1 引言
發(fā)電廠的冷卻系統(tǒng)是電力生產(chǎn)過(guò)程的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，從技術(shù)上來(lái)看，冷卻技術(shù)分水冷和空冷。水冷發(fā)電廠是把濕冷冷卻塔(涼水塔)內(nèi)的循環(huán)水以“淋雨”方式與空氣直接接觸進(jìn)行熱交換的，其整個(gè)過(guò)程處于“濕”的狀態(tài)，其冷卻過(guò)程又稱為濕冷系統(tǒng)。空冷發(fā)電廠是用空冷島軸流風(fēng)機(jī)吹冷、或者利用分布換熱系統(tǒng)來(lái)冷卻汽輪機(jī)排汽，達(dá)到省水、回水再利用的目的。整個(gè)過(guò)程處于“干”的狀態(tài)，所以空冷塔又成為干式冷卻塔或干冷塔。
隨著我國(guó)西部大開(kāi)發(fā)、西電東送北通道的開(kāi)通，我國(guó)北部地區(qū)的晉、陜、寧、蒙四省區(qū)的電力工業(yè)得到迅猛發(fā)展，而建設(shè)大型火力發(fā)電廠需要充足的冷卻水源。這些地區(qū)的優(yōu)勢(shì)是煤炭資源豐富，而劣勢(shì)是水資源匱乏，利用豐富的煤炭資源和有限的水資源發(fā)展火電工業(yè)，就需要采用新的冷卻方式來(lái)排除廢熱，直接空冷系統(tǒng)因其技術(shù)逐漸成熟，節(jié)水效果顯著，可調(diào)效果好，因此在我國(guó)山西、內(nèi)蒙古等產(chǎn)煤區(qū)所新建單機(jī)容量為300mw以上機(jī)組的電廠均采用空冷技術(shù)。
2 直接空冷系統(tǒng)介紹
2.1 直接空冷系統(tǒng)的流程介紹 [1]
直接空冷系統(tǒng)的流程圖如圖1所示。汽輪機(jī)排汽通過(guò)粗大的排汽管道送到室外的空冷凝汽器內(nèi)，軸流冷卻風(fēng)機(jī)使空氣流過(guò)散熱器外表面，將排汽冷凝成水，凝結(jié)水再經(jīng)泵送回汽輪機(jī)的回?zé)嵯到y(tǒng)。
圖1 直接空冷系統(tǒng)的流程圖
如圖2空冷島外觀圖所示，空冷系統(tǒng)建筑規(guī)模龐大，一般稱為空冷島，包括凝結(jié)水系統(tǒng)(凝結(jié)水箱)、真空疏水系統(tǒng)(包括疏水泵)、排氣/抽氣系統(tǒng)(水環(huán)泵單元)、空冷凝汽器(acc)等四套系統(tǒng)。通過(guò)dcs集散控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)這四套系統(tǒng)的自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)調(diào)節(jié)、順序控制、自動(dòng)保護(hù)等自動(dòng)控制功能。
圖2 空冷島外觀圖
2.2 直接空冷系統(tǒng)變頻風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的組成
空冷凝汽器系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱acc)是由若干臺(tái)空冷凝汽器構(gòu)成，每臺(tái)空冷凝汽器配置一臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)，建筑在高聳的空冷平臺(tái)上，對(duì)空冷凝汽器進(jìn)行直接冷卻。例如1臺(tái)300mw國(guó)產(chǎn)空冷機(jī)組工程空冷系統(tǒng)需要配置30臺(tái)空冷風(fēng)機(jī)（其中6臺(tái)為可逆轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)），功率為90kw。軸流冷卻風(fēng)機(jī)在一個(gè)水平平面內(nèi)布置，形成了龐大的軸流冷卻風(fēng)機(jī)群。
風(fēng)機(jī)電機(jī)均采用變頻控制，除節(jié)能原因外，變頻調(diào)速控制還可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)“軟啟動(dòng)”，即電動(dòng)機(jī)在很低地頻率 (3～5hz)和相應(yīng)的電壓下啟動(dòng)，逐漸提高電源的頻率和電壓，控制電動(dòng)機(jī)在小于1.1倍額定電流下無(wú)沖擊啟動(dòng)，以這種方式經(jīng)常啟動(dòng)是風(fēng)機(jī)所允許的。另外風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以在(30%～110%)額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，調(diào)節(jié)方便，滿足在各種氣象條件下機(jī)組運(yùn)行工況的要求。風(fēng)機(jī)經(jīng)常在需要的低轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，噪聲和磨損都比額定轉(zhuǎn)速低，有利于環(huán)境保護(hù)，降低維修費(fèi)用并延長(zhǎng)了空冷器的壽命。
