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普傳變頻器在大型火電廠直接空冷系統(tǒng)中的應(yīng)用
1 引言
火電裝機容量的持續(xù)增長為電站空冷系統(tǒng)提供了良好外部市場環(huán)境。2006年全國新增電力裝機容量10097萬千瓦，其中火電9028萬千瓦，根據(jù)發(fā)改委規(guī)劃,，2010年底全國裝機容量將超過8．4億千瓦，預計2007－2010年之間，年均新增裝機容量8000萬千瓦,，其中火電占比為70％左右。
國家規(guī)定在北方缺水地區(qū)新建燃煤發(fā)電項目時必須采用空冷機組,，供水水源禁止采用地下水,，嚴格控制使用地表水,，充分利用污水再生水及礦坑排水?！笆晃?期間,，西北富煤缺水地區(qū)電源基地建設(shè)步伐加快，預計到“十一•五"末該區(qū)域?qū)⑿略?000萬kW火電裝機,，這將直接刺激電站空冷設(shè)備的需求,。 隨著國家對電力供應(yīng)日益增漲的需求與環(huán)境條件制約的要求，一方面在我國煤炭資源豐富的西北地區(qū)將建設(shè)一大批大型坑口電站,，以緩和電力供應(yīng)緊張壓力和促進地方經(jīng)濟發(fā)展要求,，另一方面這些地區(qū)都是干旱缺水地區(qū)，為節(jié)約珍貴的水資源,，實現(xiàn)真正意義上的綠色GDP增長,，對于需要大量冷卻水源的燃煤發(fā)電廠，勢必要改變其傳統(tǒng)的汽輪機排汽冷卻方式,。直接空冷技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展,，使得這一需求變?yōu)榭赡埽矠樽冾l器在燃煤發(fā)電廠空冷機組的推廣應(yīng)用提供廣闊的前景,。作為致力于“節(jié)能減排,，可持續(xù)發(fā)展"的變頻器專業(yè)制造商，普傳科技開發(fā)的專用變頻器成功應(yīng)用電廠空冷島項目,，具有很好示范作用,。
2 直接空冷工藝要求簡介
凝汽設(shè)備在電站熱力系統(tǒng)中的主要功能是保證汽輪機排汽不斷凝結(jié)成水。凝汽器與真空抽氣裝置一起工作,，以維持汽輪機排汽缸和凝汽器內(nèi)的真空,，并把凝結(jié)水回收，作為鍋爐的補給水,。按蒸汽的不同冷卻方式分類,，電站凝汽器可以分為水冷式凝汽器和空冷式凝汽器。目前,，國內(nèi)外空冷電站分為兩大類,，一是間接空氣冷卻系統(tǒng)，二是直接空氣冷卻系統(tǒng),。所謂直接空冷是指將汽輪機的排汽氣直接用空氣來冷凝,，可減少常規(guī)二次換熱所需要的中間冷卻介質(zhì),換熱溫差大,效果好，故直接空冷系統(tǒng)可避免濕式冷卻系統(tǒng)的蒸發(fā),、風吹和排污損失的水量,，因而直接空冷系統(tǒng)以其技術(shù)成熟、調(diào)節(jié)方便,、節(jié)水效果明顯在干旱地區(qū)得到較快的推廣,。
直接空冷系統(tǒng)是指汽輪機排汽在空冷凝汽器的翅片管束中被空氣冷卻而凝結(jié)成水,，排汽與空氣之間的熱交換是在表面式空冷凝汽器內(nèi)完成的。 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DCS集散控制系統(tǒng),，實現(xiàn)對這四套系統(tǒng)的自動檢測,、自動調(diào)節(jié)、順序控制,、自動保護等自動控制功能,，其工作原理示意圖如圖所示。
1－汽輪機,；2－空冷凝汽器,；3－凝結(jié)水泵；4－發(fā)電機,；5－凝結(jié)水箱,；
6－低壓加熱器；7－除氧器,；8－給水泵,；9－高壓加熱器；10－鍋爐,。
直接空冷系統(tǒng)的優(yōu)勢
