低電壓穿越系統(tǒng)在鍋爐給粉機變頻器上的應用

屈小敏，羅遠福

(中國石化集團重慶川維化工有限公司，重慶 401254 )

近年來，變頻調速技術得到廣泛應用，但由于系統(tǒng)電壓不穩(wěn)定，變頻器低電壓保護動作跳閘導致電動機停機時常發(fā)生[1]。目前，燃煤鍋爐的給粉系統(tǒng)中，給粉機變頻器低電壓保護動作跳閘問題突出。給粉機低電壓跳閘造成非計劃停機停爐，會給電廠帶來重大的經(jīng)濟損失[2]。

1 問題描述

某石化企業(yè)是一家以天然氣為原料的化工企業(yè)，企業(yè)用電由國家電網(wǎng)500 kV變電站直接供電。該地區(qū)屬于多雷電地區(qū)，據(jù)不完全統(tǒng)計，每年的雷暴天氣44天左右。據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，從2010年新區(qū)220 kV站建成投運后，曾經(jīng)發(fā)生過5次由雷擊導致的220 kV外線路跳閘的事故。雷雨天氣時常發(fā)生，企業(yè)的高壓大容量電氣設備啟動造成電網(wǎng)電壓波動，因此系統(tǒng)晃電較為頻繁，造成鍋爐給粉機變頻器停運、鍋爐多次停爐，給鍋爐穩(wěn)定運行帶來極大的考驗。

2010年新區(qū)鍋爐建成投運后，發(fā)生過幾次雷擊狀態(tài)下大容量變壓器、大功率電動機啟動引起廠用電電壓驟降而造成的鍋爐給粉機變頻器停運事件。而據(jù)不完全統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，系統(tǒng)的電壓暫降和短時中斷，89.2%都屬于暫降晃電，即電壓降低至額定電壓的10%～90%，持續(xù)時間在10 ms～1 min內。因此，確?；坞娖陂g鍋爐給粉機變頻器的穩(wěn)定運行，是確保鍋爐裝置安穩(wěn)長運行的根本。

2 鍋爐給粉機變頻器基本情況介紹

該企業(yè)有3臺高溫高壓燃煤鍋爐，鍋爐制粉系統(tǒng)均采用鋼球磨煤機中間儲倉式，每臺鍋爐配置12臺給粉機，分上、中、下三層給粉。給粉機配電柜安裝在環(huán)境較好的電氣配電室，12臺給粉機變頻器分成A、B兩組電源供電，帶自動切換功能，每組給粉機的常用電源與備用電源均來自兩個不同的系統(tǒng)，以確保每組給粉機的兩組給粉電源不會同時失電。變頻器通過遠方分散控制系統(tǒng)(DCS)系統(tǒng)集中控制，正常情況下在收到啟動指令后即刻投入運行。變頻器正常運行后，將運行狀態(tài)信號反饋給DCS系統(tǒng)，由DCS系統(tǒng)進行變頻調速控制，以保證給粉機能根據(jù)鍋爐負荷調節(jié)要求穩(wěn)定給粉，避免因為斷粉造成鍋爐停爐。單獨一組給粉雙電源供電情況示意參見圖1。

圖1 單獨一組給粉雙電源供電情況示意圖

3 低電壓穿越系統(tǒng)的概念及低電壓穿越難點分析

3.1 低電壓穿越系統(tǒng)概念

低電壓穿越概念最早起源于風電場，是指當電網(wǎng)發(fā)生故障或者擾動引起風電場并網(wǎng)點的電壓跌落時，在電壓跌落的范圍內，風電機組能夠不間斷并網(wǎng)運行。這一概念現(xiàn)已擴展至各種“敏感負荷”，比如鍋爐給粉機變頻器，則是指電源電壓暫時跌落或者消失，而在很短的時間內(一般是幾秒以內)，給粉機能夠不間斷運行。

