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引风机变频基础知识


变频改造的提出背景
引风机是我公司燃煤锅炉烟气系统中的主要设备之一。通过控制引 风机入口静叶开度调节引风量,维持锅炉炉膛负压稳定。如果炉膛 负压太小,炉膛容易向外喷粉,既影响环境卫生,又可能危及设备 和操作人员的安全;负压太大,炉膛漏风量增大,增加了引风机的 电耗和烟气带来的热量损失。因此,控制引风量大小,稳定炉膛负 压值,对保证锅炉安全、经济运行具有十分重要的意义。 当发电机输出功率变化,锅炉负荷也需要相应调整,锅炉的送风量、 引风量随之变化,引风机出力调整通过改变风机的入口导叶角度来 调节。通过改变风机静叶的角度调节风量尽管比一般采用控制入口 挡板开度来实现风量的调节有一定的节能效果,但是节流损失仍然 很大,特别是低负荷时节流损失更大。其次静叶调节动作迟缓,与 脱硫增压风机系统在变负荷调节过程式响应速度慢,容易引起系统 振荡、负荷相应迟滞等。另外,异步电动机在启动时启动电流一般 达到电机额定电流的6~8倍,对厂用电形成冲击影响电网稳定,同时 强大的冲击转矩对电机和风机的使用寿命存在很大的不利影响。

电气控制方式
锅炉引风机系统的电气一次动力回路采用一拖一自动工/变频切换方 案,单台机组系统主电气原理图如下,以1#机组为例。

注:#2机#1引风机开关编号为 QFA21、QFA22、 QFA23;#2机#2 引风机开关编号为 QFB21、QFB22、 QFB23。 上图中,QFIA、QFIB表示原有引风机高压开关;QFA11、QFB11表示 变频器输入侧电源开关;QFA12、QFB12表示变频器输出侧电源开关; QFA13、QFB13表示工频旁路电源开关;TF1、TF2表示高压变频器,M 表示引风机电动机。QFA11~QFA13、QFB11~QFB13、TF1~TF2均为新 增设备。其中,QFA12和QFA13、QFB12和QFB13之间存在电气互锁和 逻辑双重闭锁关系,防止变频器输出与10kV电源侧短路。

正常运行时,断开QFA13、闭合QFA11、QFA12高压真空断路器, 1#引风机处于变频运行状态;断开QFB13、闭合QFB11、QFB12高压真 空断路器,2#引风机处于变频运行状态;由变频器启/停设备,实现 引风机控制和电气保护。当机组运行过程中TF1变频器(TF2变频器) 故障时,系统自动联跳变频器上口的高压真空断路器QFA11 (QFB11),断开变频器输出侧高压真空断路器QFA12(QFB12)。系 统自动根据故障点位置判断是否能够切换至工频,并根据运行工况 启动引风机工频运行,转为采用入口静叶开度控制风量与另外一台 变频引风机协调运行。切实保障引风机变频器故障情况下的无扰切 换、无需锅炉降负荷运行。

该系统为实现工/变频自动切换功能,采用ABB真空断路器 (VD4M1212-40,电流符合规范要求)作为动作执行器件。同时,为提 高系统的安全性、可靠性,对高压真空断路器柜的控制逻辑进行整 体设计。主要包括以下几个方面: 1)对变频器上口高压真空断路器的合、分闸控制回路进行改造与 变频器实现联锁保护功能。当变频器不具备上电条件时,闭锁高压 真空断路器合闸允许回路,防止误送电;当变频器出现重故障时, 紧急联跳上口高压真空断路器,断开厂用10kV段侧电源,确保设备 安全。 2)变频器与下口高压真空断路器实现联锁功能。当变频器下口开关 没有合闸时,禁止变频器启动;当引风机变频运行时,下口开关异 常分断,变频系统发出运行异常信号,确保引风系统及时有效的采 取紧急处理措施。

3)变频器与上口高压真空断路器、下口高压真空断路器配合通过对 运行工况的实时监测处理,引风系统分级、分点地判断分析故障点 位置,确定10kV网侧、设备、引风机、负载等实际故障情况。通过 综合处理分析,实现故障情况下自诊断、自动处理的功能。在应急 情况下,确定引风机在变频运行跳闸时是否能够切换至工频运行。 4)配备同步电源快速切换装置,当系统判断故障点非引风机或电动 机故障时,快速完成引风机由变频向工频运行方式的转换,切换时 间为2~3秒,确保引风系统不失压。 5)为防止工/变频回路短路,在变频器下口高压真空断路器与工频 高压真空断路器之间存在互为闭锁的电气回路。在变频器上口高压 真空断路器与工频高压真空断路器之间存在互为闭锁的电气回路, 变频器下口高压真空断路器合闸后,方可闭合变频器上口高压真空 断路器。一方面通过电气硬连接实现,另一方面,通过引风系统逻 辑实现软连接;从两个不同的层面实现保护。

