低電壓穿越對(duì)給煤機(jī)變頻器影響的試驗(yàn)與研究

韓峰，余程

(1.浙江浙能技術(shù)研究院有限公司控制技術(shù)所，杭州 310000； 2. 浙江浙能蘭溪發(fā)電有限責(zé)任公司， 浙江 蘭溪 321100)

0 引言

隨著電力技術(shù)的發(fā)展，變頻器在電廠中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，浙江浙能蘭溪發(fā)電有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱浙能蘭溪電廠)在給煤機(jī)、空氣預(yù)熱器、真空皮帶機(jī)等多處設(shè)備都應(yīng)用了變頻器，但由于有時(shí)電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定，導(dǎo)致變頻器在使用中出現(xiàn)欠電壓保護(hù)動(dòng)作、過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作等問(wèn)題。引起電源電壓晃動(dòng)的原因有很多，如電網(wǎng)電壓波動(dòng)、雷擊、大設(shè)備啟動(dòng)等。空氣預(yù)熱器、真空皮帶機(jī)等設(shè)備的變頻器停運(yùn)后，可在短時(shí)間內(nèi)搶啟備用設(shè)備，而給煤機(jī)變頻器的故障停運(yùn)會(huì)導(dǎo)致給煤機(jī)直接跳閘，最終造成鍋爐主燃料跳閘(MFT)。

為了避免因系統(tǒng)低電壓擾動(dòng)造成給煤機(jī)跳閘，從而觸發(fā)機(jī)組跳閘這一嚴(yán)重事故情況的發(fā)生，針對(duì)浙能蘭溪電廠的設(shè)備情況，開(kāi)展了低電壓對(duì)給煤機(jī)變頻器影響的試驗(yàn)與研究。

1 浙能蘭溪電廠機(jī)組概況

浙能蘭溪電廠總裝機(jī)容量為4臺(tái)600 MW超臨界機(jī)組。采用北京巴威公司制造的B&WB-1903/25.40-M型超臨界、中間再熱、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、露天布置的P形螺旋爐膛直流鍋爐，燃用具有中等結(jié)渣性的煙煤；采用正壓直吹中速磨煤機(jī)制粉系統(tǒng)，前后對(duì)沖燃燒方式，每臺(tái)鍋爐配備6臺(tái)ZGM113G型中速輥式磨煤機(jī)，每臺(tái)磨煤機(jī)配有1臺(tái)GM-BSC22-26型耐壓稱重式給煤機(jī)；對(duì)應(yīng)爐膛兩側(cè)墻布置36只DRB-4Z低NOx雙調(diào)風(fēng)旋流燃燒器，燃燒器上層配有前后各8個(gè)燃盡風(fēng)門(mén)；鍋爐露天戴帽布置，噴燃器以下緊身封閉，在尾部豎井下設(shè)置2臺(tái)豪頓華三分倉(cāng)空氣預(yù)熱器。

2 提高給煤機(jī)抗低電壓穿越能力的方法

浙能蘭溪電廠每臺(tái)機(jī)組配置6臺(tái)上海大和衡器有限公司生產(chǎn)的耐壓稱重式給煤機(jī)，采用中速磨煤機(jī)冷一次風(fēng)正壓直吹式制粉系統(tǒng)，給煤機(jī)采用安川電機(jī)(中國(guó))有限公司(以下簡(jiǎn)稱安川)生產(chǎn)的VS-606V7變頻器，有欠電壓自啟動(dòng)功能。整臺(tái)給煤機(jī)主要分為控制電源和動(dòng)力電源。由于給煤機(jī)內(nèi)儀表的控制電源取自不間斷電源(UPS)(220 V AC)，所以控制電源基本不會(huì)出現(xiàn)欠電壓情況；給煤機(jī)動(dòng)力電源取自電動(dòng)機(jī)控制中心(MCC)段380 V動(dòng)力電源。電網(wǎng)短時(shí)低電壓對(duì)UPS無(wú)任何影響，但對(duì)MCC段動(dòng)力電源影響較大。

