發(fā)電廠鍋爐給粉機(jī)變頻器低電壓穿越技術(shù)的應(yīng)用

于 哲，張 月

（1.鞍鋼股份能源管控中心；2.鞍鋼鋼鐵研究院，遼寧鞍山 114000）

引言

目前，在火電廠輔機(jī)設(shè)備運(yùn)行中廣泛使用變頻技術(shù)來實現(xiàn)節(jié)能降耗。但由于電網(wǎng)電壓波動時，變頻器會出現(xiàn)低電壓閉鎖、停止電流輸出等現(xiàn)象。變頻器接至電廠重要輔機(jī)設(shè)備上時，變頻器的停運(yùn)可直接導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組非計劃停機(jī)，對企業(yè)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和設(shè)備危害[1]。

能源管控中心中央電站二期2臺220 t/h摻燒煤氣鍋爐發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)有功功率為25 000 kW。每臺鍋爐配備12 臺給粉機(jī)，采用ABB ACS550 型變頻器驅(qū)動,給粉機(jī)控制柜控制電源、動力電源均取自廠用電。2019 年8 月14 日16 時18 分，由于電網(wǎng)波動，相應(yīng)廠用電瞬時電壓降低，由于變頻調(diào)速設(shè)備不具備低電壓穿越功能，中央電站二期2#爐1#～8#、11#給粉機(jī)變頻低電壓保護(hù)動作，變頻器閉鎖輸出，造成機(jī)組停機(jī)事故發(fā)生。此類非計劃停機(jī)事故，直接影響生產(chǎn)連續(xù)性和經(jīng)濟(jì)性，并容易造成電氣設(shè)備損壞。為保證中央電站二期機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，對二期2臺鍋爐共計24臺給粉機(jī)變頻器加裝2套低電壓穿越裝置。

1 鍋爐給粉機(jī)變頻器供電現(xiàn)狀

每臺鍋爐的1#～12#給粉機(jī)額定功率為2.2 kW，額定電壓為380 V，采用ABB ACS550 型變頻器驅(qū)動，拖動方式為一拖一。1#～6#給粉機(jī)變頻器由廠用電380 V系統(tǒng)的1#、2#兩路交流電源供電，7#～12#給粉機(jī)變頻器由廠用電380 V 系統(tǒng)的3#、4#兩路交流電源供電,兩路電源互為備用。由于1#～4#交流電源均來自廠用380 V 系統(tǒng)，當(dāng)廠用電系統(tǒng)出現(xiàn)電壓暫降時，兩路電源的供電方式也無法保證給粉機(jī)變頻器的持續(xù)運(yùn)行。

2 低電壓穿越系統(tǒng)的工作原理及組成

當(dāng)電網(wǎng)電壓正常時，變頻器由交流母線供電,低電壓穿越系統(tǒng)處于熱備用狀態(tài)。當(dāng)發(fā)生低電壓穿越時，變頻器直流母線電壓低于低電壓穿越系統(tǒng)輸出電壓，轉(zhuǎn)由低電壓穿越系統(tǒng)給變頻器提供直流電，保證變頻器正常工作。

低電壓穿越系統(tǒng)由整流充電單元、RTM 模塊、監(jiān)測單元、執(zhí)行單元、電池巡檢儀等組成[2]。其中RTM 是一種用于直流負(fù)載的電壓暫降保護(hù)設(shè)備，若系統(tǒng)出現(xiàn)故障，可以快速切斷輸入與輸出的聯(lián)系，起到快速保護(hù)系統(tǒng)以及模塊本身的作用，能對電壓暫降作快速和精確的校正，并有連續(xù)的電壓調(diào)節(jié)和負(fù)載電壓補(bǔ)償?shù)墓δ堋?/p>

低電壓穿越系統(tǒng)采用集中式供電方式，單套低穿柜對應(yīng)單臺機(jī)組的1#～12#給粉機(jī)變頻器，低穿柜一路交流電源輸入、兩路直流電源輸入。由廠用380 V 系統(tǒng)向低穿柜提供一路交流電源，由中央電站三期直流屏向低穿柜提供直流電源，直流電直接與RTM模塊中直流輸入端相連。