變頻控制柜通過(guò)硬接線和通訊與主dcs或空冷系統(tǒng)dcs相連接，dcs能根據(jù)不同的蒸汽負(fù)荷和環(huán)境溫度控制風(fēng)機(jī)啟停及轉(zhuǎn)速，使汽輪機(jī)的排汽壓力保持恒定。
3 abb變頻器在空冷島變頻系統(tǒng)的應(yīng)用
以山西柳林發(fā)電廠二期（2×600mw）工程空冷島變頻調(diào)速器選型和應(yīng)用為例,介紹abb變頻器在空冷島方面的應(yīng)用。
每臺(tái)機(jī)組由40臺(tái)冷凝器風(fēng)機(jī)和16臺(tái)分凝器風(fēng)機(jī)組成。所以總共需要56 × 2 = 112臺(tái)變頻器。
3.1 空冷島對(duì)變頻器高可靠性的要求
空冷風(fēng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)中變頻器能否長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行關(guān)系到電廠能否正常發(fā)電。
abb公司acs800系列變頻器是abb公司原裝進(jìn)口的工業(yè)級(jí)產(chǎn)品，是目前流行的脈寬調(diào)制電壓型變頻器，控制方式采用當(dāng)今最先進(jìn)的直接轉(zhuǎn)矩（dtc）控制技術(shù),能夠精確控制任何標(biāo)準(zhǔn)鼠籠電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)矩，它還具有電機(jī)辨識(shí)運(yùn)行功能，此功能在變頻器初次驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，控制電機(jī)的運(yùn)行，創(chuàng)建電機(jī)模型，從而達(dá)到辨識(shí)電機(jī)特性，優(yōu)化控制的目的。因此acs800變頻器更適用于風(fēng)機(jī)、水泵和恒轉(zhuǎn)矩等各種變速驅(qū)動(dòng)應(yīng)用場(chǎng)合。完全滿足空冷系統(tǒng)常年不間斷運(yùn)行的要求。
3.2 acs800變頻器操作簡(jiǎn)單
acs800變頻器具有啟動(dòng)向?qū)Чδ埽筧cs800的調(diào)試變得非常簡(jiǎn)便。當(dāng)用戶第一次給傳動(dòng)上電時(shí)，啟動(dòng)向?qū)?huì)引導(dǎo)用戶完成所有的調(diào)試步驟，用戶不必再擔(dān)心會(huì)忘記設(shè)置某組參數(shù)。
acs800控制盤(pán)有四種不同的鍵盤(pán)模式：實(shí)際信號(hào)和故障紀(jì)錄顯示模式、參數(shù)模式、功能模式和傳動(dòng)選擇模式。在實(shí)際信號(hào)顯示模式中可以同時(shí)監(jiān)視三個(gè)實(shí)際信號(hào)，諸如頻率、轉(zhuǎn)速、電流、流量等信號(hào)。
3.3 acs800的優(yōu)越性能
(1) 電源斷電時(shí)的運(yùn)行。acs800將利用正在旋轉(zhuǎn)著的電機(jī)的動(dòng)能繼續(xù)運(yùn)行，只要電機(jī)旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生能量，acs800將繼續(xù)運(yùn)行。
(2) 零速滿轉(zhuǎn)矩。由acs800帶動(dòng)的電機(jī)能夠獲得在零速時(shí)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩，并且不需要光碼盤(pán)或測(cè)速電機(jī)的反饋。而矢量控制變頻器只能在接近零速時(shí)實(shí)現(xiàn)滿力矩輸出。
(3) 起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。dtc提供的精確的轉(zhuǎn)矩控制使得acs800能夠提供可控且平穩(wěn)的最大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。最大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩能達(dá)到200%的電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩。