通過(guò)分析有關(guān)變頻器的技術(shù)資料及變頻器欠電壓的研究資料，目前針對(duì)給煤機(jī)低電壓跳閘主要有以下幾種解決方法。

(1)用蓄電池作為變頻器的備用電源。將給煤機(jī)的主、備用電源通過(guò)開(kāi)關(guān)分別接入變頻器交流輸入端和直流母線上，正常工作時(shí)兩路電源同時(shí)投入，交流電源提供變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)的能量，同時(shí)為蓄電池充電。一旦交流電源電壓降低或中斷，直流電源蓄電池將會(huì)給變頻器直流母線供電，維持變頻器正常運(yùn)行。供電時(shí)間的長(zhǎng)短取決于電機(jī)的負(fù)載和蓄電池的容量，變頻器故障或收到其他相關(guān)保護(hù)信號(hào)時(shí)快速斷開(kāi)直流電源，確保系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。目前已有專業(yè)的公司開(kāi)發(fā)出成套的系統(tǒng)，例如臺(tái)灣宏瑞公司的DC-BANK、南京國(guó)臣信息自動(dòng)化技術(shù)有限公司的抗晃電系統(tǒng)等[1]。

(2)為變頻器接入在線UPS。變頻器采用UPS供電，但目前應(yīng)用大型UPS為變頻器供電的案例不多，動(dòng)力用UPS存在電源容量大、轉(zhuǎn)換效率低、投資成本高、維護(hù)成本高等缺點(diǎn)[2]。

(3)為給煤機(jī)停運(yùn)信號(hào)設(shè)置一定延時(shí)，給煤機(jī)變頻器設(shè)置掉電自啟動(dòng)，在設(shè)定的延時(shí)時(shí)間內(nèi)自啟動(dòng)成功則認(rèn)為系統(tǒng)正常，否則給煤機(jī)跳閘。給煤機(jī)判斷停運(yùn)增加延時(shí)有兩種方法：一是在分散控制系統(tǒng)(DCS)邏輯中增加延時(shí)判斷給煤機(jī)停運(yùn)，低電壓恢復(fù)后，DCS遠(yuǎn)方重新下發(fā)啟動(dòng)指令，如果超過(guò)一定時(shí)間電壓未恢復(fù)，則發(fā)停運(yùn)指令；二是在就地設(shè)備中增加延時(shí)，低電壓恢復(fù)后，變頻器自啟動(dòng)。方法2比方法1能夠更快速實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)。

以上3種方法中，前2種方法投入成本較大，增加了蓄電池等設(shè)備，每臺(tái)給煤機(jī)都要增加1套成套的系統(tǒng)，1臺(tái)小型變頻器價(jià)格在10 000元以下，而成套裝置成本為變頻器成本的10倍以上，且有些型號(hào)的變頻器還要進(jìn)行改造以符合成套裝置的要求；同時(shí)，由于大型蓄電池等設(shè)備的增加，使設(shè)備的定期檢修工作更加繁瑣，增加了故障點(diǎn)及定期維護(hù)工作，不利于給煤機(jī)的日常運(yùn)行及維護(hù)。針對(duì)浙能蘭溪電廠的設(shè)備情況，第3種方法簡(jiǎn)單，不增加設(shè)備，投入成本較小，但在邏輯上應(yīng)設(shè)置更加嚴(yán)密的保護(hù)，需要試驗(yàn)進(jìn)一步論證其可行性。

3 給煤機(jī)變頻器設(shè)置自啟動(dòng)方式的可行性

3.1 文獻(xiàn)研究分析

以往的文獻(xiàn)資料多處提到通過(guò)鍋爐爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)(FSSS)的給粉機(jī)全停邏輯延時(shí)來(lái)處理這個(gè)矛盾，大都認(rèn)為：延時(shí)會(huì)導(dǎo)致FSSS安全級(jí)別降低使用，存在爆爐隱患；沒(méi)有延時(shí)，因?yàn)榻o粉跳閘引起停爐，給生產(chǎn)帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)損失。這些文獻(xiàn)多是針對(duì)中間儲(chǔ)倉(cāng)式制粉系統(tǒng)，但現(xiàn)有制粉系統(tǒng)主要為中間儲(chǔ)倉(cāng)式制粉系統(tǒng)和直吹式制粉系統(tǒng)。

