變頻器在火力發(fā)電廠直接空冷系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、變頻器在火力發(fā)電廠直接空冷系統(tǒng)中的應(yīng)用周爽西北電力設(shè)計院摘要：介紹了目前火力發(fā)電廠直接空冷系統(tǒng)的現(xiàn)狀，變頻器應(yīng)用的可行性和必要性及變頻器選擇的常規(guī)要求。關(guān)鍵詞：直接空冷 冷卻風(fēng)機 變頻器Application of Frequency Transformers in Direct Air Cooled Condenser System of Thermal Power PlantZhou ShuangAbstract: This paper introduces the actuality of Direct Air Cooled Condenser System in thermal pow

2、er plant, feasibility and necessity of the application of Frequency Transformer. It provides routine requisitions for selection of Frequency Transformer.Keywords: direct air cooled cooling fan frequency transformer1 引言隨著我國西部大開發(fā)的開展，我國北部地區(qū)山西、陜西、寧夏、內(nèi)蒙古四省區(qū)的電力工業(yè)得到迅猛發(fā)展。這些地區(qū)的特點是煤炭資源豐富、水資源匱乏，直接空冷系統(tǒng)因其節(jié)水效果顯著、

3、可調(diào)效果好、技術(shù)日趨成熟而成為這些地區(qū)利用豐富的煤炭資源和有限的水資源發(fā)展火電的首選方案之一。因此在我國山西、陜西、寧夏、內(nèi)蒙古等產(chǎn)煤區(qū)新建的300 MW及以上機組的電廠多采用了空冷技術(shù)?？绽湎到y(tǒng)是指汽輪機的排汽或凝結(jié)排汽的冷卻水被送入由翅片管束組成的冷卻器管內(nèi)，由橫掠翅片管外側(cè)的空氣進(jìn)行凝結(jié)或冷卻的整個過程。冷卻器管內(nèi)流體不與空氣直接接觸，而濕式冷卻的塔內(nèi)空氣直接與冷卻水接觸并靠蒸發(fā)和對流冷卻，故空冷系統(tǒng)可節(jié)省濕式冷卻系統(tǒng)的蒸發(fā)、風(fēng)吹和排污損失的水量，達(dá)到節(jié)約水資源的目的?？绽湎到y(tǒng)分為直接空冷系統(tǒng)和間接空冷系統(tǒng)。直接空冷系統(tǒng)根據(jù)通風(fēng)方式分為機械通風(fēng)和自然通風(fēng)。間接空冷系統(tǒng)根據(jù)配用的凝汽器分為

4、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(tǒng)具有冷卻效率高、占地面積小、投資較省、系統(tǒng)調(diào)節(jié)靈活、冬季運行防凍性能好等特點，目前國內(nèi)正在進(jìn)行的空冷電廠大多采用機械通風(fēng)直接空冷系統(tǒng)。2 直接空冷系統(tǒng)簡要原理及冷卻風(fēng)機配置概述直接空冷是指汽輪機的排汽直接用空氣來冷凝，空氣與蒸汽間進(jìn)行熱交換。所需的冷卻空氣由機械通風(fēng)方式供應(yīng)，即機械通風(fēng)直接空冷系統(tǒng)。該系統(tǒng)以布置在主廠房外的空氣冷卻凝汽器（air cooled condenser 簡稱ACC）代替常規(guī)機組布置在汽輪機下方的常規(guī)水冷卻凝汽器，汽輪機的排汽直接用空氣冷凝，空氣與蒸汽間進(jìn)行熱交換。凝汽器由許多翅片管組成，汽輪機排汽通過排氣管道送至室

5、外的空氣冷卻凝汽器內(nèi)，軸流冷卻風(fēng)機使空氣流過凝汽器翅片管束的外表面，將排汽冷凝成水，凝結(jié)水靠重力自流匯集于布置在下方的凝水箱內(nèi)，由凝結(jié)水泵送回汽輪機的回?zé)嵯到y(tǒng)。機械通風(fēng)直接空冷系統(tǒng)的熱力系統(tǒng)簡圖見圖1。圖1機械通風(fēng)直接空冷系統(tǒng)的熱力系統(tǒng)簡圖空冷凝汽器系統(tǒng)（簡稱ACC）由若干臺空冷凝汽器構(gòu)成，每臺空冷凝汽器配置一臺軸流風(fēng)機，安裝在汽機房A排外高度為2045 m的空冷平臺上。表1為國內(nèi)某電廠單臺300 MW/600 MW直接空冷機組軸流冷卻風(fēng)機、電機配置情況：表1 機械通風(fēng)直接空冷機組風(fēng)機、電機配置例表參數(shù)單臺300 MW機組單臺600 MW機組風(fēng)機單元/個68每單元風(fēng)機/臺（順流/逆流）3/16

