变频器在火力发电厂直接空冷系统中的应用

变频器在火力发电厂直接空冷系统中的应用周爽西北电力设计院摘要：介绍了目前火力发电厂直接空冷系统的现状，变频器应用的可行性和必要性及变频器选择的常规要求。

关键词：直接空冷冷却风机变频器Application of Frequency Transformers in Direct Air Cooled CondenserSystem of Thermal Power PlantZhou ShuangAbstract: This paper introduces the actuality of Direct Air Cooled Condenser System in thermal power plant, feasibility and necessity of the application of Frequency Transformer. It provides routine requisitions for selection of Frequency Transformer.Keywords: direct air cooled cooling fan frequency transformer1 引言随着我国西部大开发的开展，我国北部地区山西、陕西、宁夏、内蒙古四省区的电力工业得到迅猛发展。

这些地区的特点是煤炭资源丰富、水资源匮乏，直接空冷系统因其节水效果显著、可调效果好、技术日趋成熟而成为这些地区利用丰富的煤炭资源和有限的水资源发展火电的首选方案之一。

因此在我国山西、陕西、宁夏、内蒙古等产煤区新建的300 MW及以上机组的电厂多采用了空冷技术。

空冷系统是指汽轮机的排汽或凝结排汽的冷却水被送入由翅片管束组成的冷却器管内，由横掠翅片管外侧的空气进行凝结或冷却的整个过程。

冷却器管内流体不与空气直接接触，而湿式冷却的塔内空气直接与冷却水接触并靠蒸发和对流冷却，故空冷系统可节省湿式冷却系统的蒸发、风吹和排污损失的水量，达到节约水资源的目的。

空冷系统分为直接空冷系统和间接空冷系统。

直接空冷系统根据通风方式分为机械通风和自然通风。

间接空冷系统根据配用的凝汽器分为表面式凝汽器和混合式凝汽器。

综合比较而言，直接空冷系统具有冷却效率高、占地面积小、投资较省、系统调节灵活、冬季运行防冻性能好等特点，目前国内正在进行的空冷电厂大多采用机械通风直接空冷系统。

2 直接空冷系统简要原理及冷却风机配置概述直接空冷是指汽轮机的排汽直接用空气来冷凝，空气与蒸汽间进行热交换。

所需的冷却空气由机械通风方式供应，即机械通风直接空冷系统。

该系统以布置在主厂房外的空气冷却凝汽器（air cooled condenser 简称ACC ）代替常规机组布置在汽轮机下方的常规水冷却凝汽器，汽轮机的排汽直接用空气冷凝，空气与蒸汽间进行热交换。

凝汽器由许多翅片管组成，汽轮机排汽通过排气管道送至室外的空气冷却凝汽器内，轴流冷却风机使空气流过凝汽器翅片管束的外表面，将排汽冷凝成水，凝结水靠重力自流汇集于布置在下方的凝水箱内，由凝结水泵送回汽轮机的回热系统。

机械通风直接空冷系统的热力系统简图见图1。

图1 机械通风直接空冷系统的热力系统简图空冷凝汽器系统（简称ACC ）由若干台空冷凝汽器构成，每台空冷凝汽器配置一台轴流风机，安装在汽机房A 排外高度为20~45 m 的空冷平台上。

表1为国内某电厂单台300 MW/600 MW 直接空冷机组轴流冷却风机、电机配置情况：表1 机械通风直接空冷机组风机、电机配置例表轴流冷却风机在一个水平平面内布置，形成庞大的轴流冷却风机群。

风机电机通常均为变频控制，变频调速装置通过硬接线和通讯方式与电厂DCS相连，DCS根据不同的蒸汽负荷和环境温度控制风机启停及转速，使汽轮机的排汽压力保持恒定。

3 变频器在空冷凝汽器系统中的应用风机电机采用变频控制，原因主要有以下几点：节能；软启动；控制方便变频节能。

对风机的部分指标进行控制和调节以适应工艺要求和运行工况，以往最常用的控制手段是调节风门、挡板开度的大小等来调整受控对象。

这样，不论生产的需求大小，风机均全速运转，而运行工况的变化则使得能量以风门、挡板等的节流损失消耗。

在生产过程中，不仅控制精度受到限制，而且还造成大量能源浪费和设备损耗。

从而导致生产成本增加，设备使用寿命缩短，设备维护、维修费用高居不下。

对于直接空冷系统庞大的轴流冷却风机群而言，继续采用传统的方法调控显然是不可行的。

由流体力学可知，P（功率）=Q（流量）×H（压力），流量Q与电机转速n一次方成正比，即Q∝n；水压H与电机转速n二次方成正比，即P∝n²。

功率P与电机转速n三次方成正比，即P∝n³。

如果效率一定，当要求调节流量下降时，转速n可成比例的下降，则轴输出功率P成立方关系下降，即电机的耗电功率与转速近似成立方比的关系。

降低风机的转速，可以使流量成正比的减少；压力成平方关系减少；轴功率成立方关系降低，因而节电效果显著。

风机转速与流量、压力和轴功率的关系见表2。

表2 风机转速与流量、压力和轴功率的关系表设节电率在15%～25%左右，以110 kW电机为例，年节约电费估算见表3。

其中，用电度数计算公式：380V（电压）×200A（电流）×0.87(功率因数) ×24(小时)×1.732×330(年工作天数)= 906 997（kW·h）；电费按每kW·h 0.40元计算：906 997×0.40=362 798元。

