火電廠輔機(jī)的變頻改造及控制可靠性
發(fā)布日期：2016-05-03 來(lái)源：《上海設(shè)備管理》
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在火力發(fā)電廠中，泵與風(fēng)機(jī)是主要的耗電設(shè)備，其電耗約占發(fā)電機(jī)組廠用電的75%。大型輔機(jī)大都采用定速泵，效率在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)附近較高，而機(jī)組常常需要在偏離設(shè)計(jì)點(diǎn)的低負(fù)荷段運(yùn)行，效率下降，廠用電率增加，因此輔機(jī)節(jié)能的潛力很大。變頻調(diào)速在較寬的負(fù)荷范圍具有高的調(diào)節(jié)效率，隨著高壓變頻技術(shù)的日漸成熟，大功率變頻器性價(jià)比的逐步提高，已成為泵與風(fēng)機(jī)節(jié)能的重要手段�；痣姀S對(duì)主要輔機(jī)進(jìn)行變頻改造后，可實(shí)現(xiàn)輔機(jī)節(jié)能運(yùn)行，但對(duì)輔機(jī)回路而言，則多了一個(gè)環(huán)節(jié)，增加了一個(gè)可能的故障點(diǎn)。如何提高變頻器及相關(guān)回路的可靠性，使變頻器及相關(guān)回路在出現(xiàn)故障時(shí)對(duì)機(jī)組影響最小，顯得十分重要。
本文結(jié)合多臺(tái)機(jī)組的工程實(shí)踐，針對(duì)不同的輔機(jī)對(duì)象，分析邏輯設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容，介紹了在提高可靠性方面的注意事項(xiàng)，期望能對(duì)電站輔機(jī)的變頻改造起到借鑒作用。
一、輔機(jī)變頻改造的方案比較
火電廠實(shí)施變頻改造的大型風(fēng)機(jī)主要是鍋爐側(cè)的送風(fēng)機(jī)、吸風(fēng)機(jī)、增壓風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)等，大型水泵主要是凝泵、閉式泵等，也包括一些機(jī)組全電泵配置的給水泵。根據(jù)輔機(jī)是否有備用，可以分為兩類，一類是無(wú)備用的輔機(jī)，如雙列布置的鍋爐風(fēng)煙系統(tǒng)的送/吸風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)；另一類是有備用的輔機(jī)，如兩臺(tái)100%容量的凝泵。
對(duì)于無(wú)備用輔機(jī)，在變頻改造時(shí)，變頻器通常是一拖一配置，如兩臺(tái)吸風(fēng)機(jī)分別配置兩臺(tái)變頻器。對(duì)于有備用的輔機(jī)，變頻器方案可以多樣，如兩臺(tái)100%容量的凝泵，可以一拖一配置，兩臺(tái)凝泵分別配置兩臺(tái)變頻器，也可以僅一臺(tái)凝泵改變頻，另一臺(tái)仍工頻，但更多的是采用變頻器一拖二配置，兩臺(tái)凝泵共用一套變頻裝置。
對(duì)于輔機(jī)變頻的不同方案，配套的分散控制系統(tǒng)（DCS）的控制邏輯會(huì)有較大的差異，但基礎(chǔ)功能的控制邏輯是類似的，如需要增加變頻器與DCS的接口信號(hào)，需要增加變頻輔機(jī)有關(guān)的基本操作功能，包括變頻泵或風(fēng)機(jī)的啟/�？刂啤⑥D(zhuǎn)速控制和操作顯示等，修改變頻輔機(jī)的啟停許可條件、聯(lián)鎖保護(hù)條件等。
二、輔機(jī)變頻改造的關(guān)鍵控制技術(shù)
在輔機(jī)實(shí)施變頻改造后，機(jī)組DCS配套控制策略的合理性對(duì)變頻改造的可靠性有很大影響。下面針對(duì)輔機(jī)正常運(yùn)行工況和故障工況，探討DCS的控制策略與功能設(shè)計(jì)。
1、變頻運(yùn)行的控制原則與策略