6)在变频器下口高压真空断路器与工频高压真空断路器之间存在接 地刀互为闭锁功能,防止设备运行或检修时误操作导致严重事故。 当单侧运行时,系统闭锁另一侧接地刀,禁止接地合闸;当一侧接 地刀合闸时,禁止引风机运行。 7)根据运行需要自动实现工频→变频和变频→工频运行方式的自由 切换。确保变频器故障情况下的退出,变频器恢复的平稳接入。 8)该系统开关、变频器等设备的控制及逻辑处理回路,就地远方均 可操作并切换,最终均由DCS控制。

引风机自动控制方案
引风机变频运行方式分为手动控制和炉膛负压PID调节自动控制两种。 正常情况下,#1、#2引风机投入变频运行,控制系统自动强制引风 机静叶到指定位置(约90%~100%),炉膛负压通过引风机转速控 制。 设置故障判断信号,当确认单侧引风机的故障点是在变频器本身, 而引风机动力系统正常的情况下,系统自动控制静叶开度和引风机 工频合闸时序,同时与另一台变频运行引风机协调控制维持炉膛负 压。从而保证炉膛内压力稳定,不能由于单侧引风机变频器故障影 响机组负荷。系统运行于一工一变模式时,炉膛负压调节系统通过 压力自适应平衡回路,实现#1、#2引风机两种不同控制对象条件下 的风量平衡。从而达到一台引风机变频调速,另一台引风机静叶调 整下,仍然能够实现机炉600MW的全负荷响应的控制要求。 当确认单台引风机非变频器本身故障跳闸时,系统自动识别故障点 位置,判别是否需要联跳变频器上口的高压真空断路器从而直接触 发RB或MFT。如果是引风机动力系统故障,则由引风机原有联锁动作 逻辑实现单侧引风机掉闸联跳单侧送风机,机组自动降负荷运行。 同时炉膛负压自动调节系统通过状态前馈自动调节炉膛压力。

系统恢复变频器运行时,可以关闭引风机出口挡板,依靠单台变频 引风机带锅炉50~70%的负荷。将引风机切换至变频运行方式,依 托变频器提供的飞车启动功能,在引风机没有完全停止的情况下恢 复设备运行,从而大大减少机组减负荷的时间。

针对高压变频器在引风系统中的应用,在系统的设计中还采取以下 几个措施: 1)炉膛压力调节系统设有防止锅炉内爆的措施。当锅炉发生燃料跳 闸时,由于灭火会引起炉膛压力大幅下降,容易引起内爆事故。因 此,调节系统中设计了与送风机指令成比例的前馈信号,通过指令 回路直接控制引风机转速。当锅炉发生燃料跳闸时,该指令回路立 即投入运行,产生一个最大可调的比率信号,快速减小引风机转速, 经过一定的时间后,比率信号自动降低至零,逐步恢复引风机转速 信号。从而,大大提高系统的安全性能。 2)当系统处于两台引风机变频运行时,系统闭锁静叶自动调节回路, 通过引风机变频转速调节炉膛压力。自动投入时静叶指令应开到预 定位置,保证引风机具有足够的调整空间。 3)系统处于两台工频引风机运行时,系统闭锁变频转速调节回路, 系统切换至工频控制回路。变频运行的状态和联锁逻辑全部切除, 避免在变频器检修和退出情况下,对运行系统产生影响,导致误动。

4)变频器应在设计上,减小引风机等大辅机设备启动对电网的影响, 变频器在瞬时断电3秒钟不停机,母线电压跌落35%降出力运行不停 机,电压正向波动15%范围内不跳闸;根据需要,还可设置短时停 电自启动功能。减少系统因电网波动引起非停的机会。