6、/1風(fēng)機（順流/逆流）/臺18/640/16風(fēng)機直徑/m9.759.75風(fēng)機轉(zhuǎn)速/r·min-19881000電動機額定功率/ kW（順流凝汽器）110110電動機額定功率/kW（逆流凝汽器）110110電動機功率因數(shù)（cos）0.870.85電動機效率/94.895軸流冷卻風(fēng)機在一個水平平面內(nèi)布置，形成龐大的軸流冷卻風(fēng)機群。風(fēng)機電機通常均為變頻控制，變頻調(diào)速裝置通過硬接線和通訊方式與電廠DCS相連，DCS根據(jù)不同的蒸汽負(fù)荷和環(huán)境溫度控制風(fēng)機啟停及轉(zhuǎn)速，使汽輪機的排汽壓力保持恒定。3變頻器在空冷凝汽器系統(tǒng)中的應(yīng)用風(fēng)機電機采用變頻控制，原因主要有以下幾點：節(jié)能；軟啟動；控制方便變頻節(jié)能

7、。對風(fēng)機的部分指標(biāo)進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)以適應(yīng)工藝要求和運行工況，以往最常用的控制手段是調(diào)節(jié)風(fēng)門、擋板開度的大小等來調(diào)整受控對象。這樣，不論生產(chǎn)的需求大小，風(fēng)機均全速運轉(zhuǎn)，而運行工況的變化則使得能量以風(fēng)門、擋板等的節(jié)流損失消耗。在生產(chǎn)過程中，不僅控制精度受到限制，而且還造成大量能源浪費和設(shè)備損耗。從而導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加，設(shè)備使用壽命縮短，設(shè)備維護、維修費用高居不下。 對于直接空冷系統(tǒng)龐大的軸流冷卻風(fēng)機群而言，繼續(xù)采用傳統(tǒng)的方法調(diào)控顯然是不可行的。由流體力學(xué)可知，P（功率）=Q（流量）×H（壓力），流量Q與電機轉(zhuǎn)速n一次方成正比，即Qn；水壓H與電機轉(zhuǎn)速n二次方成正比，即Pn²

8、;。功率P與電機轉(zhuǎn)速n三次方成正比，即Pn³。如果效率一定，當(dāng)要求調(diào)節(jié)流量下降時，轉(zhuǎn)速n可成比例的下降，則軸輸出功率P成立方關(guān)系下降，即電機的耗電功率與轉(zhuǎn)速近似成立方比的關(guān)系。降低風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，可以使流量成正比的減少；壓力成平方關(guān)系減少；軸功率成立方關(guān)系降低，因而節(jié)電效果顯著。風(fēng)機轉(zhuǎn)速與流量、壓力和軸功率的關(guān)系見表2。表2 風(fēng)機轉(zhuǎn)速與流量、壓力和軸功率的關(guān)系表轉(zhuǎn)速()流量()壓力()軸功率()節(jié)電率()備注1001001001000在實際運行中，由于轉(zhuǎn)速下降會引起其風(fēng)機系統(tǒng)效率下降，加上調(diào)整裝置效率影響，實際節(jié)電率小于表中所列數(shù)值。90908172.917.180806451.248.

