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900MW 机组锅炉一次风机变频器改造张益鸣 孙 兵（上海外高桥第二发电有限责任公司 上海 浦东 200137）【摘 要】本文阐述并分析了大机组电厂锅炉一次风机高压变频器的改造和应用。根据设备的实际情况，经过合理设计与配置，使高压变频器在达到降低锅炉风机用电量、减少起动电流、提高功率因数、提高自动化水平的同时，最大程度上保证大机组的安全运行。两台高压大功率变频器在#5 炉一次风机成功投运，开创了国内高压变频器用于百万级超临界机组锅炉风机的先例。【关键词】高压变频 一次风机 PLC/DCS 控制 无扰动切换 保护配置1 引言上海外高桥第二发电有限责任公司是上海和华东地区的大型发电企业，装备两台引进型90万千瓦超临界燃煤发电机组。2004 年，公司两台机组相继投运，年发电量约100 亿度，是上海和华东地区的重要能源基地。根据我公司一次风机的设计规范，要求有50%的风量余量和30%的压头余量。所以对应机组常见的900MW 负荷时，在5 台磨煤机运行的工况下，一次风机的效率在60%以下。如果机组负荷再低，风机效率将会更低。所以，综合来看，一次风机的日常运行区间平均效率应该为55%左右。另外一次风机均采用风门挡板调节方式，风门调节频繁，设备磨损严重，维护率高，且风门挡板调节方式造成较大节流损失，能耗严重，造成极大的浪费。针对此种情况，经过多次考察、反复研究讨论，决定首先对#5 炉进行一次风机的高压变频改造。2 系统概况上海外高桥第二发电有限责任公司每台锅炉配备两台德国原装TLT 公司制造的50%容量单吸、双支承进口挡板调节的离心式风机，型号为1854B/1446，每台机组对称布置两台一次风机。运行中，通过风机进口导叶的开度来维持风机出口的风压在14KPa 左右。每台风机后分为热一次风（流经空气预热器）和冷一次风，再在6 台磨煤机前汇流为冷、热一次风母管。每台磨煤机进口的热风调节挡板控制进入每台磨煤机的风量，冷风调节挡板控制进入磨煤机的风温。单台一次风机参数如下表：全国火电600MW 级机组能效对标及竞赛第十五届年会论文集 锅炉篇249参数 单位 值风量(设计/BMCR) M3/s 131.5/85.5入口风压 Pa 0出口风压 Pa 21457转速 Rpm 1490效率(设计/BMCR) % 87.9/64.5电动机功率 kW 3440风机轴功率 kW 2992生产厂家提供的单台一次风机特性曲线图：#5 炉配备两台一次风机，同时运行，一次风机及其电机的参数如下：设备名称台数电机型号制造厂功率KW额定电压KV额定电流A额定转速rpm风机型号 风量m3/ s转动惯量kgm2出口风压Pa一次风机2HKM-171D04H9D-03MELINEBG344010.25235 1490单吸、双支承进口挡板调节的离心式1854B/1446131.5/85.5 2400 21457变频装置的进线电源来自 10.25 kV 厂用工作段额定电压 (kV) 10kV 10.5kV 其它特殊的电压等级 10.25 KV电压正常变化范围 5% 10% 特殊的变化范围 20额定频率 (Hz) 50Hz频率变化范围(Hz) 50Hz0.5 （随电网）海拔高度 10M全国火电600MW 级机组能效对标及竞赛第十五届年会论文集 锅炉篇2503 一次风机变频改造的可行分析近几年在电力行业中，高压变频技术的发展是日新月异，变频技术朝着大容量、高电压、高可靠性、低造价的方向发展。高压变频技术因为其固有的节能和调节性两大优势，正被越来越多的电厂所应用。一次风机进行变频改造，每台电机加装一台高压变频器，如果风机的转速发生降低，从风机的H_Q 图上可以直观地看出，风机的H_Q 外包络特性曲线发生整体下移，高效率区间同步下移并逐渐收小。一台风机的H：14400pa，Q：76m3/s，工况点将会进入风机的高效率运行区间，从而达到高效节能的目的，如下图所示。（注：一次风机的出口风压和风量没有变化：风量是依靠磨煤机的风门挡板调节跟踪的，风压是依靠一次风机的转速调节跟踪的，风压、风量；外加系统阻力、磨煤机的风门挡板开度均维持不变。）图1在变频改造前的工频运行方式下，降低一次风压虽然也能够减少风机有效功率的需求。但根据风机的特性曲线图，这同时也进一步降低了一次风机的运行效率。两者相抵，总的节能效果并不明显。