火电厂辅机的变频改造及控制可靠性
发布日期：2016-05-03 来源：《上海设备管理》
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在火力发电厂中，泵与风机是主要的耗电设备，其电耗约占发电机组厂用电的75%。大型辅机大都采用定速泵，效率在设计工况点附近较高，而机组常常需要在偏离设计点的低负荷段运行，效率下降，厂用电率增加，因此辅机节能的潜力很大。变频调速在较宽的负荷范围具有高的调节效率，随着高压变频技术的日渐成熟，大功率变频器性价比的逐步提高，已成为泵与风机节能的重要手段。火电厂对主要辅机进行变频改造后，可实现辅机节能运行，但对辅机回路而言，则多了一个环节，增加了一个可能的故障点。如何提高变频器及相关回路的可靠性，使变频器及相关回路在出现故障时对机组影响最小，显得十分重要。
本文结合多台机组的工程实践，针对不同的辅机对象，分析逻辑设计中需要重点关注的内容，介绍了在提高可靠性方面的注意事项，期望能对电站辅机的变频改造起到借鉴作用。
一、辅机变频改造的方案比较
火电厂实施变频改造的大型风机主要是锅炉侧的送风机、吸风机、增压风机、一次风机等，大型水泵主要是凝泵、闭式泵等，也包括一些机组全电泵配置的给水泵。根据辅机是否有备用，可以分为两类，一类是无备用的辅机，如双列布置的锅炉风烟系统的送/吸风机、一次风机；另一类是有备用的辅机，如两台100%容量的凝泵。
对于无备用辅机，在变频改造时，变频器通常是一拖一配置，如两台吸风机分别配置两台变频器。对于有备用的辅机，变频器方案可以多样，如两台100%容量的凝泵，可以一拖一配置，两台凝泵分别配置两台变频器，也可以仅一台凝泵改变频，另一台仍工频，但更多的是采用变频器一拖二配置，两台凝泵共用一套变频装置。
对于辅机变频的不同方案，配套的分散控制系统（DCS）的控制逻辑会有较大的差异，但基础功能的控制逻辑是类似的，如需要增加变频器与DCS的接口信号，需要增加变频辅机有关的基本操作功能，包括变频泵或风机的启/停控制、转速控制和操作显示等，修改变频辅机的启停许可条件、联锁保护条件等。
二、辅机变频改造的关键控制技术
在辅机实施变频改造后，机组DCS配套控制策略的合理性对变频改造的可靠性有很大影响。下面针对辅机正常运行工况和故障工况，探讨DCS的控制策略与功能设计。
1、变频运行的控制原则与策略
从节能角度看，辅机采用变频后，泵或风机对应的调门或档板应尽量开足，调门或档板原先的控制任务移交给变频器，这是辅机变频改造后控制策略的基本原则。如送风机、吸风机、一次风机采用变频后，正常运行时静叶（或动叶）应尽量保持全开，完全由变频器转速调节送风量、炉膛负压和一次风压。
但是，尽管阀门全开最节能，但有些工况下全开却不能满足工艺的需求，例如凝泵变频后，仍需要保证一定的凝结水母管压力（这由凝结水用户的需求决定），有些机组就采用了如下控制方式：凝泵变频器调节除氧器水位，凝泵出口调门调节凝结水母管压力，结果是水位与压力相互耦合，导致系统很不稳定，这是典型的错误控制方式。实际上凝结水压力不需要控制在某个压力点，仅需要限制不低于允许的最小压力，即限压而不是控压。
变频凝泵与凝泵出口调门的控制中，变频器转速投自动后控制水位偏差，并兼顾最低的母管压力，凝泵出口调门采用开环控制，其开度指令是负荷的函数，高负荷时对应的开度较大（包括全开），低负荷时对应的开度相对较小，间接保证了母管压力。
2、变频故障时的变工频自动切换
工频、变频切换功能包括正常的切换功能（也称有准备切换）和故障下的切换功能（也称无准备切换）。正常工况下的泵或风机由工频切至变频、由变频切至工频，通常是由运行人员手动完成或者DCS顺控逻辑完成。
对于无备用的辅机，当变频器发生故障，应该考虑自动由变频切至工频，这种无准备的自动切换是一个重要功能。但事实上，在有些机组风机变频改造中，当变频器重故障时，没有考虑变频切工频的功能，直接触发辅机跳闸。这种改造一定程度上降低了机组运行的可靠性，即使机组具备负荷快减（RB）的功能，机组负荷与参数肯定会大幅波动，况且还有RB不成功的风险。
某900MW机组一次风机变频改造中，设计了变频故障时的变工频自动切换，2012年机组实际运行中发生过两次变频器重故障，均成功切至工频，一次风机未跳闸，机组扰动很小。该厂6号机组满负荷运行中有一台一次风机的变频器因重故障切至工频，另一台风机变频器频率也升至50Hz，两台一次风机静叶按设定速率关至负荷对应位置，过程中一次风压平稳，机组负荷始终在900MW左右。