系统顺控逻辑方案
在变频故障状态下的切换控制逻辑。变频器故障时,系统能够将引 风机准确平稳的切至工频运行,同时控制引风机挡板实现锅炉炉膛 负压最小扰动量变化。在切换完成后恢复系统正常运行和控制。 1)引风机变频器运行自动切工频旁路(变频回路故障,非引风机故 障) 当系统判别是变频驱动回路的故障,且引风机、电动机正常时,立 即切除挡板的自动控制信号,发出挡板开度减小指令。当跳闸间隔 时间达到预期计算的切换时机时,自动操作合引风机工频旁路开关 (QF13),启动引风机工频运行。由于锅炉负荷不同,因此,在不 同的运行工况下,切换时机和挡板开度指令不同。从而,实现引风 机自动切换时,不会对炉膛负压带来较大的扰动,确保引风机由变 频切工频后炉膛负压波动±100PA范围;实现引风机切换过程中锅炉 运行的平稳过渡,机组负荷稳定、安全运行。 2)引风机变频器运行故障(引风机或电机故障) 当变频运行中发生故障,系统判别故障点发生在引风机或电动机负 载侧时,则不再进行变频向工频运行方式的自动切换。保持原有控 制逻辑不变。

3)引风机工频运行回切至变频运行状态(引风机变频驱动回路故障 恢复,设备投入) 当引风机变频器驱动回路的故障排除后,需要在锅炉运行过程中将 引风机切回变频运行方式。此时,系统首先闭合QFA11,保持QFA12 分断状态,将变频器投入至就绪状态,启动变频器并加速至50Hz, 将输出电压与电网电压锁相(调整输出电压与电网电压频率、幅值、 相位完全相同),然后断开QFA13,闭合QFA12,此时变频驱动电机 运行,完成工频至变频的同步切换。 切换完成后,逐渐降低运行频率,同时提高风门开度,直至风门到 达最大开度,变频投入过程全部完成。在切换过程中,由于电机始 终有电源供给,引风机时刻保持受控状态,因而不会造成炉膛负压 的任何波动,实现负载状态下的真正无扰切换。

4)引风系统一工一变运行(引风机变频驱动故障,工频运行投入) 当引风机判别是变频驱动回路的故障,且引风机、电动机正常时, 锅炉系统将切换为一工一变运行模式。在这种运行方式下,保证变 频引风和工频引风的烟气出口风压和风量基本平衡,保持甲、乙侧 引风管路的一致性。同时,确保系统具有良好的响应能力,在出现 事故的情况下及时动作,防止炉膛压力波动过大、严重时灭火等事 故。

综合保护装置的配置方案
保留原常规综合保护装置,因变频器可能旁路运行,常规保护作为 旁路运行时的保护。因原有常规保护作为变频器退出运行时电动机 的保护,所以其对应的整定原则可按照原有的整定原则来整定,因 为电动机的各种运行及故障时不会导致原有的保护误动作。工频方 式自动投入差动保护,变频方式自动退出差动保护,以免差动保护 误动作。

保护用宽频低频CT的配置方案
母 线 P T 1
断 路 器

综 保 装 置

C T 1

交 流 变 直 流 交 流 频 器

C S C 2 3 6 变 频 C T 2 电 机 保 护 装 置

M
C T 3

电 动 机

保护用宽频低频CT的配置方案
原开关柜的工频CT仍保留,用做旁路运行时原常规保护的保护CT; 变频器的下端即机端位置,需要增加新的宽频低频CT,用于变频差 动保护,考虑在变频运行时与中性点侧的宽频低频CT一起构成变频 差动保护;另外,此机端低频CT还是变频后备保护的采样CT,对变 频情况下的电动机提供完善的后备保护; 原中性点侧工频CT可以考虑替换为新的宽频低频CT,用于变频差动, 此时需要拆除原有的工频CT,同时也满足了装设新的低频CT的空间 要求;为了尽量减少对现场运行的影响,电厂现场实施中,也可以 采用保留原工频CT的做法,考虑在切换至工频运行时与开关柜的工 频CT一起构成差动保护,提供更大的差动保护范围。 机端新增的CT可以装设在变频器柜中,按照现场的情况来确定改造 方案;中性点新增的CT可以装设在原来的中性点CT柜里,如果空间 有限,可以单独放置。 母线通过变频器给电动机供电,需要安装的保护和需要采集的电流 如下图所示。利用CT2和CT3构成差动保护。

差动保护装置二次接线原理图
6kV 母 线

QF3

电 动 机 差 动 保 护 装 置

差 动 保 护 输 出 接 点

L1

L3

L5

M
L2 L4 L6

变频器冷却方式
采用空冷方式。空调的配置将满足夏季机组满负荷时冷却的需要。 环境温度的影响,制冷量需留有20%的余量。


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