3 改造內(nèi)容

3.1 給粉機(jī)變頻器控制回路改造

給粉機(jī)控制電源改造，給粉機(jī)控制電源原本是取自廠用電380 V 一火線一零線220 V 的電源供給的，當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生暫降時，廠用電電壓也會降低，這樣會導(dǎo)致變頻器控制面板等欠壓失效，變頻器勢必引發(fā)故障報警，所以控制電源需要用UPS 改造。由原來的一火一零改為低電壓穿越系統(tǒng)UPS 輸出的AC220 V，為給粉機(jī)控制柜提供不間斷交流電源。UPS 由一路直流和一路交流供電，直流電源取自中央電站三期直流屏DC220 V，交流電源取自廠用電AC380 V。見圖1。

圖1 改造后低電壓穿越系統(tǒng)原理圖

3.2 給粉機(jī)變頻器動力回路改造

給粉機(jī)變頻器動力單元的電壓變化過程是工頻380 V交流電源經(jīng)整流器先整流成直流電[3]，直流中間電路對整流電路的輸出進(jìn)行平滑濾波，利用逆變器功率元件的通斷控制，將直流電源逆變成頻率、電壓可調(diào)的三相交流電源供負(fù)載使用[4]。當(dāng)電網(wǎng)電壓出現(xiàn)波動時，低電壓穿越系統(tǒng)的監(jiān)測單元檢測到給粉機(jī)變頻器直流環(huán)節(jié)電壓下降至設(shè)定值，RTM 電壓暫降保護(hù)裝置將廠用DC220 V 升壓后輸出穩(wěn)定的500 V 高壓直流電，為變頻器直流環(huán)節(jié)提供穩(wěn)定直流電源。1 臺RTM 裝置對應(yīng)2 臺給粉機(jī)變頻器，RTM 的直流輸出回路正極引出線接至變頻器直流母線的正極端子，由于ABB ACS550 變頻器的直流負(fù)線沒有外出的端子，所以需要將整流橋后的直流負(fù)線引到變頻器外接端子，和低穿柜變頻器的直流饋出負(fù)線對接。見圖2。

圖2 RTM系統(tǒng)外圍接線框圖

電網(wǎng)波動時，給粉機(jī)變頻器運(yùn)行參數(shù)能夠保持穩(wěn)定，鍋爐發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行。當(dāng)電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常后，低電壓穿越系統(tǒng)自動退出，處于待機(jī)狀態(tài)，變頻器自動轉(zhuǎn)換由廠用380 V動力母線供電。

3.3 低電壓穿越系統(tǒng)聯(lián)鎖控制改造

崗位運(yùn)行人員通過DCS 遠(yuǎn)方控制（也可以就地控制）給粉機(jī)的運(yùn)行、停止和轉(zhuǎn)速，電機(jī)按模擬控制4～20 mA 電流決定變頻器拖動電機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速。低電壓穿越系統(tǒng)柜向DCS 提供一路無源常開接點(diǎn)，向DCS 反饋低穿系統(tǒng)的故障信號，用于崗位人員監(jiān)控低穿系統(tǒng)運(yùn)行狀況。DCS向低電壓穿越系統(tǒng)柜提供一路無源常開接點(diǎn)，用于MFT（爐膛滅火保護(hù)）信號采集，作為低穿系統(tǒng)柜內(nèi)聯(lián)鎖控制。事故情況下，當(dāng)鍋爐MFT 動作，快速切斷設(shè)備電源，停止設(shè)備的運(yùn)行，確保低電壓穿越裝置不影響系統(tǒng)正常操作。

