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变频与工频运行自动切换系统在一次风机上的应用

发表时间：2020/7/20 来源：《电力设备》2020年第8期作者：李建

[导读] 摘要：高压变频技术在火电厂辅机动力上应用后节能效果显著，但目前变频器的可靠性还不能满足发电厂的稳定运行要求，本文介绍了一次风机变频与工频运行自动切换系统的设计思路和应用情况，在保证锅炉安全运行前提下达到节能降耗的目的，为火发电厂风机变频控制技术安全应用提供借鉴。

        （中粮生化能源（公主岭）有限公司 136100）
        摘要：高压变频技术在火电厂辅机动力上应用后节能效果显著，但目前变频器的可靠性还不能满足发电厂的稳定运行要求，本文介绍了一次风机变频与工频运行自动切换系统的设计思路和应用情况，在保证锅炉安全运行前提下达到节能降耗的目的，为火发电厂风机变频控制技术安全应用提供借鉴。
        关键词：一次风机；变频；自动切换；转换函数
        1 概述
        1.1 设备概况一次风机是火力发电厂内重要的辅机，容量大、耗电多，而且长期处于连续运行、低负荷及变负荷运行状态，目前大多数采用节流调节的方式控制一次风母管压力，其节能潜力巨大，采用变频调速技术是比较理想的的节能途径。但从目前各发电企业运行的变频器统计，许多品牌的变频器都多多少少的出现过变频器本身故障或被外界因素诱发跳闸事件。
        华能上安电厂300MW机组一次风机为上海鼓风机厂生产的2518az/842型双进单出离心风机，双侧对称布置，风量为46.8m³/s，风机效率为83%，配置的电机为YKK630-6型鼠笼电机，额定电压6kv，额定功率为1120kw，额定电流为122.6A，转速为1486转/分。
        1.2 问题提出虽然一次风机采用变频调速是较理想的节能措施，但电力生产的特殊性要求一次风机运行不仅要有较高的经济性，而且首先要有足够的安全可靠性，尽可能减少一次风机变频跳闸对锅炉运行的影响，避免因一次风失压导致锅炉灭火情况发生。由于变频器是一个复杂的大功率电力电子装置，要想达到目前工频运行方式下的可靠性还有一段差距，就目前运行情况看，不管是进口变频器，还是国产变频器，都多次出现过变频器本身故障或被外界因素诱发跳闸的情况。因此，为解决火力发电厂锅炉一次风机采用变频调速后机组的安全稳定运行问题，需解决两个问题：一是自动切换如何实现；二是切换过程中如何使风量变化幅度最小，以满足锅炉稳定燃烧的需要，这就需设计变频与工频自动切换系统来解决。
        2 变频与工频运行切换系统设计
        2.1 自动切换系统原理图
        该系统由变频器入口断路器QF1、出口断路器QF2、工频旁路断路器QF3和变频器组成。当引风机变频运行方式时，操作变频器入口断路器、出口断路器闭合，然后启动变频器，开启一次风机变频运行。工频运行时，断开变频器入口断路器、出口断路器，然后闭合工频旁路断路器转换到工频运行。当变频器检修时，拉出QF1、QF2断路器，形成明显断点。电气联锁及操作基本原则如下：①变频器入口断路器QF1与变频器实现联锁保护，当变频器不具备送电条件时，闭锁QF1合闸回路，当变频器出现重故障时，紧急分断QF1断路器。②变频器出口断路器QF2与变频器实现联锁保护，当QF2没有闭合时，禁止启动变频器。③QF3与QF2之间存在电气硬接线和DCS逻辑双重闭锁功能，两个断路器不能同时闭合。④断路器QF2与断路器QF3处的接地刀闸存在互锁功能，防止设备运行或检修时误操作导致严重事故。⑤QF1断路器配变压器保护，保护动作时跳开QF1断路器，连跳QF2断路器。QF3断路器配置电动机保护，保护动作时跳开QF3断路器。QF2断路器配置电动机保护，保护动作时闭锁变频向工频切换。
        2.2 风机入口挡板自动调整方案变频器运行中跳闸后，在切换到工频过程中，风机入口挡板必须快速响应关到相应位置，以确保一次风量较小波动，但挡板回关位置如何确定，这就需要提前计算给定。一次风机转速给定信号与风量是线性关系，但入口挡板开度与风机风量则是非线性关系。因此，当变频器跳闸时，DCS系统要用当时变频转速给定信号控制风机入口挡板开度，方能使自动切换前后的风量相等。