3.2 低電壓穿越的主要表現(xiàn)類型

低電壓穿越主要表現(xiàn)為系統(tǒng)電壓的驟降，電壓下降至標稱電壓的10%～90%，波動時間為10 ms～1 min。

3.3 低電壓穿越難點分析

該企業(yè)廠用電系統(tǒng)電源自動投入裝置配置模式?jīng)Q定了運行中存在抗晃電能力不足，切換過程中無法滿足穩(wěn)定供電要求等問題。

1)目前，企業(yè)10 kV廠用電配置的江蘇金智科技有限公司MFC2000-6 微機廠用電快速切換裝置，可實現(xiàn)低電壓快速切換，即當工作電源電壓低于70%額定電壓，備用電源電壓高于80%額定電壓時，可實現(xiàn)廠用電電源的快速切換?？焖偾袚Q時間在幾十毫秒內完成。經(jīng)過多次驗證，快速切換過程中不會對運行中的鍋爐高壓輔機造成影響。在非快速切換模式下，由于上下配合級差，廠用380V母線電源不會切換，母線將會發(fā)生低電壓穿越現(xiàn)象。

2)廠用380 V母線采用傳統(tǒng)備自投切換方式，當系統(tǒng)發(fā)生晃電，備自投動作切換時間約為1.5 s，廠用380 V母線將會發(fā)生明顯晃電現(xiàn)象，導致給粉機變頻器停運，鍋爐因為燃料中斷FSSS系統(tǒng)保護動作停爐。

因此，解決給粉機變頻器低電壓停運的問題，是解決鍋爐晃電停爐的關鍵。其需要保證低電壓時給粉機變頻器能夠正常運行。當鍋爐出現(xiàn)爐膛壓力異常，高壓引、送風機輔機全停，爐膛熄火，水位發(fā)生異常時，給粉機要能夠快速停運，切除燃料供給。這是低電壓穿越需要解決的難點問題，需要做到以下3點。

1)完好備用。在鍋爐給粉機變頻器交流母線電壓正常、變頻器啟動運行、FSSS系統(tǒng)未給出保護動作信號這3個條件同時滿足時，低電壓穿越PLC控制系統(tǒng)做好支撐準備，確保直流支撐電源處于熱備用狀態(tài)。

2)可靠支撐。當廠用電出現(xiàn)晃電，直流支撐電源電壓高于變頻器直流電壓時，直流支撐電源對變頻器可靠供電，保證給粉機變頻器不間斷運行。晃電結束，廠用電電壓恢復正常后，低電壓穿越退出支撐，恢復給粉機變頻器正常廠用電源供電。

3)準確退出。當給粉機停止運行，F(xiàn)SSS系統(tǒng)給出保護動作信號，鍋爐主燃料跳閘(MFT)動作或者晃電時間超過設定值10 s仍未恢復時，低電壓穿越系統(tǒng)必須快速準確退出對給粉機變頻器的直流支撐電源，避免鍋爐爆炸事故的發(fā)生[3]。

4 低電壓穿越系統(tǒng)方案篩選及基本構成

4.1 低電壓穿越系統(tǒng)方案篩選

目前市場上外設的低電壓穿越系統(tǒng)設備應用較為廣泛的主要有兩大類：一類是利用外置直流屏蓄電池提供直流電源，作為變頻器的直流支撐電源，外置直流保安電源與低電壓穿越設備分開；另一類是低電壓穿越系統(tǒng)接入單獨的交流電源進行整流儲能后，給變頻器直流母線提供直流支撐電源，整流儲能設備作為低電壓穿越系統(tǒng)的一部分[4]。

新區(qū)鍋爐配置有單獨的直流保安電源，1#、2#爐配置有1 200 Ah，3#爐配置有1 000 Ah大容量直流屏蓄電池。結合現(xiàn)場實際，在保證安全的前提下，不再重復安裝直流屏及蓄電池，同時減少建設投資及定期維護工作量，決定采用第一類方案。新區(qū)鍋爐的低電壓穿越系統(tǒng)作為負荷分別由1#、2#爐1 200 Ah及3#爐1 000 Ah直流屏供電，系統(tǒng)選用通過使用考核驗證的南京國臣信息自動化技術有限公司生產(chǎn)的SGS低電壓穿越裝置。

4.2 低電壓穿越系統(tǒng)基本構成及主要器件介紹

低電壓穿越系統(tǒng)主要由監(jiān)控單元、電壓暫降保護裝置核心器件、執(zhí)行單元組成。該企業(yè)采用1臺電壓暫降保護器RTM模塊帶2臺給粉機變頻器的方式。具體見圖2。