变频器故障切工频功能设计中，应充分考虑相互间的匹配动作，应注意如下几点。
（1）变频器故障后首先断开其进、出口开关，然后延时几秒合上工频开关。具体的延时时间可由试验最终确定，即要保证电机安全，也要满足风压变化不超限。
（2）以一次风机为例，在断开变频器进、出口开关的同时，故障的一次风机的静叶应快速关至该负荷下对应的开度，到达正常开度后切至静叶的压力控制。故障风机升工频的同时，正常风机也必须同时升至工频，其静叶也快速关至工频时该负荷下对应的开度，再切至一次风机静叶的压力控制，以防止两侧抢风现象。
（3）对照历史曲线，记录原先工频时不同负荷下调门或静叶对应的开度十分重要。对于凝泵，基本上可以一步动作到位，非常有利于后续调节。对于风机，尽管由于不同负荷下静叶开度与煤种、环境温度等有较大关系，可能不太准确，但动作趋势肯定正确的，仍能够快速到达新的平衡点附近，同样有利于后续调节，当然若跟踪的开度指令信号能考虑环境温度等因素则效果更好。
对于有备用的辅机，若变频器故障等原因引起运行辅机跳闸，将自动启动备用泵，相应调门的配合动作与上述描述类似，关键也是调门开度与辅机转速间的匹配动作，以防止辅机超出力跳闸或工艺参数越限。
3、RB工况时的控制策略
对于无备用的辅机，若变频器故障时切工频失败，或者泵、风机自身故障，机组将触发RB。RB的逻辑判断条件，必须要躲过变频切工频的时间，以风机为例，若发生变频器故障，先切换至工频，当切换失败，再触发风机RB。
RB发生后，另一台正常运行辅机的动作至关重要，尤其是锅炉炉膛负压、一次风压，这种需要快速调节的回路。如发生吸风机RB时，正常运行吸风机的频率必须快速升至50Hz，若原先正常运行的吸风机静叶不在全开位置，可超驰增加一定的开度（以风机不超电流为限），而跳闸吸风机的静叶应全关。
某1000MW机组在实际运行中变频吸风机发生RB时，负荷在970MW左右，吸风机B 故障跳闸，吸风机A变频指令由42.8Hz快速升高至50Hz，炉膛负压先升高，最高升至1235Pa，后下降，最低降至-917Pa，之后很快地恢复平稳，RB性能总体良好。
吸风机A变频指令与实际频率间存在偏差，如果RB发生时负荷较低，将会更加明显，这是因为变频器频率变化有速率限制。根据变频器厂商推荐，对该变频器的速率设置如下：0Hz至50Hz需50s，50Hz至0Hz需200s，而吸风机静叶全量程变化是30s，快于变频器的变化速率。
吸风机改变频后，若发生送风机、给水泵等RB工况时，变频器速率受限制也将对炉膛负压的控制带来不利的影响，因此，发生送风机RB时（若不联跳吸风机），建议吸风机静叶（动叶）超驰关至某一开度，以弥补变频器转速降低速率较慢的不足。
增减速率较慢是大型变频器的普遍现象，对调节的影响应引起关注，应考虑故障工况下参数大扰动的应对措施。
三、辅机变频改造的试验安排
变频改造通常是结合机组检修完成，如何安排试验内容也值得重视。辅机变频改造后的试验可分为冷态试验和热态试验。
1、冷态试验
为了安全起见，在机组改造后首次点火前应安排冷态试验。除了基本的操作功能外，冷态试验还应包括：变频器转速回路投自动并进行参数的初步设置，变频、工频间的正常切换与故障切换，备用辅机的自启动或者RB功能的冷态试验等。通过冷态试验，大大减少机组启动后热态试验的风险。
以吸风机变频为例，在冷态试验时，建议安排炉膛负压设定值扰动、送风量外扰动试验，初步设置吸风机变频回路的控制参数，还建议模拟吸风机跳闸、模拟送风机跳闸，考验相关回路的动作及炉膛负压的变化。
2、热态试验
机组点火启动带负荷后，应进行相应的热态试验，重点是在全负荷段优化变频器转速自动回路的性能，并结合机组实际的运行情况，挖掘潜力，使节能效果达到最优。
以吸风机变频为例，在热态试验时，通过炉膛负压设定值扰动、变负荷等试验，优化变频控制参数，提高炉膛负压的控制品质，优化送、引风回路的匹配关系，提高风烟系统整体的调节性能。在条件允可时，可安排变频故障时的变工频切换试验，可安排机组ＲＢ的实动试验。
四、结语
随着对机组节能减排的要求越来越高，高压大功率变频技术的日渐成熟，越来越多的电站实施了大型辅机的变频节能改造。很多新建机组基建时已将变频辅机作为标准配置，辅机变频后的配套控制方案对机组的安全稳定运行非常重要。实践证明，根据变频辅机的特点及相应热力系统的特性，采用合理可靠的控制方案将大大提高辅机变频改造后机组运行的可靠性。
作者：姚 峻 祝建飞 上海明华电力技术工程有限公司
曹卫峰 上海漕泾发电有限责任公司
高 磊 上海外高桥第二发电有限责任公司