但在变频运行方式下，通过调节转速，使风机的高效运行区间发生移动，能够既维持风机的高效性，又降低风机有效功率的需求。所以，变频调节后，降低风压，节能效果更加明显。对一次风机进行变频改造，每台电机加装一台高压变频器。4 一次风机变频改造的方案一次风机变频改造工作主要是对两台一次风机进行加装高压变频装置，对相应的继电保护和控制回路作相应的改造，对响应的DCS 控制逻辑进行修改，将由变频控制作为风压的调节手段，正常运行时，调节档板全开，风压依靠调节电机的转速来实现。变频调速系统采用高-高型电路，输入侧直接接于10KV 电压等级的发电厂厂用电源系统，输出全国火电600MW 级机组能效对标及竞赛第十五届年会论文集 锅炉篇251直接连接10KV 异步电动机。变频器有二种工作状态：变频运行状态和工频运行状态。正常运行是采用变频运行方式，如变频器异常可采用工频方式运行。一次风机调速系统组成如图2 所示：图2图中变频器旁路开关QF3 为原有10kV 真空开关，M 为一次风机电动机。变频器、变频器出线开关QF2 及变频器进线开关QF1 为本次改造范围。一次风机电气一次回路由3 个10kV 真空开关QF1、QF2、QF3 组成，QF3 与QF2 不能同时闭合，在电气回路上实现互锁。变频运行时，QF1 和QF2 闭合，QF3 断开；工频旁路运行时，QF3 闭合，QF1 和QF2 断开。考虑到锅炉一次风压的稳定直接影响机组的安全运行，因此必然涉及到变频运行方式和工频运行方式之间的互为切换。切换有二种方式，一种是有准备的切换（手动切换），另一种是无准备的切换（故障自动切换）。4.1 变频器的切换功能：变频器应有手、自动选择方式：在手动方式（有准备切换）：变频器可实现工频旁路与变频回路之间互为切换。在正常工况下一次风机电动机由变频器提供变频工作电源，变频器出现异常而未跳闸时，一次风机电动机电源开关可实现手动切换到工频旁路，即先手动将变频器输出频率升至50Hz，再手动断开QF1、QF2 开关，然后旁路开关QF3 自动延时闭合，由QF3 为一次风机电动机提供工频电源。热控DCS 根据运行工况自动调节一次风机挡板开度。工频旁路切变频时，QF3 在合闸状态。使变频器带电同期检测，满足逻辑条件后发出先断开QF3开关，延时再同时合上QF1、QF2 开关，一次风机电动机实现从工频旁路手动切换到变频回路的运行状态。热控DCS 将一次风机挡板开至最大。在自动方式（无准备切换）：变频器若发生变频器内部故障跳闸时，联锁跳开QF1、QF2 开关，再自动延时闭合QF3 开关，一次风机电动机实现自动切换到工频旁路，要求无干扰切换。变频器与旁路开关的切换逻辑与判断，单独在变频器控制柜柜内实现（PLC）。在整个变频器和旁路开关系统，DCS 仅给与总的切换DO 信号指令。而整个变频器和旁路开关系统，还需要返回给DCS相应的系统状态信号。整个切换逻辑，还需要考虑到旁路开关运行，而变频器处于检修的工况。4.2 变频器的保护配置全国火电600MW 级机组能效对标及竞赛第十五届年会论文集 锅炉篇252对于高压电动机的保护配置，由于一次风机的电动机容量为3440KW，原来工频电机运行时配有过流保护和差动保护。变频改造后，对使用变频器的电动机，由于变频器的输入/输出电流在频率和相位上没有必然的联系，所以对于使用变频器的电动机来说，不应将变频器纳入差动保护范围。我们对一次风机的保护分二种情况考虑,在变频方式下,变频器的电源侧采用过流保护,对变频器输出部分的保护利用变频器本身的保护来配置。在工频方式下,还是跟原来的配置一样,配有差动保护和过流保护。在变频和工频互切时，我们利用的工频开关的付接点，进行闭锁差动保护，实现变切工后差动保护马上自动投入，工切变后差动保护马上自动退出的功能。4.3 变频调速系统接入现有DCS 系统DCS 根据机组负荷情况，按设定程序实现对机组一次风机电动机转速自动控制。变频器需要提供的开关量输出6 路，分别为：变频器待机状态指示，表示变频器已待命，具备启动条件；变频器运行状态指示，表示变频器正在运行；变频器控制状态指示，节点闭合表示变频器控制权为现场远程控制，节点断开表示变频器控制权为本地变频器控制；变频器轻故障指示，表示变频器产生报警信号；变频器重故障指示，表示变频器发生重故障，立即关断输出切断高压；电机在工频旁路，表示电动机处于工频旁路状态。变频器需要提供的模拟量4 路：变频器输出转速 （频率）、电机电流、输出电压、变频器功率单元柜内温度、变频器的出风温度。