發電廠直接空冷系統采用變頻控制應用問題

邢英邁

遼寧電力勘測設計院發電部，遼寧沈陽 110179

0 引言

空冷系統是指汽輪機的排汽或凝結排汽的冷卻水被進人由翅片管束組成的冷卻器管內，由橫掠翅片管外側的空氣進行凝結或冷卻的整個過程。冷卻器管內流體不與空氣直接接觸，而濕式冷卻的塔內空氣直接與冷卻水接觸并靠蒸發和對流冷卻，故空冷系統可節省濕式冷卻系統的蒸發、風吹和排污損失的水量，達到節約水資源的目的[1，2]。

空冷系統分為直接空冷系統和間接空冷系統。直接空冷系統根據通風方式分為機械通風和自然通風。間接空冷系統根據配用的凝汽器分為表面式凝汽器和混合式凝汽器。綜合比較而言，直接空冷系統具有冷卻效率高、占地面積小、投資較省、系統調節靈活、冬季運行防凍性能好等特點，目前國內正在進行的空冷電廠大多采用機械通風直接空冷系統。

1 接空冷系統簡要原理及冷卻風機配置概述

對于直接空冷來說，其主要作用就是通過空氣與蒸汽間進行熱交換，利用用空氣來冷凝汽輪機的排汽。其中，機械通風方式供應系統所需要的冷卻空氣，這就是機械通風直接空冷系統基本特點，這種系統往往代替常規水冷卻凝汽器，而安裝在機組布置在汽輪機下方，主要是按照布置在主廠房外的空氣冷卻凝汽器為主，其中，空氣冷凝汽輪機的排汽，熱交換在空氣與蒸汽之間進行。另外，對于許多翅片管組成的凝汽器來說，排氣管道送至室外的空氣冷卻凝汽器對于汽輪機排汽來說尤為重要，這是因為在此過程中，空氣流過凝汽器翅片管束的外表面在軸流冷卻風機的作用下，可以通過排汽冷凝咸水，然后利用重力自流的作用下，可以把凝結水集于布置在下方的凝水箱內，然后，汽輪機的回熱系統內接受凝結水泵送回來。

對于由若干臺空冷凝汽器構成的空冷凝汽器系統來說，臺軸流風機都應該配置在每臺空冷凝汽器上，另外，一般在高度為20m～45m的空冷平臺上安裝。一個水平平面內布置的軸流冷卻風機，往往都會存在軸流冷卻風機群，因而顯得較為龐大。對于變頻控制的風機電機來說，硬接線和通訊方式與電廠DCS相連，然后進行相關的變頻調速工作。這樣，在不同的蒸汽負荷和環境溫度情況下，DCS系統可以根據實際情況而進行相關的風機啟停及轉速的控制，從而使得排汽壓力汽輪機保持恒定。

2 變頻器在空冷凝汽器系統中的應用

節能、軟啟動、還有控制方便變頻節能這些是風機電機采用變頻控制的幾個主要原因。過去調節風門、擋板開度的大小等則往往是常用的控制手段，但是目前對于風機的部分指標控制和調解工作較難適用于工藝要求。所以，應該的要求則是風機均全速運轉在各種生產需要的條件下，其中，能量以風門、擋板等的節流損失消耗來體現相關的運行工況的變化。這樣在實際生產過程中，不僅僅控制精度存在一定影響，另外的能源和設備都大大地浪費，使得生產成本增加過快，也使得相關的使用設備的壽命縮短，造成了相關維護維修費用居高不下。這樣可以看出，傳統的方法調控對于直接空冷系統龐大的軸流冷卻風機群表現出不適應性。值得注意的是，當下降調節流量時候，在效率一定前提下，可以成比例轉速n下降，同時，軸輸出功率P成立方關系下降。這樣可以得出，轉速與電機的耗電功率基本上成立方比的關系。所以說，要想使得流量成正比的減少，則可以通過降低風機的轉速的方法；同時，軸功率成立方關系降低，壓力成平方關系減少，因而節電效果顯著。所以來說，通過變頻器調節空冷軸流冷卻風機轉速、控制起停在節能方面的效益，在一定的空冷機組運行不同的蒸汽負荷及環境溫度條件下，這種節能方面的效益十分明顯。

2.1 軟啟動

對于風機大部分設備來說，往往采用異步電動機直接啟動，這樣相關的缺點就不可避免存在，比如，機械沖擊、啟動電流大、而且電氣保護特性差等等，這樣使得設備壽命受到極大影響。所以，不能瞬間動作保護設備的負載出現時，這樣機械故障就會造成電機被燒毀，以及風機損壞的現象出現。另外，啟動電流約為（4～7）倍額定電流的情況下，對于空冷系統的軸流冷卻風機群的成組啟動過程中，這樣對于電網要求比較高，并且容易造成機電設備的嚴重沖擊而致使損壞。

