淺談電廠冷卻塔風(fēng)機(jī)軟啟動(dòng)改造

郭晟昆

（廣州大學(xué)城華電新能源有限公司 廣東廣州 510000）

0 引言

大功率交流電機(jī)直接啟動(dòng)（硬啟動(dòng)）會(huì)產(chǎn)生一系列的電器和機(jī)械問題。電器方面，啟動(dòng)時(shí)可達(dá)5 倍～7 倍的額定電流，電動(dòng)機(jī)繞組因電流引起過溫，造成供電網(wǎng)絡(luò)電壓波動(dòng)，影響其他設(shè)備的正常運(yùn)行；機(jī)械方面，過大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機(jī)械沖擊，對(duì)其帶動(dòng)的設(shè)備造成大的沖擊力，縮短使用壽命，影響精確度，如使聯(lián)軸器損壞、皮帶撕裂等，造成機(jī)械傳動(dòng)的非正常磨損及沖擊，加速老化，縮短壽命［1］。為改善啟動(dòng)性能，通用做法是采取軟啟動(dòng)方式。啟動(dòng)方式有自耦變壓器降壓啟動(dòng)、星三角降壓啟動(dòng)、電力軟啟動(dòng)器啟動(dòng)、變頻器啟動(dòng)等電力軟啟動(dòng)方式，以及采用液力耦合器及其他一些性能更好的機(jī)電一體化軟啟動(dòng)產(chǎn)品。其中，電力軟啟動(dòng)器啟動(dòng)在降低啟動(dòng)電流、改善啟動(dòng)性能方面有著較高性價(jià)比，在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用［2］。

1 機(jī)組概況及暴露的問題

1.1 硬啟動(dòng)暴露的問題

本廠冷卻塔風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)為上海電機(jī)YD355L1-8/4W，額定功率60/160 kW，額定電流131/277 A，額定轉(zhuǎn)速745/1485 r/min，采用雙速風(fēng)機(jī)硬啟動(dòng)方式。直接啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)，啟動(dòng)電流倍數(shù)K1應(yīng)滿足公式（1）所含的條件：

式中：Ist為電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流，A；In為電動(dòng)機(jī)的額定電流，A；Sn 為電源的總?cè)萘浚琸VA；Pn為電動(dòng)機(jī)的額定功率，kW。

本廠站用變額定容量Sn取2 000 kVA；Ist/In比值取啟動(dòng)時(shí)最大值為7；Pn取冷卻塔風(fēng)機(jī)低速啟動(dòng)60 kW，得出K1=7≤9.08。雖然可以直接啟動(dòng)（硬啟動(dòng)）并且對(duì)母線電壓降不大于10%，但是多年的頻繁啟停，我們?nèi)匀话l(fā)現(xiàn)許多硬啟動(dòng)方式對(duì)冷卻塔風(fēng)機(jī)機(jī)械及電氣方面產(chǎn)生的不良影響。通過對(duì)冷卻塔風(fēng)機(jī)機(jī)械及電氣缺陷的分析，總結(jié)電機(jī)在硬啟動(dòng)下方式所暴露出的問題。

啟動(dòng)時(shí)，硬啟動(dòng)方式對(duì)冷卻塔風(fēng)機(jī)機(jī)械部分的齒輪箱沖擊較大，機(jī)械磨損問題突出。對(duì)比減速箱齒輪及扇葉的檢修情況，發(fā)現(xiàn)硬啟動(dòng)對(duì)機(jī)械的沖擊比較大，機(jī)械磨損造成振動(dòng)偏大，也影響到了電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行；高低速切換繁瑣，切換時(shí)必須停下電動(dòng)機(jī)；電機(jī)的頻繁啟停讓電機(jī)承受過多的大電流沖擊，容易發(fā)生繞組絕緣被擊穿，影響電機(jī)的使用壽命。硬啟動(dòng)造成啟動(dòng)電流過大耗電量大，啟動(dòng)力矩不可調(diào)，啟動(dòng)不穩(wěn)定。如果啟動(dòng)過程中電動(dòng)機(jī)跳閘，甚至對(duì)開關(guān)及廠用電系統(tǒng)造成沖擊，影響其他設(shè)備的正常運(yùn)行，所造成的電壓降會(huì)影響同一電網(wǎng)變壓器下其它電氣設(shè)備的正常工作。本廠的冷卻塔風(fēng)機(jī)電機(jī)直接啟動(dòng)，電流過大產(chǎn)生的沖擊損傷是很明顯的，雙速切換邏輯繁瑣，不利于操作。硬啟動(dòng)方式在切換高速、低速運(yùn)行時(shí)，要先停電動(dòng)機(jī)才能實(shí)現(xiàn)切換，降低了工作效率，不利于運(yùn)行人員操作。啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的巨大噪聲擾民等現(xiàn)象，以及暴露出的其他問題也需要改進(jìn)完善。

