大型火電廠鍋爐空預(yù)器運(yùn)行方式及其優(yōu)化改造

林晶儒，何旭東

大型火電廠鍋爐空預(yù)器運(yùn)行方式及其優(yōu)化改造

林晶儒，何旭東

（華能玉環(huán)電廠，浙江玉環(huán)，317604）

空預(yù)器是火力發(fā)電機(jī)組的重要輔機(jī)，空預(yù)器變頻啟動工頻運(yùn)行的方式可提高鍋爐整體的安全穩(wěn)定水平。探討了空預(yù)器改造設(shè)計時的注意事項(xiàng)，對空預(yù)器運(yùn)行方式從五個方面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。改造后，運(yùn)行可靠性大大增加，滿足了電網(wǎng)對輔機(jī)低電壓穿越能力的要求，節(jié)約了大量技改經(jīng)費(fèi)。

空預(yù)器；工頻運(yùn)行；變頻器

引言

變頻器在輔機(jī)軟啟動、變頻調(diào)速、優(yōu)化設(shè)計、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等方面具備明顯優(yōu)勢[1]，所以近年發(fā)電企業(yè)和設(shè)計單位在眾多火電輔機(jī)的設(shè)計上越來越傾向于采取變頻器技術(shù)。

但是，多數(shù)輔機(jī)，尤其是空預(yù)器等一類輔機(jī)變頻器，其低電壓穿越能力不足，在電網(wǎng)電壓波動導(dǎo)致廠用電降低時，變頻器報告故障，退出運(yùn)行，從而造成輔機(jī)停運(yùn)。另按照相關(guān)規(guī)范[2]要求，在變頻器供電電壓分別變化至額定電壓的20%且持續(xù)0.5秒、60%且持續(xù)5秒、80%～110%且長期持續(xù)和130%且持續(xù)0.5秒等情況下，一類輔機(jī)都應(yīng)保持在線運(yùn)行。

本文將按照相關(guān)技術(shù)規(guī)范，對空預(yù)器變頻啟動工頻運(yùn)行方式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計和思路探討。

1　空預(yù)器傳動方式

某電廠總裝機(jī)容量為4×1 000 MW發(fā)電機(jī)組，每臺機(jī)組配備A/B側(cè)空預(yù)器，每側(cè)空預(yù)器配備主、輔電機(jī)，相互之間互為備用，電機(jī)受各自的變頻器驅(qū)動，變頻啟動后由變頻器保持在工頻頻率下運(yùn)行。在此種運(yùn)行方式下，一旦電網(wǎng)電壓波動或變頻器內(nèi)部故障，都將影響到空預(yù)器的正常運(yùn)行，進(jìn)而影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。由于空預(yù)器變頻器正常運(yùn)行頻率為50 Hz，具備工頻運(yùn)行的條件，故通過對空預(yù)器變頻器進(jìn)行變頻啟動工頻運(yùn)行的改造，可使空預(yù)器不受變頻器故障等因素的影響，極大提高其低電壓穿越的能力，同時也能夠具備相應(yīng)的保護(hù)功能，進(jìn)而保證空預(yù)器的長周期安全穩(wěn)定運(yùn)行。

空預(yù)器傳動方式是有特點(diǎn)的，主要有圍帶傳動和中心傳動。圍帶傳動的空預(yù)器具有較大的安全裕量，馬達(dá)安裝于空預(yù)器側(cè)面，檢修方便，減速箱減速比較小，避免了使用效率較低的渦輪傳動，但會造成漏風(fēng)量的增加。中心傳動的空預(yù)器設(shè)計簡單，布置方便，省去了空預(yù)器周邊圍帶銷柱的費(fèi)用，因其驅(qū)動力臂較小，對空預(yù)器軸、徑向密封的阻力較為敏感，容易發(fā)生卡阻現(xiàn)象，造成馬達(dá)電流超限，故變頻器驅(qū)動下必須設(shè)置相應(yīng)的制動電阻[3]。

2　變頻啟動工頻運(yùn)行改造設(shè)計關(guān)鍵

隨著火電機(jī)組容量的不斷提高，空預(yù)器的轉(zhuǎn)動慣量也隨著換熱量的提高而成倍增加，因此必須考慮合適的軟啟動方法。圍帶傳動和中心傳動的空預(yù)器因其啟動負(fù)荷較大，如若直接啟動，會對設(shè)備造成較大的沖擊，導(dǎo)致啟動失敗，甚至損壞設(shè)備。因此在對空預(yù)器變頻控制柜進(jìn)行變頻啟動工頻運(yùn)行改造設(shè)計時，必須要注意三個關(guān)鍵點(diǎn)。