变频器的模拟量输入有1 路：为变频器转速给定值，420mADC对应转速低高限，须呈线性关系。变频器与高压开关柜的有2 路信号，高压紧急分断：变频器出现重故障时，自动分断高压开关。高压合闸允许条件，变频器自检通过或系统处于工频状态，具备上高压条件，闭点有效。高压开关柜给变频器的状态，高压开关处于分断时，辅助节点闭合。4.4 变频器的冷却方式由于变频器对环境温度的要求很高，一次风机变频器冷却采用空水冷的闭式冷却方式。利用机组的闭冷水系统，在闭冷水温度33时，变频器在满出力的工况下冷却后变频器柜内温度与环境温度比较必须保证不超过40K。在变频器室冷却器中设有风冷旁路，在水冷方式故障情况下或高温季节，可通过风冷保证变频器正常运行。由于变压器正常运行的温度就明显高于功率柜温度，因此独立配置变压器柜和功率柜的热交换器，提高设备利用率。变频器室采用密闭环境设计。避免夏季室外温度高带来的加热效应，完全依靠空水冷装置进行环境散热。为确保高温时闭冷水的温度过高影响变频器的冷却，我们另外加装了二个大功率的空调作为后备使用。一旦室内温度高于25 度，开启空调作为补充冷却。5 运行方式的介绍5.1 高压变频调速装置的构成：一次风机配置的高压变频调速装置包括控制柜一面、单元柜三面、变压器柜一面和变频输出柜一面，它们和电动机、一次风机及后台控制系统构成一套完整调速系统。采用一拖一自动旁路方案全国火电600MW 级机组能效对标及竞赛第十五届年会论文集 锅炉篇253高压变频器，配专用隔离变压器、专用系统旁路切换柜。变频器一次回路由2 台高压真空断路器QF1QF2 组成。10kV 电源经隔离刀真空断路器QF1 到高压变频装置，变频装置输出经真空断路器QF2 送至电动机，电动机变频运行；10kV 电源还可经高压真空断路器QF3 直接起动电动机，电动机工频运行。QF2 与QF3 实现电气闭锁，保证任何时候不能同时合闸。5.2 变频启动说明(1)变频系统就绪后，向DCS 发出“变频允许启动”信号；(2)DCS 在接受到“变频允许启动”信号后，发出“运行”指令。变频器在接收到“运行”指令信号后自动对变频器进行充电，变频器经5s 钟充电结束后，变频器自动投入真空断路器QF1 和QF2，变频器开始运行；同时给DCS 反馈一个“变频运行”状态信号，运行频率从0Hz 按照设定的时间升频至给定频率值；从0 到50Hz 的升速时间为45s，30Hz 到50Hz 的升速时间为20s。(3)DCS 可以在变频器启动以前将“频率给定信号”给定到预定值。5.3 变频正常停机说明(1)在变频器正常运行状态下需要停机时，DCS 给变频器发出“停机”指令信号；(2)变频器接收到“停机”信号后，封锁变频器输出，然后断开“变频运行”信号，变频器自动断真空断路器QF1 和QF2。5.4 变频紧急停机说明变频器在正常运行时需要紧急停机，可以由DCS 直接跳10kV QF1 开关，同时发变频器停机指令，由变频器联跳10kV QF1 开关，再联跳QF2，同时闭锁QF3 合闸。变频器控制柜设置“紧急停机”按钮，可就地紧急分断真空断路器QF1 和QF2。5.5 变频故障变切工频(无准备切换)变频正常运行时QF1 和QF2 闭合，QF3 断开，如果变频器出现重故障，向DCS 发重故障信号，同时由变频器完成下面切换：(1)先自动断开QF1 和QF2；(2)延时35s（准确时间需调试时测试，以满足工艺要求为准）；(3)自动合QF3，电机工频运行；5.6 变频器正常运行变切工频(有准备切换)（切换时间尽量缩短）(1)变频器需要实现变切工，由DCS 将频率升到50HZ，待系统稳定后，DCS 发变频器“变频切工频”指令，由变频器完成切换。(2)变频器封锁输出，自动断开QF1、QF2；(3)延时35s（准确时间需调试时测试，以满足工艺要求为准），自动合QF3，电机工频运行；5.7 工频切变频电机工频运行时QF3 闭合， QF1 和QF2 断开。(1)电机工频运行时，变频器接收到“工频切变频”指令；全国火电600MW 级机组能效对标及竞赛第十五届年会论文集 锅炉篇254(2)变频器自动开始充电，同时延时4.7s 断开QF3，在5s 充电结束后，自动合QF1，再合QF2；如果切换失败，向DCS 发切换失败指令；(3)变频器自动检测电机运行相位和频率，在没有电流冲击的情况下，电机投入变频运行，变频器频率直接升至50HZ 后，锁定5s 时间，再接受DCS 给定频率。5.8 系统控制变频装置具有与