從節(jié)能角度看，輔機(jī)采用變頻后，泵或風(fēng)機(jī)對(duì)應(yīng)的調(diào)門或檔板應(yīng)盡量開(kāi)足，調(diào)門或檔板原先的控制任務(wù)移交給變頻器，這是輔機(jī)變頻改造后控制策略的基本原則。如送風(fēng)機(jī)、吸風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)采用變頻后，正常運(yùn)行時(shí)靜葉（或動(dòng)葉）應(yīng)盡量保持全開(kāi)，完全由變頻器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)送風(fēng)量、爐膛負(fù)壓和一次風(fēng)壓。
但是，盡管閥門全開(kāi)最節(jié)能，但有些工況下全開(kāi)卻不能滿足工藝的需求，例如凝泵變頻后，仍需要保證一定的凝結(jié)水母管壓力（這由凝結(jié)水用戶的需求決定），有些機(jī)組就采用了如下控制方式：凝泵變頻器調(diào)節(jié)除氧器水位，凝泵出口調(diào)門調(diào)節(jié)凝結(jié)水母管壓力，結(jié)果是水位與壓力相互耦合，導(dǎo)致系統(tǒng)很不穩(wěn)定，這是典型的錯(cuò)誤控制方式。實(shí)際上凝結(jié)水壓力不需要控制在某個(gè)壓力點(diǎn)，僅需要限制不低于允許的最小壓力，即限壓而不是控壓。
變頻凝泵與凝泵出口調(diào)門的控制中，變頻器轉(zhuǎn)速投自動(dòng)后控制水位偏差，并兼顧最低的母管壓力，凝泵出口調(diào)門采用開(kāi)環(huán)控制，其開(kāi)度指令是負(fù)荷的函數(shù)，高負(fù)荷時(shí)對(duì)應(yīng)的開(kāi)度較大（包括全開(kāi)），低負(fù)荷時(shí)對(duì)應(yīng)的開(kāi)度相對(duì)較小，間接保證了母管壓力。
2、變頻故障時(shí)的變工頻自動(dòng)切換
工頻、變頻切換功能包括正常的切換功能（也稱有準(zhǔn)備切換）和故障下的切換功能（也稱無(wú)準(zhǔn)備切換）。正常工況下的泵或風(fēng)機(jī)由工頻切至變頻、由變頻切至工頻，通常是由運(yùn)行人員手動(dòng)完成或者DCS順控邏輯完成。
對(duì)于無(wú)備用的輔機(jī)，當(dāng)變頻器發(fā)生故障，應(yīng)該考慮自動(dòng)由變頻切至工頻，這種無(wú)準(zhǔn)備的自動(dòng)切換是一個(gè)重要功能。但事實(shí)上，在有些機(jī)組風(fēng)機(jī)變頻改造中，當(dāng)變頻器重故障時(shí)，沒(méi)有考慮變頻切工頻的功能，直接觸發(fā)輔機(jī)跳閘。這種改造一定程度上降低了機(jī)組運(yùn)行的可靠性，即使機(jī)組具備負(fù)荷快減（RB）的功能，機(jī)組負(fù)荷與參數(shù)肯定會(huì)大幅波動(dòng)，況且還有RB不成功的風(fēng)險(xiǎn)。
某900MW機(jī)組一次風(fēng)機(jī)變頻改造中，設(shè)計(jì)了變頻故障時(shí)的變工頻自動(dòng)切換，2012年機(jī)組實(shí)際運(yùn)行中發(fā)生過(guò)兩次變頻器重故障，均成功切至工頻，一次風(fēng)機(jī)未跳閘，機(jī)組擾動(dòng)很小。該廠6號(hào)機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行中有一臺(tái)一次風(fēng)機(jī)的變頻器因重故障切至工頻，另一臺(tái)風(fēng)機(jī)變頻器頻率也升至50Hz，兩臺(tái)一次風(fēng)機(jī)靜葉按設(shè)定速率關(guān)至負(fù)荷對(duì)應(yīng)位置，過(guò)程中一次風(fēng)壓平穩(wěn)，機(jī)組負(fù)荷始終在900MW左右。
變頻器故障切工頻功能設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮相互間的匹配動(dòng)作，應(yīng)注意如下幾點(diǎn)。
（1）變頻器故障后首先斷開(kāi)其進(jìn)、出口開(kāi)關(guān)，然后延時(shí)幾秒合上工頻開(kāi)關(guān)。具體的延時(shí)時(shí)間可由試驗(yàn)最終確定，即要保證電機(jī)安全，也要滿足風(fēng)壓變化不超限。