對(duì)于中間儲(chǔ)倉(cāng)式制粉系統(tǒng)，當(dāng)鍋爐負(fù)荷變化不大時(shí)，一般只改變運(yùn)行給粉機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變進(jìn)入一次風(fēng)管的煤粉量；當(dāng)鍋爐負(fù)荷變化較大，已超出給粉機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍時(shí)，可以通過(guò)改變投停燃燒器數(shù)量和運(yùn)行給粉機(jī)臺(tái)數(shù)來(lái)較大幅度改變煤粉量。所以對(duì)于中間儲(chǔ)倉(cāng)式制粉系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，如果給粉機(jī)變頻器停運(yùn)或給煤機(jī)轉(zhuǎn)速迅速降低，將嚴(yán)重影響燃燒器燃燒，多臺(tái)給粉機(jī)同時(shí)停運(yùn)，勢(shì)必引起鍋爐滅火，最終導(dǎo)致停爐。如果此種制粉系統(tǒng)的變頻器設(shè)置再啟動(dòng)功能，鍋爐滅火后大量的煤粉會(huì)再次沖入鍋爐，造成鍋爐爆燃等嚴(yán)重后果[3-5]。

對(duì)于直吹式制粉系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，制粉系統(tǒng)的出力將直接影響鍋爐蒸發(fā)量的大小，制粉系統(tǒng)中磨煤機(jī)的出力決定了制粉系統(tǒng)的能力。當(dāng)鍋爐負(fù)荷變化不大時(shí)，一般通過(guò)改變運(yùn)行給煤機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)煤粉量，但調(diào)節(jié)燃料量的同時(shí)還要調(diào)節(jié)風(fēng)量，而風(fēng)作為煤粉的輸送介質(zhì)，直接影響進(jìn)入爐膛燃料的多少。磨煤機(jī)內(nèi)可積存一定的煤量，在風(fēng)量正常的情況下，磨煤機(jī)磨出的粉直接吹進(jìn)鍋爐。由于磨煤機(jī)出粉存在一定的時(shí)間差，在積存的可磨煤能夠保持正常燃燒的情況下，給煤機(jī)短時(shí)間停運(yùn)不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成任何影響。直吹式制粉系統(tǒng)磨煤機(jī)主要為中速磨煤機(jī)和雙進(jìn)雙出鋼球磨煤機(jī)，雙進(jìn)雙出鋼球磨煤機(jī)的煤粉儲(chǔ)備量相當(dāng)于磨煤機(jī)運(yùn)行10～15 min的出粉量[6]，給煤機(jī)在低電壓情況下短時(shí)間停運(yùn)，完全可以支持正常燃燒。

正壓中速磨煤機(jī)正常運(yùn)行過(guò)程中，如果出現(xiàn)電網(wǎng)低電壓情況，給煤機(jī)變頻器停運(yùn)后，磨煤機(jī)內(nèi)部的存煤能穩(wěn)燃的時(shí)間取決于磨煤機(jī)的出力和磨煤機(jī)內(nèi)部的存煤量。正壓中速磨煤機(jī)存在最小出力要求，一般能降到額定出力的40%維持正常運(yùn)行，低于最小出力運(yùn)行時(shí)，由于磨盤(pán)上煤層過(guò)薄，研磨部件的金屬部分可能會(huì)直接接觸，導(dǎo)致磨煤機(jī)出現(xiàn)強(qiáng)烈磨損或振動(dòng)等事故，所以正常運(yùn)行時(shí)，都會(huì)保持磨煤機(jī)磨盤(pán)上積存一定的煤量，這小部分存煤能維持?jǐn)?shù)秒燃燒，所以可以設(shè)置給煤機(jī)變頻器低電壓自啟動(dòng)功能，以避免電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響。

3.2 正壓中速磨煤機(jī)支撐正常燃燒的時(shí)間

正壓中速磨煤機(jī)支撐正常燃燒的時(shí)間取決于磨煤機(jī)內(nèi)部的存煤量和當(dāng)時(shí)磨煤機(jī)的出力，磨煤機(jī)的出力與風(fēng)量、煤種等有關(guān)，其中的很多變化因素都很難估算。在人工停運(yùn)給煤機(jī)過(guò)程中，對(duì)于正壓直吹式制粉系統(tǒng)，為了將中速輥式磨煤機(jī)內(nèi)的煤粉燃盡，總會(huì)在給煤機(jī)停運(yùn)約1 min后再停磨煤機(jī)，而在這段時(shí)間內(nèi)磨煤機(jī)仍能正常運(yùn)行，說(shuō)明磨煤機(jī)內(nèi)部積存的煤量在風(fēng)量正常情況下能夠支持1 min左右的燃燒。給煤機(jī)日常停運(yùn)曲線如圖1所示。