9、870704934.465.760603621.678.450502512.587.5設(shè)節(jié)電率在15%25%左右，以110 kW電機為例，年節(jié)約電費估算見表3。其中，用電度數(shù)計算公式：380V（電壓）×200A（電流）×0.87(功率因數(shù)) ×24(小時)×1.732×330(年工作天數(shù))=906 997（kW·h）；電費按每kW·h 0.40元計算：906 997×0.40=362 798元。表3 110 kW電機年節(jié)約電費估算表改造前按節(jié)電15%算按節(jié)電20%算按節(jié)電25%算用電度數(shù)/年（k·Wh）9

10、06 997770 947725 598680 248電費/年（元）362 798308 378290 238272 099節(jié)省電費/年（元）54 42072 56090 699因此，根據(jù)空冷機組運行不同的蒸汽負(fù)荷及環(huán)境溫度，通過變頻器調(diào)節(jié)空冷軸流冷卻風(fēng)機轉(zhuǎn)速、控制起停在節(jié)能方面的效益是顯而易見的。1）軟啟動。風(fēng)機類設(shè)備多數(shù)采用異步電動機直接啟動或Y/D啟動的方式運行，存在啟動電流大、機械沖擊、電氣保護特性差等缺點。不僅影響設(shè)備使用壽命，而且當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)機械故障時不能瞬間動作保護設(shè)備，會出現(xiàn)風(fēng)機損壞、電機被燒毀的現(xiàn)象。對于空冷系統(tǒng)的軸流冷卻風(fēng)機群的成組啟動，直接啟動產(chǎn)生的啟動電流約為（7）倍額定

11、電流，會對電網(wǎng)容量要求過高、且對供電電網(wǎng)及其機電設(shè)備造成嚴(yán)重沖擊，這些都是值得關(guān)注的問題。根據(jù)電動機的特性可知電動機的調(diào)速原理；異步電動機輸出軸轉(zhuǎn)速（簡稱電機轉(zhuǎn)速）為 n=(1-s)×60×f/p（r/min）式中：n為電動機同步轉(zhuǎn)速；f為電動機定子供電頻率；p為電動機極對數(shù)；s=(n0-n)/n0；s為轉(zhuǎn)差率；顯然，改變公式中的參數(shù)f，p和s，即可改變電機的轉(zhuǎn)速。變頻調(diào)速就是通過均勻地改變定子供電頻率f，平滑地改變電動機的轉(zhuǎn)速，并且在調(diào)速過程中，從高速到低速均能保持有限的轉(zhuǎn)差率，因而具有高效率、寬范圍和高精度的調(diào)速性能，以及足夠強度的機械特性。變頻調(diào)速在改變輸出頻率的同時

12、也改變了電壓，也就是改變了電機運行曲線上的n0，使電機運行曲線平行下移；電動機可在很低的頻率和電壓下啟動，逐漸提高供電頻率和電壓，使之以較小的啟動電流、最大轉(zhuǎn)矩（電機啟動轉(zhuǎn)矩可達(dá)到其最大轉(zhuǎn)矩，即變頻器可用于啟動重載負(fù)荷）無沖擊啟動。顯然，變頻調(diào)速在調(diào)速控制的同時實現(xiàn)了電動機“軟啟動”功能。利用變頻調(diào)速的這種“軟啟動”功能將使電動機啟動電流從零開始、最大值不超過設(shè)定電流（如額定電流），降低了對電網(wǎng)的沖擊和對供電容量的要求，減輕了啟動機械轉(zhuǎn)矩對電動機的機械損傷，延長了設(shè)備的使用壽命，節(jié)省了設(shè)備的維護費用。另外，風(fēng)機經(jīng)常在需要的低轉(zhuǎn)速下運行，噪聲和磨損都比額定轉(zhuǎn)速低，有利于環(huán)境保護、降低維修費用并延

13、長了空冷器的壽命。2）控制方便。軸流冷卻風(fēng)機經(jīng)變頻器控制可以在（20110）額定轉(zhuǎn)速運行，變頻調(diào)速裝置通過硬接線和通訊方式與電廠DCS相連，直接空冷系統(tǒng)的調(diào)節(jié)與控制納入DCS系統(tǒng)，在各種工況下滿足汽輪機需要的運行條件，操作簡便、控制靈活。直接空冷的控制系統(tǒng)主要包括下列內(nèi)容。模擬量控制包括：汽輪機背壓控制、空冷凝汽器出口凝結(jié)水量控制、空冷凝汽器熱井（凝結(jié)水箱）水位控制。背壓控制采用變頻器可以實現(xiàn)風(fēng)機轉(zhuǎn)速的無級調(diào)整。直接空冷系統(tǒng)作為一個順控功能組在DCS中實現(xiàn)，完成空冷系統(tǒng)的啟動、停止、低負(fù)荷運行以及防凍保護等運行過程。4空冷凝汽器系統(tǒng)變頻器的技術(shù)要求空冷系統(tǒng)冷卻風(fēng)機不同于普通的風(fēng)機，對變頻器（即

