很大，其動作趨勢是正確的，有利于后續(xù)的調(diào)節(jié)，跟蹤的開度指令信號考慮環(huán)境溫度等因素的效果會更好。

對于一些有備用的輔機，如果變頻器故障等因素引起運行輔機跳閘，會自動啟動備用泵，調(diào)門開度與輔機轉(zhuǎn)速間的匹配動作，防止輔機超出力跳閘或工藝參數(shù)越限。

3.RB工況時的控制策略

對于無備用輔機，當(dāng)變頻器故障時切換工頻失敗，或泵、風(fēng)機自身故障，機組會觸發(fā)RB，RB邏輯判斷條件，應(yīng)躲避變頻切工頻的時間，如當(dāng)風(fēng)機出現(xiàn)變頻器故障的時候，先切換到工頻，如果切換失敗，再觸發(fā)風(fēng)機RB。當(dāng)鍋爐爐膛負(fù)壓、一次風(fēng)壓，需要快速調(diào)節(jié)的回路。如發(fā)生吸風(fēng)機RB 時，運行吸風(fēng)機的頻率應(yīng)升到50HZ，如果原先運行的吸風(fēng)機靜葉不在全開位置，可以增加開度，而跳閘吸風(fēng)機的靜葉應(yīng)全關(guān)。

吸風(fēng)機改變頻后，如發(fā)生送風(fēng)機、給水泵等RB工況時，變頻器速率受限制將對爐膛負(fù)壓的控制帶來不利影響。所以發(fā)生送風(fēng)機RB時，吸風(fēng)機靜葉超馳關(guān)至某一開度，彌補變頻器轉(zhuǎn)速降低的情況。增減速率較慢是大型變頻器的普遍情況，對調(diào)節(jié)的影響應(yīng)引起關(guān)注，考慮故障工況下參數(shù)大擾動的應(yīng)對措施。

結(jié)語

隨著人們的節(jié)能意識越來越高，對電廠機組節(jié)能減排的要求越來越高，高壓大功率變頻技術(shù)的技術(shù)逐漸成熟，很多電站實施大型輔機的變頻節(jié)能改造。很多新建機組基建時將變頻輔機作為標(biāo)準(zhǔn)配置，輔機變頻后的配套控制方案對機組安全穩(wěn)定運行十分重要。所以應(yīng)根據(jù)變頻輔機的特點，采用合理的控制方案，提高輔機變頻改造后機組運行的可靠性。

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