（1） 采用直接空冷系統(tǒng),，可以大量節(jié)約電廠用水：直接空冷系統(tǒng)是可以大量節(jié)水，從而可使電廠選址不受水源限制,。在水冷凝汽器發(fā)電機組中,，耗水量的90 %以上是在冷卻塔中蒸發(fā)掉的。直接空冷凝汽器采用空氣冷卻管束內(nèi)的飽和蒸汽,，省去了作為中間冷卻介質(zhì)的循環(huán)水,。因此，采用直接空冷凝汽器系統(tǒng)的機組比水冷凝汽器發(fā)電機組節(jié)水約90 %,。對于一臺600 MW空冷電站,，整個電站節(jié)水量在2000 t/h以上。
（2）通過優(yōu)化設(shè)計,，減少了系統(tǒng)占地面積：在水冷凝汽器系統(tǒng)中,，循環(huán)冷卻水塔和循環(huán)水泵房要單獨占用一定的建設(shè)用地,。采用直接空冷凝汽器的空冷系統(tǒng)可通過優(yōu)化設(shè)計,，將上述用地全部省掉,。
（3） 由于蒸汽與空氣通過翅片管束直接進行熱交換，省去了中間介質(zhì)和二次換熱,，綜合換熱效率提高,，運行更經(jīng)濟。
（4） 直接空冷電站具有較高的社會效益和與水冷凝汽器機組可比的經(jīng)濟性：隨著水源的日益緊張和水價的不斷提高以及環(huán)保要求的日趨嚴格,，使用直接空冷凝汽器也就成為缺水富煤地區(qū)興建電廠,。
（5） 運行方式方便可靠：火電廠直接空冷凝汽器系統(tǒng)均分為幾個空冷單元且均裝有隔離閥，所以設(shè)備出現(xiàn)問題時關(guān)閉隔離閥可以安全地將故障設(shè)備與運行系統(tǒng)隔離,；又因為每個單元分成若干組管束,，每個單元配1臺冷卻風機，風機可以采用三速風機或者變頻風機,，所以運行時可以通過降低風機轉(zhuǎn)速或停運風機等方法,，調(diào)節(jié)某一單元和某一組管束的負荷，控制其凝結(jié)水的過冷度和汽輪機背壓,。
3 項目概況
本項目是作為國內(nèi)電站空冷設(shè)備制造的為內(nèi)蒙古自治區(qū)某地區(qū)2＊300MW火電機組工程直接空冷機組的系統(tǒng)項目,。每臺機組布置方式為5×6的風機30臺（軸流風機電機功率132kW），每列4臺順流風機,，1臺逆流風機,，均采用變頻控制。每臺風機配置一套變頻調(diào)速裝置,，共配60臺變頻調(diào)速裝置,。項目建成之后，對于緩解華北電網(wǎng)負荷緊張狀況,，保證京津冀地區(qū)工業(yè)生產(chǎn)需求.
4 空冷風機變頻控制系統(tǒng)的要求
4.1 空冷風機技術(shù)規(guī)范：
空冷風機將用于A型冷卻系統(tǒng)的強制通風,。風機位于風機橋架和驅(qū)動裝置下面，一個水平平面內(nèi)布置,，形成了龐大的軸流冷卻風機群,。。風機將在潮濕也許會產(chǎn)生腐蝕的環(huán)境條件下戶外運行,，能夠以最大速度連續(xù)或間斷的運行,，或者在反方向以50％額定速度連續(xù)或間斷的運行。 基于空冷機組冷凝系統(tǒng)工藝運行要求,。風機電機均為變頻控制,，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,。變頻控制柜通過硬接線和通訊與主DCS或空冷系統(tǒng)DCS相連接,，DCS能根據(jù)不同的蒸汽負荷和環(huán)境溫度控制風機啟停及轉(zhuǎn)速，使汽輪機的排汽壓力保持恒定。
4.2 對變頻器的具體要求
基本要求主要有以下幾方面：一是電壓和過載要求,，二是諧波的要求,，三是聯(lián)網(wǎng)控制。
1）變頻器單機均符合電網(wǎng)諧波標準IEEE519-1992要求,，變頻器為工程型變頻器,，同時含有V/F、無傳感器矢量,、磁通矢量三種控制算法,，變頻器中應(yīng)包含專用于風機泵類的參數(shù)，具有可調(diào)風機泵類曲線,。