2.1變頻回路與工頻回路之間的閉鎖

進(jìn)行變頻啟動工頻運(yùn)行方式的改造必然要在原有的變頻器主回路中增設(shè)接觸器，如圖1所示，即在工頻主回路中增加接觸器1KM1，在變頻主回路中增加接觸器1KM2，如果變頻回路主接觸器1KM2和工頻回路主接觸器1KM1在通電的情況下同時吸合，會造成上級電源空開跳閘，因?yàn)樽冾l器出口（1KM2）電源由于經(jīng)過了整流及逆變可以視為一個獨(dú)立的電源，一旦與原先的動力電源短接即視同短路。為避免此種情況的發(fā)生，控制柜內(nèi)的變頻回路與工頻回路不僅要在控制回路中增加邏輯閉鎖，還應(yīng)增加機(jī)械閉鎖，確保兩個接觸器不會同時處于吸合狀態(tài)。

圖1　改造后空預(yù)器變頻器控制回路圖

2.2變頻器頻率達(dá)到后切換至工頻運(yùn)行的延時時間

在電機(jī)頻率達(dá)到50 Hz后，變頻器“頻率達(dá)到點(diǎn)”觸發(fā)，如果此時斷開變頻回路接觸器（1KM2），若同時吸合工頻回路接觸器（1KM1），上級電源開關(guān)將因沖擊電流過大而跳閘。因?yàn)樵跀嚯娝查g，定子線圈會因轉(zhuǎn)子回路中的剩磁感應(yīng)，出現(xiàn)三相電壓，如果此時投入工頻電壓，將造成兩路交流電源短路，產(chǎn)生非常大的沖擊電流。為了消除沖擊電流，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)切換，可以等轉(zhuǎn)子回路中的剩磁衰減后再吸合工頻回路接觸器（1KM1）。切換時間可設(shè)置為1至3秒，當(dāng)然延時的增加也會造成電機(jī)轉(zhuǎn)速的下降，轉(zhuǎn)差率會造成合閘瞬間的電流成倍增加。鑒于此，應(yīng)在改造過程中根據(jù)空預(yù)器電機(jī)容量、轉(zhuǎn)速、力矩等因素，結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試。

另外一種方法：可以增加變頻—工頻同步切換控制器來實(shí)現(xiàn)無擾切換。該方法需增加同步切換裝置，通過數(shù)字運(yùn)算進(jìn)行鎖相和控制。切換過程如下：變頻器頻率到達(dá)后，系統(tǒng)進(jìn)入鎖相階段；鎖相控制程序根據(jù)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算并產(chǎn)生相應(yīng)的控制量，經(jīng)U/I轉(zhuǎn)換成電流信號后發(fā)送給變頻器，以調(diào)節(jié)其輸出頻率，從而達(dá)到調(diào)整相位的目的；當(dāng)變頻器輸出電壓相位和工頻電壓相位一致，滿足切換條件時，發(fā)出指令控制1KM1和1KM2動作，完成由變頻電源向工頻電源的切換[4]。

2.3主輔電機(jī)接觸器之間的硬接線閉鎖

由于空預(yù)器主輔電機(jī)之間通過離合器擬合，主輔電機(jī)如果同時啟動，可能會造成空預(yù)器齒輪箱損壞，故應(yīng)確保空預(yù)器主輔電機(jī)的“雙重閉鎖”。在PLC邏輯上進(jìn)行閉鎖的同時，還應(yīng)在控制回路的硬接線中增加閉鎖回路。將輔電機(jī)的變頻接觸器（2KM2）和工頻接觸器（2KM1）的常閉輔助接點(diǎn)串聯(lián)至主電機(jī)的變頻接觸器（1KM2）和工頻接觸器（1KM1）的啟停回路中，即有效保證了主輔電機(jī)之間的互相閉鎖。

3　優(yōu)化設(shè)計

從五個方面對空預(yù)器變頻啟動工頻運(yùn)行方式進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計：

（1）采用獨(dú)立的控制電源

考慮到用電受到外部電網(wǎng)及關(guān)聯(lián)設(shè)備故障等因素的影響，會造成控制回路中繼電器的誤動，對于重要輔機(jī)，應(yīng)采用獨(dú)立且穩(wěn)定的控制電源（如直流或UPS）。

（2）工頻回路電機(jī)的保護(hù)功能

由于變頻器本身具備相應(yīng)的保護(hù)功能，在原先的設(shè)計中，一般上級電源開關(guān)未設(shè)置相關(guān)保護(hù)裝置，故在對現(xiàn)有傳動系統(tǒng)進(jìn)行改造時，應(yīng)充分考慮電機(jī)的保護(hù)功能。電機(jī)保護(hù)主要為過載和速斷，分別由熱偶和空開實(shí)現(xiàn)，工頻回路中的熱偶和空開選型應(yīng)根據(jù)電機(jī)容量大小來進(jìn)行設(shè)置。