（2）以一次風(fēng)機(jī)為例，在斷開(kāi)變頻器進(jìn)、出口開(kāi)關(guān)的同時(shí)，故障的一次風(fēng)機(jī)的靜葉應(yīng)快速關(guān)至該負(fù)荷下對(duì)應(yīng)的開(kāi)度，到達(dá)正常開(kāi)度后切至靜葉的壓力控制。故障風(fēng)機(jī)升工頻的同時(shí)，正常風(fēng)機(jī)也必須同時(shí)升至工頻，其靜葉也快速關(guān)至工頻時(shí)該負(fù)荷下對(duì)應(yīng)的開(kāi)度，再切至一次風(fēng)機(jī)靜葉的壓力控制，以防止兩側(cè)搶風(fēng)現(xiàn)象。
（3）對(duì)照歷史曲線，記錄原先工頻時(shí)不同負(fù)荷下調(diào)門或靜葉對(duì)應(yīng)的開(kāi)度十分重要。對(duì)于凝泵，基本上可以一步動(dòng)作到位，非常有利于后續(xù)調(diào)節(jié)。對(duì)于風(fēng)機(jī)，盡管由于不同負(fù)荷下靜葉開(kāi)度與煤種、環(huán)境溫度等有較大關(guān)系，可能不太準(zhǔn)確，但動(dòng)作趨勢(shì)肯定正確的，仍能夠快速到達(dá)新的平衡點(diǎn)附近，同樣有利于后續(xù)調(diào)節(jié)，當(dāng)然若跟蹤的開(kāi)度指令信號(hào)能考慮環(huán)境溫度等因素則效果更好。
對(duì)于有備用的輔機(jī)，若變頻器故障等原因引起運(yùn)行輔機(jī)跳閘，將自動(dòng)啟動(dòng)備用泵，相應(yīng)調(diào)門的配合動(dòng)作與上述描述類似，關(guān)鍵也是調(diào)門開(kāi)度與輔機(jī)轉(zhuǎn)速間的匹配動(dòng)作，以防止輔機(jī)超出力跳閘或工藝參數(shù)越限。
3、RB工況時(shí)的控制策略
對(duì)于無(wú)備用的輔機(jī)，若變頻器故障時(shí)切工頻失敗，或者泵、風(fēng)機(jī)自身故障，機(jī)組將觸發(fā)RB。RB的邏輯判斷條件，必須要躲過(guò)變頻切工頻的時(shí)間，以風(fēng)機(jī)為例，若發(fā)生變頻器故障，先切換至工頻，當(dāng)切換失敗，再觸發(fā)風(fēng)機(jī)RB。
RB發(fā)生后，另一臺(tái)正常運(yùn)行輔機(jī)的動(dòng)作至關(guān)重要，尤其是鍋爐爐膛負(fù)壓、一次風(fēng)壓，這種需要快速調(diào)節(jié)的回路。如發(fā)生吸風(fēng)機(jī)RB時(shí)，正常運(yùn)行吸風(fēng)機(jī)的頻率必須快速升至50Hz，若原先正常運(yùn)行的吸風(fēng)機(jī)靜葉不在全開(kāi)位置，可超馳增加一定的開(kāi)度（以風(fēng)機(jī)不超電流為限），而跳閘吸風(fēng)機(jī)的靜葉應(yīng)全關(guān)。
某1000MW機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行中變頻吸風(fēng)機(jī)發(fā)生RB時(shí)，負(fù)荷在970MW左右，吸風(fēng)機(jī)B 故障跳閘，吸風(fēng)機(jī)A變頻指令由42.8Hz快速升高至50Hz，爐膛負(fù)壓先升高，最高升至1235Pa，后下降，最低降至-917Pa，之后很快地恢復(fù)平穩(wěn)，RB性能總體良好。
吸風(fēng)機(jī)A變頻指令與實(shí)際頻率間存在偏差，如果RB發(fā)生時(shí)負(fù)荷較低，將會(huì)更加明顯，這是因?yàn)樽冾l器頻率變化有速率限制。根據(jù)變頻器廠商推薦，對(duì)該變頻器的速率設(shè)置如下：0Hz至50Hz需50s，50Hz至0Hz需200s，而吸風(fēng)機(jī)靜葉全量程變化是30s，快于變頻器的變化速率。