表3 110 kW电机年节约电费估算表因此，根据空冷机组运行不同的蒸汽负荷及环境温度，通过变频器调节空冷轴流冷却风机转速、控制起停在节能方面的效益是显而易见的。

1）软启动。

风机类设备多数采用异步电动机直接启动或Y/D启动的方式运行，存在启动电流大、机械冲击、电气保护特性差等缺点。

不仅影响设备使用寿命，而且当负载出现机械故障时不能瞬间动作保护设备，会出现风机损坏、电机被烧毁的现象。

对于空冷系统的轴流冷却风机群的成组启动，直接启动产生的启动电流约为（４~7）倍额定电流，会对电网容量要求过高、且对供电电网及其机电设备造成严重冲击，这些都是值得关注的问题。

根据电动机的特性可知电动机的调速原理；异步电动机输出轴转速（简称电机转速）为n=(1-s)×60×f/p（r/min）式中：n为电动机同步转速；f为电动机定子供电频率；p为电动机极对数；s=(n0-n)/n0；s为转差率；显然，改变公式中的参数f，p和s，即可改变电机的转速。

变频调速就是通过均匀地改变定子供电频率f，平滑地改变电动机的转速，并且在调速过程中，从高速到低速均能保持有限的转差率，因而具有高效率、宽范围和高精度的调速性能，以及足够强度的机械特性。

变频调速在改变输出频率的同时也改变了电压，也就是改变了电机运行曲线上的n0，使电机运行曲线平行下移；电动机可在很低的频率和电压下启动，逐渐提高供电频率和电压，使之以较小的启动电流、最大转矩（电机启动转矩可达到其最大转矩，即变频器可用于启动重载负荷）无冲击启动。

显然，变频调速在调速控制的同时实现了电动机“软启动”功能。

利用变频调速的这种“软启动”功能将使电动机启动电流从零开始、最大值不超过设定电流（如额定电流），降低了对电网的冲击和对供电容量的要求，减轻了启动机械转矩对电动机的机械损伤，延长了设备的使用寿命，节省了设备的维护费用。

另外，风机经常在需要的低转速下运行，噪声和磨损都比额定转速低，有利于环境保护、降低维修费用并延长了空冷器的寿命。

2）控制方便。

轴流冷却风机经变频器控制可以在（20％～110％）额定转速运行，变频调速装置通过硬接线和通讯方式与电厂DCS相连，直接空冷系统的调节与控制纳入DCS系统，在各种工况下满足汽轮机需要的运行条件，操作简便、控制灵活。

直接空冷的控制系统主要包括下列内容。

①模拟量控制包括：汽轮机背压控制、空冷凝汽器出口凝结水量控制、空冷凝汽器热井（凝结水箱）水位控制。

背压控制采用变频器可以实现风机转速的无级调整。

②直接空冷系统作为一个顺控功能组在DCS 中实现，完成空冷系统的启动、停止、低负荷运行以及防冻保护等运行过程。

4 空冷凝汽器系统变频器的技术要求空冷系统冷却风机不同于普通的风机，对变频器（即变频调速装置）有较高的要求，其技术要求通常应包括以下内容。

1）变频调速装置应具有良好的调节性能，频率范围在旋转速度的0～110%之内，能根据负荷的变化及时有效地实现调节，满足风机驱动系统的运行和由电机、齿轮箱、电缆及滤波器导致的功率损失考虑在内，并具有一定的短时过载能力。

2）变频调速装置通常采用柜装方式，其布置应充分考虑元件发热因素，设置散热空间距离及风冷通道，相应装设排气扇等机械通风装置。

3）系统电源的瞬间闪变不应导致变频调速装置的停机；额定运行工况下，使用变频调速装置后电动机不降出力。

4）变频调速装置应能接受电厂机组分散控制系统DCS或其它控制系统的控制指令，并反馈变频装置的主要状态信号和故障报警信号；变频调速装置应具有与机组分散控制系统DCS及厂用通信管理系统的通讯接口，支持约定的通讯协议。

5）变频调速装置应采取措施减少运行噪声，抑制变频调速装置发出的电磁干扰对电力系统的影响。

变频调速系统产生的谐波应满足“GB/T 14549电能质量公用电网谐波” 及“IEEE519”标准的规定。

变频调速装置应考虑将对电网谐波影响减至最小的措施，并应保证对本体控制系统就地控制柜无谐波影响。

6）变频调速装置至少能提供以下保护功能及设备：进线电源失压、整流器/逆变器过流、电动机过流、电动机过压/低压、电动机失速/堵转、接地故障、控制器外壳超温、电动机过负荷、电源缺相等。

7）变频调速装置应具有故障自诊断功能，能对所发生的故障类型及故障位置提供指示、能在就地显示并远方报警。

8）变频调速装置控制系统应采用数字微处理器控制器，具有就地/远方监控方式。

在就地监控方式下，通过变频器上的触摸式键盘和LCD/LED 显示，可进行就地人工启动、停止变频器，可以调整转速、频率；并且应提供一套易于使用的分析测试程序，用于故障分析。

9）变频调速装置就地能显示以下信号：电源打开、风机运行、风机停止、风机故障（热磁保护）、风机组不可用、总故障等；就地操作装置包括：远方/就地选择开关、风机运行按钮（或按键）、风机停止按钮（或按键）、状态确认按钮（或按键）、报警确认按钮（或按键）等。

10）变频调速装置至电动机之间联络电缆应考虑抑制电磁波的辐射和传导以及谐波影响，通常采用屏蔽电缆；变频调速装置至电动机之间电缆大于150 m时变频调速装置应采取抑制谐波的措施（如内置输出电抗器等）。