1.2 軟啟動(dòng)器的方案確定

分析前文提出的4 種軟啟動(dòng)方式：自耦變壓器降壓啟動(dòng)方式需另外單獨(dú)配置1 臺(tái)自耦變壓器，體積大、質(zhì)量大，不適用于冷卻塔塔風(fēng)機(jī)控制柜現(xiàn)有的布局結(jié)構(gòu)；星三角降壓啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)電流只有全電壓啟動(dòng)電流的1/3，啟動(dòng)力矩只有全電壓啟動(dòng)力矩的1/3，導(dǎo)致力矩不足使電機(jī)啟動(dòng)失敗，且在星三角轉(zhuǎn)換時(shí)會(huì)產(chǎn)生沖擊電流對(duì)電網(wǎng)造成沖擊；變頻器啟動(dòng)方式需要額外購置變頻器及其相應(yīng)配件，投資成本巨大，不符合經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)化原則。故本次冷卻塔風(fēng)機(jī)雙速電機(jī)使用軟啟動(dòng)器啟動(dòng)方式，其啟動(dòng)初始電壓及啟動(dòng)初始力矩均可根據(jù)需求自行調(diào)節(jié)，啟動(dòng)平滑性、柔性好，并且軟啟動(dòng)的功能同樣也可以用來電機(jī)制動(dòng)，實(shí)現(xiàn)軟停車，降低啟動(dòng)時(shí)對(duì)減速箱的沖擊力度，同時(shí)控制啟動(dòng)電流，消除對(duì)廠用電系統(tǒng)的影響。結(jié)合前期潤滑油系統(tǒng)改造，將潤滑油泵控制進(jìn)一步整合，優(yōu)化系統(tǒng)控制模式，提高可靠性，簡化操作，提高效率。

1.3 項(xiàng)目裝置介紹

本項(xiàng)目計(jì)劃重新制作冷卻塔風(fēng)機(jī)啟動(dòng)控制箱，安裝于冷卻塔風(fēng)機(jī)平臺(tái)，整合風(fēng)機(jī)軟啟動(dòng)控制、高低速切換、潤滑油系統(tǒng)控制及聯(lián)鎖、保護(hù)及故障報(bào)警、運(yùn)行參數(shù)監(jiān)視及設(shè)置、箱內(nèi)環(huán)境控制等功能。軟啟動(dòng)器選用施耐德ATS48C41Q 軟啟動(dòng)器，由三相反并聯(lián)的晶閘管構(gòu)成。它串接在三相電源與電動(dòng)機(jī)之間，通過改變晶閘管門極脈沖觸發(fā)角度，使晶閘管導(dǎo)通角從零逐漸增大。根據(jù)預(yù)先設(shè)置的軟啟動(dòng)器參數(shù)曲線，電動(dòng)機(jī)輸出力矩隨電機(jī)上的端電壓的增大而逐漸增大，轉(zhuǎn)速隨之逐步提高，直至達(dá)到額定端電壓、額定轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，啟動(dòng)過程結(jié)束［2］?？刂七壿嬘晌鏖T子S7-200 PLC 實(shí)現(xiàn)，自行開發(fā)顯示操作界面（基于單片機(jī)系統(tǒng)及圖文液晶顯示屏）用作運(yùn)行參數(shù)監(jiān)視設(shè)置?？刂葡溆?04 不銹鋼制造，提高防雨、防塵、防小動(dòng)物等防護(hù)等級(jí)，箱內(nèi)安裝溫濕度傳感器、加熱器、冷卻通風(fēng)風(fēng)扇等環(huán)境控制設(shè)備。