（3）雙電源監(jiān)視

如果上級開關(guān)被誤分閘，工頻回路接觸器KM1將仍在吸合狀態(tài)，DCS系統(tǒng)將誤認(rèn)為電機(jī)仍在運(yùn)行，不會進(jìn)行主輔切換。

為了滿足《大型汽輪發(fā)電機(jī)組一類輔機(jī)變頻器高、低電壓穿越技術(shù)規(guī)范（征求意見稿）》的相關(guān)要求，電源監(jiān)視繼電器可設(shè)定在55% pu以下動作，PLC延時1秒停運(yùn)電機(jī)，55% pu以上不動作。

同時，為了增加運(yùn)行可靠性，防止因電源監(jiān)視繼電器故障而造成輔機(jī)停運(yùn)，應(yīng)設(shè)置雙監(jiān)視模塊。兩電源監(jiān)視器分設(shè)兩副反饋接點(diǎn)，一對并聯(lián)（兩電源監(jiān)視同時動作）觸發(fā)跳閘，一對串聯(lián)（單個電源監(jiān)視動作）只發(fā)報警。

（4）連鎖驅(qū)動試驗(yàn)端子

上文中提到主輔電機(jī)之間設(shè)置硬接線閉鎖。然而，當(dāng)主電機(jī)接觸器或其他相關(guān)設(shè)備出現(xiàn)故障需要進(jìn)行更換時，應(yīng)保證輔電機(jī)正常運(yùn)行。此時應(yīng)對主電機(jī)的變頻及工頻接觸器（1KM1/1KM2）輔助接點(diǎn)進(jìn)行旁路。在進(jìn)行控制柜設(shè)計時，可將1KM1/1KM2連鎖驅(qū)動接點(diǎn)設(shè)置成試驗(yàn)端子，以便于日后維護(hù)時隔離旁路。

（5）PLC設(shè)備的保護(hù)

一般PLC工作電壓為24 VDC，一旦380 VAC串入，將導(dǎo)致PLC異常甚至燒毀。故在設(shè)計過程中，可適當(dāng)增加中間繼電器，比如熱偶動作，由熱偶動作中間繼電器來驅(qū)動PLC等[5]。

4　結(jié)束語

空預(yù)器通過變頻啟動工頻運(yùn)行的改造后，運(yùn)行可靠性大大增加，同時也滿足了電網(wǎng)對輔機(jī)低電壓穿越能力的要求，節(jié)約了大量的技改經(jīng)費(fèi)。

[1]楊耕, 馬挺. 淺析通用變頻器的工程技術(shù)要點(diǎn)[J]. 電力電子技術(shù), 2001, 35(02): 59-62.

[2]國網(wǎng)浙江省. 浙江電網(wǎng)發(fā)電廠一類輔機(jī)電壓穿越能力要求——浙電調(diào)字(2015)1號[Z]。

[3]孫景剛, 張輝. 回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器傳動裝置性能分析[J]. 節(jié)能技術(shù), 2002, 20(2): 24-25.

[4]趙躍, 張伊輝, 鄭崗. 回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器變頻-工頻同步切換控制器[J]. 電力自動化設(shè)備, 2006, 26(8): 71-74.

[5]張桂香, 張志軍. PLC的選型與系統(tǒng)配置[J]. 微計算機(jī)信息, 2005, 21(19): 81-82.

林晶儒(1985-)，男，漢族，浙江奉化人，就職于華能玉環(huán)電廠，電氣點(diǎn)檢，工程師，從事火電廠電氣設(shè)備的維護(hù)、檢修、管理等工作。研究方向：電氣工程。

E-mail: linjingru@aliyun.com

Operation Mode and Its Optimization of Large Coal-Fired Power Plant Boiler Air Preheater

LIN Jing-ru, HE Xu-dong
(Huaneng Yuhuan Power Plant, Yuhuan, Zhejiang, 317604, China)

Air preheater is one of the important auxiliary power generating sets. Mode of air preheater conversion frequency starting up and work frequency running can improve the level of security and stability in the boiler. Analysis of optimization of air preheater operation mode is focused on five aspects. After such an operation, the operating reliability is greatly increased, satisfying the requirement of auxiliary device low voltage penetration of power grid, and saving a huge amount of technical transformation funds.

Air Preheater; Work Frequency Running; Inverter

TM761

B

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