(4) 自動(dòng)起動(dòng)。acs800的自動(dòng)起動(dòng)特性超過(guò)一般變頻器的飛升起動(dòng)和積分起動(dòng)的性能。因?yàn)閍cs800能在幾毫秒內(nèi)測(cè)出電機(jī)的狀態(tài)，任何的條件下在0.48s內(nèi)迅速起動(dòng)。而矢量控制變頻器則需大于是2.2s。
(5) 磁通優(yōu)化。在優(yōu)化模式下，電機(jī)磁通被自動(dòng)地適應(yīng)于負(fù)載以提高效率，同時(shí)降低電機(jī)的噪音。得益于磁通優(yōu)化，基于不同的負(fù)載，變頻器和電機(jī)的總效率可提高1%-10%。
(6) 磁通制動(dòng)。acs800能通過(guò)提高電機(jī)的磁場(chǎng)來(lái)提供足夠快的減速。acs800持續(xù)監(jiān)視電機(jī)的狀態(tài)，在磁通制動(dòng)時(shí)也不停止監(jiān)視。磁通制動(dòng)也能用于停止電機(jī)和從一個(gè)轉(zhuǎn)速變換到另一個(gè)轉(zhuǎn)速。而其他品牌的變頻器所使用的直流制動(dòng)是不可能實(shí)現(xiàn)此功能的。
(7) 精確速度控制。acs800的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速誤差在開(kāi)環(huán)應(yīng)用時(shí)為0.3%，在閉環(huán)應(yīng)用時(shí)為0.1%。而矢量控制變頻器在開(kāi)環(huán)時(shí)大于0.8%，閉環(huán)時(shí)為0.3%。acs800變頻器的靜態(tài)精度為0.01%。
(8) 精確轉(zhuǎn)矩控制。動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩階躍響應(yīng)時(shí)間，在開(kāi)環(huán)應(yīng)用時(shí)能達(dá)到1-5ms，而矢量控制變頻器在閉環(huán)時(shí)需10-20ms，開(kāi)環(huán)時(shí)為100-200ms。
(9) 危險(xiǎn)速度段設(shè)置。可使電機(jī)避免在某一速度或某一速度范圍上運(yùn)行的功能，例如避開(kāi)機(jī)械共振點(diǎn)（帶）。acs800可以設(shè)置5個(gè)不同的速度點(diǎn)和速度范圍，電機(jī)通過(guò)危險(xiǎn)速度范圍時(shí)按照加速或減速積分曲線加速或減速。
(10) acs800變頻器保護(hù)功能。變頻裝置能提供電動(dòng)機(jī)所需的過(guò)載、過(guò)流、接地、過(guò)壓、欠壓、過(guò)熱、缺相等護(hù)，保護(hù)應(yīng)為微機(jī)型，且不與控制共用cpu及電源。保護(hù)動(dòng)作能發(fā)出硬接線信號(hào)。
變頻器自身配備完善的電氣保護(hù)，當(dāng)變頻器裝置發(fā)生故障時(shí)，發(fā)出信號(hào)。acs800的標(biāo)準(zhǔn)軟件提供了對(duì)傳動(dòng)，電機(jī)和過(guò)程的保護(hù)，包括預(yù)編程保護(hù)功能和可編程保護(hù)功能。預(yù)編程保護(hù)功能包括 環(huán)境溫度，dc過(guò)壓，dc欠壓，傳動(dòng)溫度，輸入缺相，過(guò)流，功率限幅和輸出短路等�？删幊瘫Ｗo(hù)功能包括可調(diào)整功率限幅，控制信號(hào)監(jiān)視，危險(xiǎn)頻率鎖定，電流轉(zhuǎn)矩限幅，接地故障保護(hù)，外部故障，電機(jī)缺相，電機(jī)堵轉(zhuǎn)保護(hù)，電機(jī)過(guò)溫保護(hù)，電機(jī)欠載保護(hù)，控制盤(pán)丟失等。
4 關(guān)于電機(jī)可逆運(yùn)轉(zhuǎn)
每臺(tái)空冷機(jī)組56臺(tái)驅(qū)動(dòng)裝置中的16臺(tái)（逆流管束）必須是雙向旋轉(zhuǎn)。
acs800變頻器不需要制動(dòng)電阻。dtc的優(yōu)越功能，從給定的工藝條件，完全可以靠?jī)?nèi)部磁通制動(dòng)等功能在30s內(nèi)從30%反轉(zhuǎn)狀態(tài)下停下來(lái)，并正常投運(yùn)。
5 變頻器與dcs系統(tǒng)的接口
表1所示，以acs800為例，表示與dcs系統(tǒng)的接口。
控制可逆轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)的變頻器必須接受反向指令，并送出方向狀態(tài)信號(hào)，因此在控制此風(fēng)機(jī)的變頻器上加裝擴(kuò)展繼電器輸出模塊orel，以滿足控制和指示功能。