圖2 1拖2方式低電壓穿越系統(tǒng)構成

監(jiān)控單元：顯示給粉系統(tǒng)交流電源、直流輸出電流、運行指示、故障信號指示、晃電SOE記錄信息、充電電壓、RTM模塊運行信息等。同時具備PLC控制的作用，監(jiān)控低電壓穿越系統(tǒng)，監(jiān)測給粉機交流母線輸入電壓、直流輸出電流、晃電持續(xù)時間、給粉機運行狀況、RTM模塊運行狀況、FSSS系統(tǒng)保護動作情況等。與觸摸屏配合，可顯示并修改相關數(shù)據(jù)參數(shù)，查看報警信號，實現(xiàn)整套系統(tǒng)的智能自檢及控制功能。

電壓暫降保護器RTM模塊：RTM隔離型電壓暫降保護器為新區(qū)給粉低電壓穿越系統(tǒng)設備核心器件，是一種用于直流負載設備的電壓暫降保護設備，RTM模塊的輸入電源為直流220 V，可采用廠用直流220 V的保安電源來供電，其輸入端和輸出端是隔離的，不論是輸入端還是輸出端出現(xiàn)故障，都不會對兩端所接的用電負荷造成影響，更不會影響直流保安電源的安全運行。RTM模塊額定輸出電壓為直流500 V，并且輸出電壓可以設定，自身帶有各種保護功能，若系統(tǒng)出現(xiàn)故障，可以快速切斷輸入端與輸出端的聯(lián)系，快速保護低電壓穿越系統(tǒng)及模塊本身，具有很高的運行可靠性，設備體積小、質量輕，效率高。

執(zhí)行單元：主要由給粉機供電總斷路器、單臺給粉機斷路器、二極管及接觸器等組成，執(zhí)行單元會根據(jù)給粉機運行情況及電壓變化情況，準確投入低電壓穿越系統(tǒng)對應設備，確?；坞娭斡行?，鍋爐保護動作可靠退出[5]。

5 低電壓穿越系統(tǒng)工作原理及應用試驗效果

5.1 1模塊帶2臺給粉機變頻器低電壓穿越系統(tǒng)工作原理

1模塊帶2臺給粉機變頻器是該企業(yè)低電壓穿越系統(tǒng)采用的典型模式，由1個電壓暫降保護器RTM模塊同時給2臺給粉機變頻器提供晃電支撐電源。具體工作原理：廠用電電壓正常，鍋爐給粉機在收到DCS啟動指令后，給粉機變頻器啟動，低電壓穿越系統(tǒng)監(jiān)視到某給粉機運行信號后，發(fā)指令將對應給粉機接觸器合閘，做好對應給粉機變頻器晃電支撐準備，但由于正常運行時二極管關斷，給粉機變頻器由廠用電源直接供電。

當供電系統(tǒng)電壓出現(xiàn)波動，電壓跌落到0%～85%范圍系統(tǒng)瞬時啟動工作，二極管導通后，可將直流500 V電壓加在變頻器直流母線，保證變頻器正常運行；若10 s內電網(wǎng)電壓恢復正常，對應給粉機二極管關斷，對應的電壓暫降保護器RTM模塊退出支撐狀態(tài)，轉為熱備用狀態(tài)；若10 s內，廠用電電壓仍未恢復正常，低電壓穿越系統(tǒng)判斷廠用電失電，為確保鍋爐的安全運行，低電壓穿越系統(tǒng)退出支撐，停止對給粉機變頻器的供電；當鍋爐保護動作或變頻器停止運行時，系統(tǒng)自動退出支撐，轉為熱備用狀態(tài)，確保鍋爐安全運行[6]。1模塊帶2臺給粉機低電壓穿越系統(tǒng)工作原理見圖3。

圖3 1模塊帶2臺給粉機低電壓穿越系統(tǒng)工作原理圖

5.2 給粉機變頻器配合低電壓穿越系統(tǒng)改造情況(該電廠1#為例)

三菱A700系列變頻器，預留有直流母線端子，在接完直流母線不改動變頻器的情況下做動態(tài)實驗時，斷變頻器交流輸入電源開關，變頻器直接停止輸出，控制盤面板也隨之黑屏，需改造。三菱A700變頻器主回路及控制回路端子見圖4。改造步驟如下。