所以，通過均勻地改變定子供電頻率的方式，這種條件下，可以使得電動機的轉速平滑改變，并在其過程中，保持有限的轉差率從高速到低速過程中，這樣就具有相關的寬范圍、高精度和高效率的調速性能，使得機械特性足夠強度。

對于變頻調速在調速控制來說，同時也能使得電動機“軟啟動”功能得以實現，這樣對于變頻調速的這種“軟啟動”功能來說，可以使得啟動電流在零與最大值的設定電流之間運行，從而有效降低電網的沖擊，緩解了對于供電容量的要求，這樣就能夠解決上述問題，減輕相關的啟動機械轉矩對電動機的機械損傷，節能設備維護費用，以及延長設備的使用壽命。

2.2 控制方便

對于軸流冷卻風機經變頻器來說，通過硬接線和通訊方式與電廠DCS相連，并且一般都在（20%～110%）額定轉速運行，另外，DCS系統還應該包括直接空冷系統的調節與控制內容。對于直接空冷的控制系統來說，應該滿足相關汽輪機的各種工況要求，力求做到控制靈活和操作簡單，主要包括有以下幾個方面的內容：

第一，模擬量控制包括：汽輪機背壓控制、冷凝汽器熱井（凝結水箱）水位控制、空冷凝汽器出口凝結水量控制。其中，對于空背壓控制來說，主要采用變頻器可以實現風機轉速的無級調整；

第二，對于DCS中實現的直接空冷系統來說，可以就是一個順控功能組，從而完成相關的空冷系統的啟動、停止、低負荷運行以及防凍保護等運行過程。

3 空冷凝汽器系統變頻器的技術要求

這里考慮到不同于普通風機的特點，對于空冷系統冷卻風機的變頻調速裝置具有以下幾個方面的主要的相關技術要求。

第一，頻率范圍在旋轉速度的0%～110%之內，是指具有良好的變頻調速裝置的調節性能，這樣才能對于不同的負荷變化情況下進行調節。還能滿足相關的、電纜及濾波器，還有電機、齒輪箱、電纜的相關功率損失，以及滿足風機驅動系統的運行等等，同時還應該具有一定的短時過載能力；

第二，柜裝方式為常用的安裝方式，這是因為要考慮到元件發熱的原因，合理進行相關安裝設置，比如，設置散熱空間距離及風冷通道，還應該合理進行相關的排氣扇等機械通風裝置的安裝；

第三，保護功能及設備對于變頻調速裝置必不可少，主要包括電動機過壓/低壓、電動機失速，整流器，逆變器過流、進線電源失壓、控制器外殼超溫、電動機過負荷、電源缺相等等；

第四，電廠機組分散控制系統DCS，或者其他一些控制系統的指令對于變頻調速裝置也應該起到十分重要作用，利用這些主要狀態信號和故障報警信號，來進行相關的控制通信操作；可以利用相關的機組分散控制系統DCS及廠用通信管理系統的通訊接口，在一定的通訊協議下進行操作；

第五，減少運行噪聲則是變頻調速裝置另一要求，同時盡可能減少電磁干擾（變頻調速裝置產生）對電力系統的影響。滿足相關對于諧波的規定，以及盡可能降低變頻調速裝置應考慮將對電網諧波影響；

第六，所有保護設備及控制設備對于變頻調速裝置來說也較為重要，包括內置濾波器；隔離變壓器；內置的浪涌保護裝置（MOV）；EMI，RFI保護及防雷脈沖保護裝置、輸入、輸出電抗器等等。其中的環境要求比較苛刻，所以應該合理設定工作環境，為電廠長期穩定發展提供有力支持；

第七，利用相關的數字微處理器控制器，可以實現遠程監控方式。通過變頻器上的觸摸式鍵盤和LCD/LED顯示，遠程實現就地人工啟動、停止變頻器等操作，還能實現調整轉速、頻率的功能等等；

第八，故障自診斷功能則是另外一個特點，即能夠對于指示、能在就地顯示并遠方報警相關產生的故障。

4 結論

綜上所述，在火力發電廠直接空冷系統中采用變頻器對該系統軸流冷卻風機群的電機進行調控，具有節約能源；改善風機和電動機的運行特性、延長設備使用壽命、降低機組維護費用；控制靈活簡捷的優越性。合理而正確的選擇變頻器，使軸流冷卻風機能滿足系統的各種運行工況，是保證火力發電廠直接空冷系統長期可靠穩定運行的重要條件。

[1]戎毅仁.錫林郭勒盟正鑲藍旗電廠空冷系統的比較與選擇[J].內蒙古科技與經濟，2010(3).

[2]石誠，王智.某電廠空冷系統的優選分析[J].電力建設，2008，29(8).