14、變頻調(diào)速裝置）有較高的要求，其技術(shù)要求通常應(yīng)包括以下內(nèi)容。1）變頻調(diào)速裝置應(yīng)具有良好的調(diào)節(jié)性能，頻率范圍在旋轉(zhuǎn)速度的0110%之內(nèi)，能根據(jù)負(fù)荷的變化及時有效地實現(xiàn)調(diào)節(jié)，滿足風(fēng)機驅(qū)動系統(tǒng)的運行和由電機、齒輪箱、電纜及濾波器導(dǎo)致的功率損失考慮在內(nèi)，并具有一定的短時過載能力。2）變頻調(diào)速裝置通常采用柜裝方式，其布置應(yīng)充分考慮元件發(fā)熱因素，設(shè)置散熱空間距離及風(fēng)冷通道，相應(yīng)裝設(shè)排氣扇等機械通風(fēng)裝置。3）系統(tǒng)電源的瞬間閃變不應(yīng)導(dǎo)致變頻調(diào)速裝置的停機；額定運行工況下，使用變頻調(diào)速裝置后電動機不降出力。4）變頻調(diào)速裝置應(yīng)能接受電廠機組分散控制系統(tǒng)DCS或其它控制系統(tǒng)的控制指令，并反饋變頻裝置的主要狀態(tài)信號和故

15、障報警信號；變頻調(diào)速裝置應(yīng)具有與機組分散控制系統(tǒng)DCS及廠用通信管理系統(tǒng)的通訊接口，支持約定的通訊協(xié)議。5）變頻調(diào)速裝置應(yīng)采取措施減少運行噪聲，抑制變頻調(diào)速裝置發(fā)出的電磁干擾對電力系統(tǒng)的影響。變頻調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波應(yīng)滿足“GB/T 14549電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波” 及“IEEE519”標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。變頻調(diào)速裝置應(yīng)考慮將對電網(wǎng)諧波影響減至最小的措施，并應(yīng)保證對本體控制系統(tǒng)就地控制柜無諧波影響。6）變頻調(diào)速裝置至少能提供以下保護功能及設(shè)備：進(jìn)線電源失壓、整流器/逆變器過流、電動機過流、電動機過壓/低壓、電動機失速/堵轉(zhuǎn)、接地故障、控制器外殼超溫、電動機過負(fù)荷、電源缺相等。7）變頻調(diào)速裝置應(yīng)具有故障自

16、診斷功能，能對所發(fā)生的故障類型及故障位置提供指示、能在就地顯示并遠(yuǎn)方報警。8）變頻調(diào)速裝置控制系統(tǒng)應(yīng)采用數(shù)字微處理器控制器，具有就地/遠(yuǎn)方監(jiān)控方式。在就地監(jiān)控方式下，通過變頻器上的觸摸式鍵盤和LCD/LED顯示，可進(jìn)行就地人工啟動、停止變頻器，可以調(diào)整轉(zhuǎn)速、頻率；并且應(yīng)提供一套易于使用的分析測試程序，用于故障分析。9）變頻調(diào)速裝置就地能顯示以下信號：電源打開、風(fēng)機運行、風(fēng)機停止、風(fēng)機故障（熱磁保護）、風(fēng)機組不可用、總故障等；就地操作裝置包括：遠(yuǎn)方/就地選擇開關(guān)、風(fēng)機運行按鈕（或按鍵）、風(fēng)機停止按鈕（或按鍵）、狀態(tài)確認(rèn)按鈕（或按鍵）、報警確認(rèn)按鈕（或按鍵）等。10）變頻調(diào)速裝置至電動機之間聯(lián)絡(luò)電纜應(yīng)考慮抑制電磁波的輻射和傳導(dǎo)以及諧波影響，通常采用屏蔽電纜；變頻調(diào)速裝置至電動機之間電纜大于150 m時變頻調(diào)速裝置應(yīng)采取抑制諧波的措施（如內(nèi)置輸出電抗器等）。11）變頻調(diào)速裝置應(yīng)配有所有保護設(shè)備及控制設(shè)備，包括內(nèi)置濾波器；隔離變壓器；內(nèi)置的浪