2 改造實(shí)施方案

2.1 軟啟動(dòng)改造的運(yùn)行原理

施耐德ATS48C41Q 軟啟動(dòng)器啟動(dòng)模式豐富、保護(hù)功能完善、可設(shè)置第二電機(jī)參數(shù)（本案作低速參數(shù)），較適合啟動(dòng)雙速電機(jī)。軟啟動(dòng)器由PLC 控制，PLC 通過開出點(diǎn)啟動(dòng)軟啟動(dòng)器。軟啟動(dòng)器按預(yù)設(shè)參數(shù)啟動(dòng)電機(jī)，主回路用軟啟動(dòng)來切換。軟啟動(dòng)接入電源和電動(dòng)機(jī)定子之間。使用軟啟啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)，輸出電壓逐漸增加，電動(dòng)機(jī)逐漸加速，直到達(dá)到全壓，電流達(dá)到最大后逐漸降低。待電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)數(shù)時(shí)，啟動(dòng)過程結(jié)束［3］。啟動(dòng)完成后通過接點(diǎn)信號(hào)反饋至PLC，由PLC 控制合上旁路接觸器KM 完成啟動(dòng)過程，為電機(jī)提供高速運(yùn)行時(shí)的額定電壓，實(shí)現(xiàn)了啟動(dòng)過程中的平滑啟動(dòng)，大幅降低了啟動(dòng)電流和電壓暫降幅度，減少了高次諧波含量，延長了電機(jī)使用壽命和檢修周期。

2.2 軟啟動(dòng)改造的目標(biāo)

將冷卻塔風(fēng)機(jī)的直接啟動(dòng)改為軟啟動(dòng)，降低啟動(dòng)電流和啟動(dòng)力矩，減少對(duì)設(shè)備的沖擊磨損。冷卻塔風(fēng)機(jī)一次啟動(dòng)原理見圖1。

圖1 冷卻塔風(fēng)機(jī)一次啟動(dòng)原理圖

（1）高、低速切換由KMyy1、KMyy2、KMd 3 個(gè)接觸器組成，KMyy1、KMyy2 吸合時(shí)，電機(jī)繞組接成雙Y，電機(jī)處于高速狀態(tài)；KMd 吸合時(shí)，電機(jī)繞組接成三角，電機(jī)處于低速狀態(tài)。兩組接觸器互鎖，防止形成短路。當(dāng)軟啟動(dòng)完成后，旁路接觸器KM吸合，將軟啟動(dòng)器旁路。

（2）潤滑油泵由PLC 控制，設(shè)有熱繼電器保護(hù)，油壓經(jīng)變送器轉(zhuǎn)換成4 mA～20 mA 信號(hào)送入PLC AI 模塊，作為保護(hù)及邏輯控制用。

（3）簡化雙速切換，提高自動(dòng)化程度。

3 效益分析

3.1 經(jīng)濟(jì)效益

本廠塔風(fēng)機(jī)共3 臺(tái)，于2015 年10 月至11 月期間改造完成#1 冷卻塔風(fēng)機(jī)，2016 年上半年陸續(xù)完成另外2 臺(tái)冷卻塔風(fēng)機(jī)的改造項(xiàng)目。投入運(yùn)行以來，經(jīng)自檢及運(yùn)行人員巡檢，軟啟動(dòng)裝置運(yùn)行正常，冷卻塔風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)噪聲明顯減小。改造前冷卻塔風(fēng)機(jī)電機(jī)啟動(dòng)電流峰值約為2 000 A 左右，改造后約為1 000 A 左右，峰值降低50%，啟動(dòng)電流大幅度降低，延長了電機(jī)的使用壽命。本廠為調(diào)峰機(jī)組，調(diào)度根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)下達(dá)早起晚停任務(wù)，峰電、平電時(shí)段為2 套機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行，谷電時(shí)段停1 套機(jī)組，單套機(jī)組運(yùn)行，故冷卻塔風(fēng)機(jī)改變啟停次數(shù)，平均每年300 次以上，個(gè)別年份啟停次數(shù)可達(dá)400 次以上。

本廠冷卻塔風(fēng)機(jī)主要用于冷卻廠用循環(huán)水，保證凝汽器真空度及使用廠用循環(huán)水設(shè)備的電機(jī)溫度處在最經(jīng)濟(jì)運(yùn)行溫度。影響冷卻塔風(fēng)機(jī)耗電量的主要因素為本廠冷卻塔風(fēng)機(jī)啟動(dòng)臺(tái)數(shù)及功率，根據(jù)當(dāng)時(shí)發(fā)電機(jī)運(yùn)行機(jī)組數(shù)及溫度狀況（低溫條件下廠用循環(huán)水溫度低于啟動(dòng)冷卻塔風(fēng)機(jī)降溫的最低數(shù)值，高溫條件下啟動(dòng)多臺(tái)冷卻塔風(fēng)機(jī)冷卻廠用循環(huán)水溫度），其余各類因素為偶然因素或無法統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，不計(jì)入統(tǒng)計(jì)。發(fā)電機(jī)運(yùn)行機(jī)組數(shù)難以統(tǒng)計(jì)?，F(xiàn)使用年發(fā)電量與冷卻塔風(fēng)機(jī)年耗電量進(jìn)行對(duì)比，另列出當(dāng)年的年平均最高溫度及年平均最低溫度，具體見表1。