吸風(fēng)機(jī)改變頻后，若發(fā)生送風(fēng)機(jī)、給水泵等RB工況時(shí)，變頻器速率受限制也將對(duì)爐膛負(fù)壓的控制帶來(lái)不利的影響，因此，發(fā)生送風(fēng)機(jī)RB時(shí)（若不聯(lián)跳吸風(fēng)機(jī)），建議吸風(fēng)機(jī)靜葉（動(dòng)葉）超馳關(guān)至某一開(kāi)度，以彌補(bǔ)變頻器轉(zhuǎn)速降低速率較慢的不足。
增減速率較慢是大型變頻器的普遍現(xiàn)象，對(duì)調(diào)節(jié)的影響應(yīng)引起關(guān)注，應(yīng)考慮故障工況下參數(shù)大擾動(dòng)的應(yīng)對(duì)措施。
三、輔機(jī)變頻改造的試驗(yàn)安排
變頻改造通常是結(jié)合機(jī)組檢修完成，如何安排試驗(yàn)內(nèi)容也值得重視。輔機(jī)變頻改造后的試驗(yàn)可分為冷態(tài)試驗(yàn)和熱態(tài)試驗(yàn)。
1、冷態(tài)試驗(yàn)
為了安全起見(jiàn)，在機(jī)組改造后首次點(diǎn)火前應(yīng)安排冷態(tài)試驗(yàn)。除了基本的操作功能外，冷態(tài)試驗(yàn)還應(yīng)包括：變頻器轉(zhuǎn)速回路投自動(dòng)并進(jìn)行參數(shù)的初步設(shè)置，變頻、工頻間的正常切換與故障切換，備用輔機(jī)的自啟動(dòng)或者RB功能的冷態(tài)試驗(yàn)等。通過(guò)冷態(tài)試驗(yàn)，大大減少機(jī)組啟動(dòng)后熱態(tài)試驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)。
以吸風(fēng)機(jī)變頻為例，在冷態(tài)試驗(yàn)時(shí)，建議安排爐膛負(fù)壓設(shè)定值擾動(dòng)、送風(fēng)量外擾動(dòng)試驗(yàn)，初步設(shè)置吸風(fēng)機(jī)變頻回路的控制參數(shù)，還建議模擬吸風(fēng)機(jī)跳閘、模擬送風(fēng)機(jī)跳閘，考驗(yàn)相關(guān)回路的動(dòng)作及爐膛負(fù)壓的變化。
2、熱態(tài)試驗(yàn)
機(jī)組點(diǎn)火啟動(dòng)帶負(fù)荷后，應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的熱態(tài)試驗(yàn)，重點(diǎn)是在全負(fù)荷段優(yōu)化變頻器轉(zhuǎn)速自動(dòng)回路的性能，并結(jié)合機(jī)組實(shí)際的運(yùn)行情況，挖掘潛力，使節(jié)能效果達(dá)到最優(yōu)。
以吸風(fēng)機(jī)變頻為例，在熱態(tài)試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)爐膛負(fù)壓設(shè)定值擾動(dòng)、變負(fù)荷等試驗(yàn)，優(yōu)化變頻控制參數(shù)，提高爐膛負(fù)壓的控制品質(zhì)，優(yōu)化送、引風(fēng)回路的匹配關(guān)系，提高風(fēng)煙系統(tǒng)整體的調(diào)節(jié)性能。在條件允可時(shí)，可安排變頻故障時(shí)的變工頻切換試驗(yàn)，可安排機(jī)組ＲＢ的實(shí)動(dòng)試驗(yàn)。
四、結(jié)語(yǔ)
隨著對(duì)機(jī)組節(jié)能減排的要求越來(lái)越高，高壓大功率變頻技術(shù)的日漸成熟，越來(lái)越多的電站實(shí)施了大型輔機(jī)的變頻節(jié)能改造。很多新建機(jī)組基建時(shí)已將變頻輔機(jī)作為標(biāo)準(zhǔn)配置，輔機(jī)變頻后的配套控制方案對(duì)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行非常重要。實(shí)踐證明，根據(jù)變頻輔機(jī)的特點(diǎn)及相應(yīng)熱力系統(tǒng)的特性，采用合理可靠的控制方案將大大提高輔機(jī)變頻改造后機(jī)組運(yùn)行的可靠性。
作者：姚 峻 祝建飛 上海明華電力技術(shù)工程有限公司
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