2）由于軸流風機轉(zhuǎn)動慣量大,，變頻器必須滿足軸流風機的重載啟動與運行要求，過載力矩要求高于一般風機的應(yīng)用水平,；變頻器能夠?qū)崿F(xiàn)低速滿轉(zhuǎn)矩和最大200%的起動轉(zhuǎn)矩,；考慮到設(shè)備可能出現(xiàn)的過負荷情況，要求變頻器具備150% 1分鐘的過載能力,。變頻器要有在110%額定轉(zhuǎn)速下的連續(xù)運轉(zhuǎn)能力,，各項溫升滿足要求。
3） 較寬的頻率輸出范圍,，以滿足軸流風機在0～120%電機額定速度運行范圍的要求,；
（3）較寬的電壓波動范圍，滿足在電網(wǎng)電壓跌落到電機額定電壓80%左右時,，仍然能使軸流風機正常啟動的要求,；并且在電源電壓瞬時掉電以及在跌落50%～60%額定電壓水平時還能維持輸出，保持連續(xù)運行,；變頻器對電網(wǎng)電壓波動應(yīng)有±15%電壓波動范圍內(nèi)能滿載輸出,。變頻器具有浪涌吸收保護電路。
（4）諧波與電磁干擾（EMC）要求：變頻器要盡可能地降低其諧波電流成分,，使其輸出電流盡可能接近正弦波形,，以降低因大量集中使用變頻器而產(chǎn)生的對電網(wǎng)諧波干擾和對電氣設(shè)備的危害。變頻器輸出諧波電流失真小于3%,。變頻裝置輸出波形不會引起電機的諧振,，轉(zhuǎn)矩脈動小于0.1%。
（5）接口豐富：變頻器要有足夠輸入,、輸出端口,，并可根據(jù)需要擴展，以滿足各種控制命令,，信號傳送要求;并可根據(jù)DCS要求,，采用通訊方式控制,；
（6）控制方式多樣：變頻器要盡可能滿足風機類變轉(zhuǎn)矩負載應(yīng)用的要求，其控制方式要考慮V/F平方曲線特性,；在快速重啟時,，要能實現(xiàn)飛車啟動，縮短啟動時間,；采用磁通優(yōu)化控制，以實現(xiàn)負載較輕時,，自動調(diào)節(jié)勵磁電流,，降低功耗，提高效率,；
（7）保護功能齊全：變頻器對自身要具備有過熱保護,，功率器件保護，輸入輸出缺相,，直流母線過壓等自我保護措施;而對于電機,，變頻器要能提供電動機所需的過載、過流,、接地,、過壓、欠壓,、過熱,、缺相等保護，并可與電機PTC熱敏元件相連,，實現(xiàn)連鎖保護;變頻器要有遠程操作面板,，同時要求安裝在變頻控制柜柜門上，可以實現(xiàn)對風機就地變頻器控制的,，并顯示運行狀態(tài)和各種多個監(jiān)視數(shù)據(jù),，要有中英文顯示；
（8）變頻器要能根據(jù)電機的運行狀態(tài)自動地調(diào)整開關(guān)頻率,，動態(tài)地適應(yīng)電機噪音和溫升變化要求,。變頻器具備主動排風能力，且變頻器可以運行在-15?C～50?C之間不降容,。
本項目特殊要求：
1）變頻器應(yīng)采取高可靠性設(shè)計為免維護產(chǎn)品,，風機壽命應(yīng)達20000小時，主電容器壽命應(yīng)為50000小時,。變頻器平均*時間MTBF為60000小時,。
2）變頻器的轉(zhuǎn)矩控制精度±1%。轉(zhuǎn)矩控制的最大帶寬不低于2500rad/s,。
3）考慮到動力電源的穩(wěn)定性,，變頻器在一次電源失去后,，動力回路可以維持15ms滿載運行，邏輯控制回路典型可以維持2秒不跳閘,，在動力電源恢復后,，設(shè)備自動重啟，保證正常生產(chǎn),。變頻器應(yīng)具備此功能,，并可以實現(xiàn)自動重啟功能。
4）在廠用電切換或短時失電,，主電源恢復后,，變頻器在0.1秒-200秒（可設(shè)定）內(nèi)達到一定轉(zhuǎn)速（可設(shè)定），而不需要手動復位或調(diào)整,。
5）無論變頻器在手動或自動控制時,，在主電源、控制電源短時失電后,，變頻器仍保持失電前控制方式及狀態(tài),，而不需要手動復位或調(diào)整。