一般情況下，電網(wǎng)低電壓穿越故障時(shí)間小于2 s，對(duì)于中速磨正壓直吹式制粉系統(tǒng)或者類似的系統(tǒng)，可利用磨煤機(jī)內(nèi)的存煤支持燃燒，躲避2 s內(nèi)的低電壓穿越，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成嚴(yán)重的影響。但在給煤機(jī)實(shí)際停運(yùn)的2 s內(nèi)，保持給煤機(jī)虛假運(yùn)行2 s，給煤量會(huì)保持原有數(shù)值不變，如停運(yùn)超過(guò)一定時(shí)間，則認(rèn)為系統(tǒng)實(shí)際故障停運(yùn)。

3.3 給煤機(jī)短時(shí)停運(yùn)、自啟動(dòng)后對(duì)鍋爐的影響

圖1 給煤機(jī)日常停運(yùn)曲線

圖2 3臺(tái)給煤機(jī)同時(shí)手動(dòng)停運(yùn)10 s再啟動(dòng)

2014年1月21日，浙能蘭溪電廠現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試給煤機(jī)變頻器停運(yùn)一定時(shí)間后自啟動(dòng)對(duì)鍋爐運(yùn)行的影響。選擇#2機(jī)組負(fù)荷480 MW左右，5臺(tái)磨煤機(jī)給煤機(jī)同時(shí)運(yùn)行，模擬正常運(yùn)行過(guò)程中1～3臺(tái)給煤機(jī)同時(shí)停運(yùn)數(shù)秒后重新恢復(fù)。通過(guò)DCS手動(dòng)將單臺(tái)給煤機(jī)給煤量指令打到0，停運(yùn)時(shí)間10 s以上，再進(jìn)行啟動(dòng)，火檢情況正常，無(wú)大幅波動(dòng)情況，火焰燃燒情況與日常正常運(yùn)行情況基本一致；之后依次進(jìn)行了2臺(tái)給煤機(jī)同時(shí)指令到0，3臺(tái)給煤機(jī)給煤量指令同時(shí)到0的試驗(yàn)。從圖2可以看出，3臺(tái)給煤機(jī)停運(yùn)10 s的過(guò)程中，火焰信號(hào)正常，爐膛壓力波動(dòng)正常，主蒸汽溫度等運(yùn)行平穩(wěn)。該試驗(yàn)也同時(shí)驗(yàn)證了給煤機(jī)在低電壓情況下設(shè)置自啟動(dòng)的可行性， 10 s內(nèi)自動(dòng)啟動(dòng)正常不會(huì)對(duì)整個(gè)鍋爐系統(tǒng)產(chǎn)生影響。

4 給煤機(jī)變頻器低電壓帶載試驗(yàn)

為了驗(yàn)證各種變頻器能否在低電壓情況下實(shí)現(xiàn)掉電自啟動(dòng)，分別選用了安川的V7，H1000以及ABB公司的ACS550等變頻器進(jìn)行了模擬低電壓情況下的帶載試驗(yàn)。根據(jù)電網(wǎng)低電壓穿越情況和給煤機(jī)設(shè)置情況，依據(jù)DL/T 1648—2016《發(fā)電廠及輔機(jī)變頻器高低電壓穿越技術(shù)規(guī)范》，分別針對(duì)3種低電壓穿越區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)。

(1)變頻器持續(xù)低電壓穿越區(qū)：變頻器電源進(jìn)線電壓幅值小于額定電壓，且大于或等于90%額定電壓，持續(xù)時(shí)間5 s以上的電壓及時(shí)間區(qū)域。當(dāng)變頻器電源進(jìn)線電壓跌至該區(qū)域，變頻器應(yīng)可靠供電，保障對(duì)象安全運(yùn)行。