6 變頻系統(tǒng)抑制諧波的措施
acs800變頻器內(nèi)置交流電抗器有效地抑制高次諧波對(duì)電網(wǎng)的影響，交流電抗器用于衰減主供電回路中的諧波成分，改善進(jìn)線電流波形。它將減小電容器的脈動(dòng)電流，并提高電容器的壽命。電抗器位于整流橋的交流側(cè)，保護(hù)整流橋的二極管免受進(jìn)線電壓的沖擊。電抗器也可減少變頻器的電磁輻射。變頻裝置內(nèi)部通訊采用光纖連接，以提高通訊速率和抗干擾能力. 變頻器本體在輸入側(cè)內(nèi)置rfi濾波器，使其電磁輻射符合en61800-3 第二環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)。
由于空冷島使用變頻器數(shù)量較多，需根據(jù)實(shí)際負(fù)荷及變壓器容量和供電系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算得出，常規(guī)推薦方式如下：采用變壓器不同繞組方式形成系統(tǒng)12脈沖形式（如圖3所示），則可以滿足如表2所示的標(biāo)準(zhǔn)。
圖3 12脈沖整流方案
7 變頻器電機(jī)的噪音
由變頻器運(yùn)行產(chǎn)生的額外噪音與電機(jī)直接操作方式相比少3 db。包括所有余量在內(nèi)的電機(jī)最大噪音級(jí)為84db(a)。在變頻器出口到電機(jī)之間應(yīng)該有一個(gè)專門的過(guò)濾器及相應(yīng)技術(shù)使噪音限制在能容忍水平內(nèi)。這應(yīng)在整個(gè)操作頻率范圍（30～110%等于 5～ 55hz）上和滿負(fù)荷條件下達(dá)到。
(1) acs800變頻器dtc獨(dú)特的開(kāi)關(guān)控制技術(shù)與傳統(tǒng)的pwm控制技術(shù)完全不同，可大幅減少諧波。
(2) 輸出側(cè)的輸出電抗器減少電機(jī)噪音。
8 變頻柜方案
根據(jù)空冷系統(tǒng)低壓變頻器設(shè)備技術(shù)要求，將1臺(tái)acs800變頻器安裝于一個(gè)1000mm寬的柜內(nèi)，每臺(tái)變頻器分別獨(dú)立供電；變頻裝置控制柜內(nèi)包括控制裝置連接的用戶接線端子、空氣斷路器、變頻器模塊、原裝進(jìn)口的emc濾波器、輸入電抗器、輸出電抗器及所有提供必要功能的設(shè)備，如圖4所示。
圖4 變頻器分別獨(dú)立供電方式
變頻器柜采用ggd式結(jié)構(gòu),柜架為高強(qiáng)度的九褶型材; 面板噴塑均勻平滑外觀美，結(jié)構(gòu)合理勻稱，平直度高。柜體外殼防護(hù)等級(jí)：ip21。柜的外形尺寸為1000mm×650mm×2200mm（寬×深×高）。進(jìn)、出線方式為柜底電纜進(jìn)出線。
柜體內(nèi)配置如圖5所示。柜體內(nèi)配置了熔斷開(kāi)關(guān)，選用abb公司生產(chǎn)的具有隔離和短路保護(hù)雙重功能的熔斷開(kāi)關(guān)os400d03p,額定電流400a；同時(shí)還配置進(jìn)出線電抗器，控制邏輯回路等所需的設(shè)備，以利于系統(tǒng)更安全、可靠的運(yùn)行。
圖5 柜體內(nèi)配置圖
每臺(tái)變頻器柜內(nèi)設(shè)有斷路器、接觸器等動(dòng)力和控制設(shè)備，分別給以下兩個(gè)回路(風(fēng)機(jī)電機(jī)加熱器、齒輪箱加熱器)供電：
控制方式采用程序控制和就地手動(dòng)控制，變頻器自身控制系統(tǒng)采用靈活的參數(shù)配置方式，具有就地操作及顯示功能。安裝于柜門上的操作控制盤(pán)提供交流電機(jī)調(diào)試的修改鍵。
9 變頻車間散熱方案
電廠設(shè)有空冷器變頻間，龐大的變頻控制柜(以下稱變頻控制裝置)矩陣布置在空冷器變頻間中。
因?yàn)樽冾l器主要發(fā)熱元件為功率器件（igbt），散熱良好將有利于系統(tǒng)安全長(zhǎng)效運(yùn)行，如圖6所示�？刹捎萌缦律岱绞剑�
(1) 采用風(fēng)道系統(tǒng)，在保證進(jìn)風(fēng)量的同時(shí)將產(chǎn)生熱量排除控制室。
(2) 采用適配工業(yè)空調(diào)系統(tǒng)
圖6 空冷變頻車間變頻器散熱方式示意圖
10 結(jié)束語(yǔ)
本文以abb公司acs800變頻器為例，介紹了變頻器在空冷島上的使用方案。在實(shí)際工程中有一定的借鑒價(jià)值。
作者簡(jiǎn)介
趙金亮 高級(jí)工程師 山西省自動(dòng)化研究所所長(zhǎng)。
參考文獻(xiàn)
[1] 中國(guó)電力. 變頻器在大型電廠直接空冷系統(tǒng)中的應(yīng)用
[2] abb公司. acs800變頻器用戶手冊(cè)