1)變頻器預留外接電源端子R1，S1分別對接至直流母線，R1端子接變頻器直流母線正極，S1端子接變頻器直流母線負極。未修改之前R/L1與R1/L11短接，S/L2與S1/L21短接，控制回路電源與電機交流電源為同一電源，當出現(xiàn)晃電時，變頻器控制回路失去正?？刂齐娫矗撔薷谋ＷC了變頻器控制電源與主回路一次電源分開，避免交流主電源晃電造成變頻器控制回路失電。

圖4 三菱A700變頻器主回路及控制回路端子圖

2)變頻器參數(shù)P30由0改為20，該參數(shù)修改代表將變頻器供電模式改為交流、直流切換運行。

3)將變頻器RT端子和SD端子短接，并把RT端子對應的P183參數(shù)改為70(該參數(shù)修改代表變頻器直流供電運行被許可)。

4)改造完以上接線后再次試驗則正常。

5.3 給粉機低電壓穿越支撐性能測試結果

綜合考慮后設置給粉機低電壓穿越支撐時間為10 s，當斷掉給粉機變頻器交流輸入電壓，維持9 s，9 s后恢復變頻器交流輸入電壓。抽查某給粉機變頻器進行錄波發(fā)現(xiàn)，斷掉給粉機變頻器交流輸入電壓，維持9.43 s左右，9.43 s后恢復變頻器交流輸入電壓。試驗錄制波形見圖5至圖7。

圖5 電壓暫降時間圖

圖6 交流輸入電壓暫降前后峰值

圖7 直流母線電壓暫降前后值

當模擬電壓暫降9.43 s(見圖5)，從圖6可以看出，在變頻器輸入電壓暫降期間(峰峰值552 V變?yōu)? V)，低電壓穿越裝置為給粉機變頻器直流母線提供有效支撐，維持變頻器直流母線電壓在496 V(見圖7)，變頻器輸出電壓保持相對穩(wěn)定，變頻器能正常運行。

5.4 低電壓穿越裝置與變頻器運行信號、MFT信號聯(lián)鎖功能測試

1)DCS遠程啟動發(fā)出給粉機啟動指令后低電壓穿越裝置處于熱備用狀態(tài)；遠程發(fā)出給粉機停止運行指令后低電壓穿越裝置退出運行。

2)DCS啟動12臺給粉機變頻器后，遠程模擬FSSS(爐膛壓力異常保護動作，引、送風機停止運行，鍋爐水位異常保護，全爐膛滅火保護、燃料中斷保護)動作信號中任意一個信號，對低電壓穿越裝置發(fā)出MFT信號，低電壓穿越裝置收到MFT信號后運行信號被切斷，低電壓穿越裝置停止輸出。

6 結論

1)低電壓穿越系統(tǒng)與給粉機變頻器正常運行時，保證可靠隔離，準確支撐，從根本上保證鍋爐的安全運行。系統(tǒng)未配置單獨的直流屏蓄電池供電，避免了周期性更換蓄電池，減少了維護難度及成本，降低了對環(huán)境污染的風險。

2)系統(tǒng)配置的外置二極管及電壓暫降保護器RTM模塊內部的隔離變壓器，能有效防止形成環(huán)流和阻止負載側的瞬間反向電壓對直流系統(tǒng)的沖擊。

3)低電壓穿越系統(tǒng)配置的主監(jiān)控單元，實時顯示了給粉機及晃電支撐系統(tǒng)運行情況，并記錄晃電支撐過程，便于檢查。

4)低電壓穿越系統(tǒng)2018年投入運行后，2021年9月16日，鍋爐某高壓電動機故障，電動機速斷保護動作跳閘，廠用電電壓瞬間降至56%Ue，對應廠用電部分低壓電動機跳閘，而電源取自該段的鍋爐給粉機持續(xù)穩(wěn)定運行，避免了鍋爐停爐。因此，經(jīng)過實際驗證的低電壓穿越系統(tǒng)在鍋爐給粉機變頻器上的應用，從根本上解決了電網(wǎng)波動對鍋爐安全穩(wěn)定運行的威脅，有效地解決了鍋爐因為晃電發(fā)生鍋爐停爐事故，保證了鍋爐的長周期運行，避免了企業(yè)遭受重大的經(jīng)濟損失。