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经过多次在现场试验测定了入口挡板开度与风机风量、转速的函数关系，建立了在本侧风机同一出力下，由变频控制状态转化为挡板控制时所须挡板开度的转换函数，将其输入DCS系统内，则当变频器跳闸时，风机入口挡板可实现根据跳闸前变频器的转速自动调节到需要的位置，保证切换前后的风量相等。
        2.3 风机入口挡板动作速度问题在风机变频改造中，风机入口挡板的动作速度对锅炉的影响很重要，特别是当变频向工频切换时。在切换过程中，为防止电机过电压，从变频器故障到旁路开关合闸约需4秒左右时间，电机进入全速运转还需要6~10秒时间，为了抵消由于电机速度增加而带来的风量增加，入口挡板应在几乎相同的时间内关到预定位置，因此要求入口挡板的动作速度要快。为了实现风机档板在变频器故障时快速动作和工频运行时调整操作稳定，要求风机档板执行机构在故障状态时动作速度快，正常操作时动作速度要慢，以符合运行人员的调整要求，为此应选择挡板的全行程关时间控制在12~15秒为宜。
        2.4 自动切换系统DCS控制逻辑设计一次风机应用变频调速控制后，运行调节最终要满足一次风压的要求。变频方式运行时一次风压调整不再依靠调节入口挡板开度来改变风量，改为以一次风母管压力为被控对象，变频器接受DCS提供的4~20mA速度给定信号，调节一次风机转速来改变进气量。同时保留了一次风机入口挡板备用功能，一次风压即可通过变频器也可通过入口挡板进行调整。
        通常，两侧一次风机变频方式运行时，一次风机入口挡板应手动放到100%全开位置，一次风压通过变频器进行自动调整。一台变频器故障后，如果需要故障侧一次风机工频运行，故障侧一次风机入口挡板可置于全开，利用非故障侧变频运行风机进行一次风压变频自动调节，也可将非故障侧变频运行风机手动设定一定转速，然后两侧挡板同时投自动进行一次风压力调节。当两台一次风机都在工频方式运行，一次风机入口挡板可投自动进行调节，与改造前相同。
        2.5 自动切换系统应用效果
        2.5.1 一次风机变频控制改造结束后，在空载和带负荷情况下进行了手动工频向变频、手动变频向工频切换试验，工变频切换平稳，入口挡板响应迅速，一次风压波动很小。在修后超速试验前，又模拟了变频器重故障停机状态，自动切换系统成功启动，转到工频运行，同时入口挡板关到相应位置，对锅炉燃烧没有造成任何影响。
        2.5.2 一次风机变频控制改造后，在机组负荷250MW时，发生了一次变频器内部故障，从变频运行方式自动切换到工频方式，从运行曲线观察，一次风压波动很小，锅炉负荷基本没有受到影响。
        2.5.3 一次风机变频改造结束后，节能效果显著，与变频改造前电机运行参数相比，满负荷时电流下降约25A，半负荷运行时电流下降约26A，从供电开关处统计用电量分析，变频控制改造后月平均节电28%，同时从一次风机单耗试验分析，改造后能耗下降约25%。
        3 结语
        高压变频器近年在电力系统虽然应用较广，但大多考虑的是节能效果，积累的运行经验较少，安全隐患不容乐观，在故障情况下多次出现影响机组负荷或导致机组跳闸事件。华能上安电厂300MW机组一次风机变频与工频运行自动切换系统的设计和应用，避免了变频器故障时对机组安全运行的威胁，通过正常情况下的切换试验和变频器故障时的成功切换观察，对锅炉燃烧影响很小，同时变频控制技术应用后节能效果显著，改善了锅炉一次风压调节品质，值得火电厂风机类辅机变频控制改造时借鉴和推广。
        参考文献：
        [1]风机及系统运行与维修问答/机械设备维修问答丛书，机械工业出版社，2004.
        [2]蔡增基.流体力学泵与风机（第五版），中国建筑工业出版社，2009.
        [3]王朝晖.泵与风机，中国石化出版社，2007.