6）變頻器具有欠壓保護,，電壓值小于70%額定電壓時,，變頻器動作時間可設(shè)定（0秒-60秒），動作方式至少有四種以上方式可供選擇,。并且在電壓值低至額定電壓的65%時變頻器仍然可以降容運行,。
5 變頻控制裝置產(chǎn)品介紹
電廠工程2×300MW空冷機組的空冷系統(tǒng)軸流風機變頻驅(qū)動裝置，共計采用60臺（套）普傳科技PI7000系列變頻器及其相應(yīng)附件,。
PI7000F系列變頻器是普傳科技基于DSP實現(xiàn)高性能控制技術(shù)平臺推出的適用于各類風機水泵負載變轉(zhuǎn)矩應(yīng)用的變頻器,。該產(chǎn)品通過國家（國家電控配電設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心和中國汽車技術(shù)中心檢驗，符合GB12668國家標準特別是電磁兼容性的強制標準,，并通過省級科技成果鑒定,，2006年列為國家火炬計劃重點新產(chǎn)品。功率范圍0.75kW到630kW,，廣泛地應(yīng)用于各類工業(yè),，商業(yè)建筑的供水、通風,、暖通空調(diào),、水泥、供暖,、市政,、電廠等場合。
PI7000F系列變頻器作為專用變轉(zhuǎn)矩應(yīng)用變頻器,，有著較高的技術(shù)性能指標,，如寬廣電壓范圍380V-15%～480V+10%, 50Hz-5%～60+5%,，瞬態(tài)過轉(zhuǎn)矩達到130％的電機額定轉(zhuǎn)矩（達60s），最大瞬態(tài)電流達到120％的電機額定電流60s（典型值）,；最大頻率輸出范圍大2000Hz,,，*各類變轉(zhuǎn)矩應(yīng)用性能要求。
PI7000F系列變頻器有著非常豐富的風機泵類負載專用應(yīng)用功能,，如磁通優(yōu)化節(jié)能模式,，2點或5點V/F曲線，拋物線V/F曲線,，帶有速度檢測的自動捕捉旋轉(zhuǎn)負載飛車啟動,，內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器，具有預置PID給定,，多段預置速度，根據(jù)不同的轉(zhuǎn)速電流限幅自適應(yīng),，自動隨機調(diào)整開關(guān)頻率,可以有效地抑制電磁噪聲和諧振,，根據(jù)不同速度電流限幅自適應(yīng)，流體負載有無檢測,，零流量檢測,，流量限幅，休眠喚醒功能等,。
PI7000F系列變頻器標準配置可編程邏輯輸入和模擬輸入,，兩個可編程繼電器輸出，一個可編程模擬輸入,，更可通過擴展卡增加更多的邏輯和模擬輸入輸出端子,，以便靈活地進行多地控制和監(jiān)控；其標準配置支持CAN協(xié)議,。內(nèi)置EMC濾波器,，還可安裝附加射頻干擾濾波器，可有效抑制電子干擾,，使其不影響周圍的電氣設(shè)備,。內(nèi)置直流電抗器，可以有效削弱變頻器產(chǎn)生的諧波電流至標準允許的范圍之內(nèi),，從而不會對供電電網(wǎng)和設(shè)備產(chǎn)生不利影響,。
6 結(jié)束語
空冷島設(shè)備對于保證火電機組的穩(wěn)定安全運行起到重要作用，合理選擇變頻器及其配套系統(tǒng),，對于提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性,，保護電機，降低諧波,，有著積極的意義,，采用變頻控制空冷機組軸流風機,，也將以調(diào)節(jié)方便，安全及時等特點為空冷機組提供良好的運營保障,。根據(jù)規(guī)劃,，在新增5600萬千瓦火電機組中有60％左右將在缺水的西部和華北地區(qū)，預計每年全部新增火電機組中將有50％左右將使用空冷器,，即將有2800萬千瓦新增火電機組使用空冷器,，對應(yīng)未來3年年均市場規(guī)模將高達80－100億元，變頻器應(yīng)用前景廣闊,。