表1 2015～2017 年冷卻塔塔風(fēng)機(jī)、發(fā)電機(jī)運(yùn)行機(jī)組及溫度狀況統(tǒng)計(jì)表

由表1 可知，對(duì)比2017 年與2016 年度數(shù)據(jù)，在年平均最高溫跟最低溫均大于2016 年度的情況下，冷卻塔風(fēng)機(jī)耗電率反而下降了約0.03%，降低了生產(chǎn)運(yùn)行成本，做到了節(jié)能降耗。得益于軟啟動(dòng)器控制的優(yōu)越性，檢修人員對(duì)冷卻塔風(fēng)機(jī)減速箱及電機(jī)的維修周期跟更換頻率大幅減少，原件磨損的更換費(fèi)用、廠家派遣的技術(shù)人員費(fèi)用及冷卻塔風(fēng)機(jī)故障維修期間的發(fā)電量損失也大幅降低。

3.2 安全效益

機(jī)組運(yùn)行時(shí)，若其中1 臺(tái)冷卻塔風(fēng)機(jī)因故障停運(yùn)，會(huì)導(dǎo)致循環(huán)冷卻水溫度上升3 ℃～5 ℃，影響機(jī)組效率，降低機(jī)組的出力，因此冷卻塔風(fēng)機(jī)對(duì)維持廠用循環(huán)水溫度非常重要。冷卻塔風(fēng)機(jī)維護(hù)與更換耗時(shí)長，嚴(yán)重影機(jī)組循環(huán)水溫，進(jìn)而對(duì)機(jī)組的安全運(yùn)營造成非常大的影響。若冷卻塔風(fēng)機(jī)同時(shí)出現(xiàn)故障問題，將會(huì)導(dǎo)致機(jī)組全部停運(yùn)退出備用等嚴(yán)重后果?，F(xiàn)經(jīng)改造，機(jī)組安全可靠性大大增加，提高了安全效益。

另外，改造前，冷卻塔風(fēng)機(jī)潤滑油泵未設(shè)定與冷卻塔風(fēng)機(jī)的聯(lián)啟聯(lián)停和運(yùn)行監(jiān)視，運(yùn)行值班人員在啟動(dòng)（停運(yùn)）冷卻塔風(fēng)機(jī)或冷卻塔風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)要現(xiàn)場(chǎng)操作并確認(rèn)油泵。若潤滑油泵在運(yùn)行中出現(xiàn)故障，但未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，將導(dǎo)致齒輪箱及相應(yīng)系統(tǒng)磨損甚至損壞，后果不堪設(shè)想。因此，此次改造加入了聯(lián)啟聯(lián)停與運(yùn)行監(jiān)視功能，更好地保障了機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3.3 社會(huì)效益

此次冷卻塔風(fēng)機(jī)改造，加裝軟啟動(dòng)器后，冷卻塔風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)間較改造前有所減少。且啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的噪音也有明顯降低，周邊居民投訴減少。

另外，在冷卻塔風(fēng)機(jī)改造前的方案論證與改造后的實(shí)驗(yàn)中，運(yùn)行人員對(duì)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方式進(jìn)行了深入的學(xué)習(xí)與廣泛的討論，規(guī)范了冷卻塔風(fēng)機(jī)的正常啟動(dòng)程序，并對(duì)運(yùn)行人員做了事故預(yù)想、事故處理等一系列培訓(xùn)。運(yùn)行人員對(duì)設(shè)備的熟悉程度和對(duì)電氣電機(jī)知識(shí)的了解程度進(jìn)一步加深。

4 結(jié)論

對(duì)冷卻塔風(fēng)機(jī)啟動(dòng)裝置進(jìn)行技術(shù)改造，能夠大大降低發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)電流，減少電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的機(jī)械沖擊和磨損，電機(jī)軸承的運(yùn)行情況也有所改善，電機(jī)的檢修周期大大延長，從而提高冷卻塔風(fēng)機(jī)的使用壽命，維修費(fèi)用明顯降低。通過幾年來的運(yùn)行觀察，驗(yàn)證了冷卻塔風(fēng)機(jī)軟啟動(dòng)技術(shù)路線可行性，節(jié)能增效顯著，提高了本廠用電系統(tǒng)的可靠性，保障了機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，取得了較好的綜合效益。