4 低電壓穿越系統(tǒng)功能測試

4.1 單臺給粉機(jī)變頻器斷電測試

啟動1#爐1#給粉機(jī)變頻器，合上低電壓穿越系統(tǒng)直流輸出MCB401 斷路器，斷開1#爐1#給粉機(jī)變頻器交流電源開關(guān)，低電壓穿越系統(tǒng)自動投入運(yùn)行，測量系統(tǒng)輸出電壓為500 VDC 左右。10 s 內(nèi)變頻器保持正常運(yùn)行，輸出頻率、給粉電機(jī)轉(zhuǎn)矩、給粉電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)無變化。10 s 后自動跳開RTM 和給煤機(jī)之間的接觸器，低電壓穿越系統(tǒng)自動退出運(yùn)行，合上1#爐1#給粉機(jī)變頻器交流電源開關(guān)，低電壓穿越系統(tǒng)恢復(fù)為備用狀態(tài)，變頻器轉(zhuǎn)為由廠用380 V 交流電源繼續(xù)供電。

4.2 1#爐1#～6#給粉機(jī)變頻器總電源斷電測試

啟動1#爐1#～6#給粉機(jī)變頻器，合上低電壓穿越系統(tǒng)直流輸出MCB401～MCB406 斷路器，斷開1#爐1#～6#給粉機(jī)變頻器兩路交流電源總開關(guān)，低電壓穿越系統(tǒng)自動投入運(yùn)行，測量系統(tǒng)輸出支撐電壓為DC500 V 左右，1#～6#給粉機(jī)變頻器保持正常運(yùn)行，輸出頻率、給粉電機(jī)轉(zhuǎn)矩、給粉電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)無變化。8 s 后合上1#爐1#～6#給粉機(jī)變頻器交流總電源，低電壓穿越系統(tǒng)自動退出運(yùn)行，恢復(fù)為備用狀態(tài)，1#爐1#～6#給粉機(jī)變頻器轉(zhuǎn)為由廠用380 V交流電源繼續(xù)供電。

4.3 MFT聯(lián)鎖控制測試

啟動1#爐7#～12#給粉機(jī)變頻器，確認(rèn)低電壓穿越系統(tǒng)處于正常待機(jī)備用狀態(tài)。從遠(yuǎn)方DCS 發(fā)出MFT 控制信號，低電壓穿越系統(tǒng)的MC407～MC412直流輸出接觸器動作，與1#爐的7#～12#給粉機(jī)變頻器斷開連接，1#爐的7#～12#給粉機(jī)同時跳閘，低電壓穿越系統(tǒng)未影響原有的控制系統(tǒng)。

5 經(jīng)濟(jì)效益分析

2 臺發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)有功功率為25 000 kW。按發(fā)電機(jī)組非計劃停機(jī)次數(shù)3 次/年，每次停機(jī)時間3.5 h，發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定發(fā)電能力20 000 kW 計算,每年造成電量損失約210 000 kWh，應(yīng)用低電壓穿越系統(tǒng)后，電價按0.5 元/kWh,全年可壓減非計劃停機(jī)事故損失約10.5 萬元。

同時，低電壓穿越裝置可以避免突然失電對變頻器的損壞，在電網(wǎng)波動時不會對給粉機(jī)造成較大的啟動轉(zhuǎn)矩沖擊，延長變頻器和電機(jī)的使用壽命，每年可節(jié)省維修費(fèi)用、材料費(fèi)用約10 萬元。

6 結(jié)語

通過能源管控中心中央電站鍋爐給粉機(jī)變頻器低電壓穿越系統(tǒng)改造，給粉機(jī)變頻器及其拖動系統(tǒng)可實現(xiàn)在電力系統(tǒng)發(fā)生短時電壓降落或失電時，輸出轉(zhuǎn)矩、保證轉(zhuǎn)速和功率等技術(shù)參數(shù)均不變，解決了因電網(wǎng)電壓波動引起的給粉機(jī)變頻器低電壓保護(hù)跳閘問題，避免了低電壓造成的非計劃停爐和關(guān)鍵設(shè)備的損壞，提高了燃煤鍋爐發(fā)電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益。