(2)變頻器短時(shí)低電壓穿越區(qū)：變頻器電源進(jìn)線電壓幅值小于額定電壓，且大于或等于60%額定電壓，持續(xù)時(shí)間不大于5 s的電壓及時(shí)間區(qū)域。當(dāng)變頻器電源進(jìn)線電壓跌至該區(qū)域，變頻器應(yīng)可靠供電，保障對(duì)象安全運(yùn)行。

(3)變頻器瞬時(shí)低電壓穿越區(qū)：變頻器電源進(jìn)線電壓幅值小于額定電壓，且大于或等于20%額定電壓，持續(xù)時(shí)間不大于0.5 s的電壓及時(shí)間區(qū)域。當(dāng)變頻器電源進(jìn)線電壓跌至該區(qū)域，變頻器應(yīng)可靠供電，保障對(duì)象安全運(yùn)行。

在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，每種變頻器所能承受的最低電壓不相同，當(dāng)電壓暫降至一定值后，會(huì)出現(xiàn)變頻器失電停止運(yùn)行的情況。

系統(tǒng)電壓位于持續(xù)低電壓穿越區(qū)時(shí)，所有試驗(yàn)型號(hào)的變頻器都能夠滿足規(guī)范要求，在6 s內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)系統(tǒng)沒(méi)有任何影響。系統(tǒng)電壓位于變頻器短時(shí)低電壓穿越區(qū)時(shí)，持續(xù)時(shí)間不大于5 s，通過(guò)調(diào)整變頻器運(yùn)行參數(shù)，部分變頻器能夠保證給煤機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)電壓位于變頻器瞬時(shí)低電壓穿越區(qū)時(shí)，部分變頻器，如ABB的ACS550，在系統(tǒng)電壓低于60%額定電壓時(shí)會(huì)出現(xiàn)短時(shí)失電，無(wú)法保持運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)，導(dǎo)致給煤機(jī)控制器認(rèn)為變頻器故障停運(yùn)，變頻器不會(huì)重新自啟動(dòng)；高端變頻器，如安川的H1000，在達(dá)到瞬時(shí)低電壓穿越區(qū)極限值時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)失電停運(yùn)現(xiàn)象，變頻器能夠處于帶電運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)電源電壓恢復(fù)正常后變頻器能夠繼續(xù)穩(wěn)定輸出電壓。

當(dāng)系統(tǒng)電壓低于變頻器瞬時(shí)低電壓穿越區(qū)一定時(shí)間后(持續(xù)時(shí)間大大超過(guò)0.5 s)，如安川H1000在電壓低于15%額定電壓一定時(shí)間后，也必然會(huì)出現(xiàn)類似ACS550變頻器的失電停運(yùn)現(xiàn)象。此種情況下，掉電自啟動(dòng)設(shè)置將會(huì)失去重啟作用，應(yīng)在給煤機(jī)控制邏輯中引入其他失電判斷條件，如引入動(dòng)力電源監(jiān)視繼電器，判斷變頻器電源發(fā)生低電壓情況時(shí)，延時(shí)一定時(shí)間觸發(fā)給煤機(jī)啟動(dòng)指令，如果低電壓時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，應(yīng)觸發(fā)給煤機(jī)停運(yùn)指令，以保證給煤機(jī)長(zhǎng)時(shí)間欠電壓后不會(huì)再啟動(dòng)[7-8]。

5 結(jié)束語(yǔ)

給煤機(jī)、磨煤機(jī)日常運(yùn)行數(shù)據(jù)及試驗(yàn)說(shuō)明，對(duì)于大型火力發(fā)電機(jī)組正壓直吹式制粉系統(tǒng)，可通過(guò)磨煤機(jī)內(nèi)積存的煤來(lái)支持一定時(shí)間的燃燒，可實(shí)現(xiàn)給煤機(jī)變頻器在低電壓情況下短暫停運(yùn)后自啟動(dòng)，對(duì)鍋爐燃燒系統(tǒng)不會(huì)有任何影響。本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，證明可通過(guò)設(shè)置低電壓情況下自啟動(dòng)功能和在控制邏輯中引入其他失電判斷條件，實(shí)現(xiàn)給煤機(jī)變頻器低電壓穿越。