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变频调速节能技术讲座(六)

发布日期:2017-07-05 浏览次数:486
    第一章 电力行业

       第四节  脱硫增压风机变频调速节能改造(下)

       4 增压风机的控制

       4.1 增压风机改造前的控制方式

   
改造前增压风机采用静叶调节,其控制方式:通过原烟气压力手动设定值与实际原烟气压力的偏差进行PID调节,控制增压风机的叶片角度,保证原烟气挡板前的压力稳定在设定值。

    为了防止一些小扰动,增加了一个原烟气压力手动设定值与实际原烟气压力偏差的死区,死区是在原烟气压力量程范围内的±5%。当偏差为正数时,PID调节是反调节;偏差为负数时,PID调节为正调节,用比例元件p011的参数——1000来解决正反调节的问题。正常运行中,当偏差绝对值小于0.5%35kPa)时,使用正常的比例带=1000,积分时间=10s;当被调量与设定值存在较大偏差时,偏差绝对值大于0.5%35kpa)时,及锅炉RB保护动作时,马上投入快速自适应块进行迅速调节。即采用变参数的方法,使用特殊的比例带=2000,以及积分时间=10s(时间可以根据需要调整),该比例带是个y=1.9095x+90.452函数曲线(其中y—比例带,x—偏差)。

    根据脱硫工艺系统的要求,在FGD装置出现下列异常情况时,必须通过FGD事故系统程序将旁路挡板自动打开:(1FGD跳闸;(2)主机事故跳闸信号;(3)原烟气压力大于300Pa或小于-850Pa,延时3s;(4)原烟气进口温度>150,延时10s;(5)原烟气粉尘量>180mg/nm3,延时3s。增压风机跳闸造成旁路挡板自动打开,原烟气压力波动达到保护动作值将导致FGD跳闸。改造后的控制方式采用变频调节,在变频器故障情况下,风机静叶调节投入自动。     4.2 增压风机母线电源开关QF控制策略

    在工频运行情况下,QF开关合闸必须满足各项脱硫系统工艺允许条件,如风机静叶全关、原烟/净烟挡板全开等。在投入变频运行情况下,除满足上述条件,还需要满足:工频旁路QF2有分闸状态、无合闸状态,变频器启动条件满足,无变频器故障报警开入量等。
    4.3 增压风机变频启动控制策略

    变频启动是在QF开关已经合闸情况下,投入变频器运行,其控制过程为:判断QF开关合闸,QF1KM1开关无保护异常,自动投入0.4kV预充电电源,从移相变二次绕组对移相变及变频器功率单元充电,检查充电电流波形,判断变频设备无异常,时间持续5s,后自动合入QF1KM1开关,变频器上高压电,按照运行人员预先给定频率开始逐渐升高输出频率。这样既可以避免变频器内部故障使得高压上电对变频器的损坏,同时减小移相变的励磁涌流,还可以避免功率单元电容器的充电冲击,有效延长电容器使用寿命。

    4.4 工频启动控制策略

    工频启动是在QF开关已经合闸情况下,直接投入电机运行,其控制过程为:当变频器不在检修状态时,判断QF开关合闸,QF1KM1开关有分闸状态、无合闸状态,QF2开关无保护异常;当变频器在检修状态时,由运行人员在DCS画面确认检修状态,逻辑上只判断QF1开关合闸,QF2开关无保护异常。

    4.5 变频调节控制策略

    DCS
工切变、增压风机工频状态、旁路挡板保护开的情况下,变频器调节投手动状态,原烟气压力手动设定值将直接等于实际原烟气压力。DCS工切变指令发出,且工频运行状态消失的情况下,变频器调节投自动状态,增压风机原烟气压力手动设定值保持切换前原烟气压力。

    4.6 静叶调节控制策略

    DCS
工切变、增压风机变频自动状态、旁路挡板保护开的情况下,风机静叶调节投手动状态,原烟气压力手动设定值将直接等于实际原烟气压力。DCS变切工、增压风机工频状态的情况下,风机静叶调节投自动状态:

    1)变切工过程中,当变切工指令发出时,增压风机原烟气压力手动设定值保持切换前原烟气压力,将增压风机静叶直接关到变切工之前锅炉风量对应的增压风机静叶开度。

    2)工切变过程中,当工切变指令发出时,保持增压风机静叶开度为切换前的开度。

    3)锅炉RB保护动作时,在RB动作信号发出30s内且旁路挡板处于关闭位置,将增压风机静叶直接关到当前锅炉风量对应的增压风机静叶开度。

    4)正常工频运行状态下,当处于自动状态时,通过原烟气压力手动设定值与实际原烟气压力的偏差进行PID调节。

    4.7 变频切换至工频的控制策略

    变频切换至工频有自动/手动两种方式,就地变频器发“重故障”跳闸后自动切换至工频旁路;手动切换可由DCS发出指令,也可通过就地变频器面板手柄操作。当变频切换至工频指令发出后,判断风机在变频运行状态,立即停止变频器输出,自动断开QF1KM1变频开关,延时3s发“变频停止”信号、合QF2工频开关。这样,一方面减小工频投入时的冲击电流,同时风机静叶开度在变频器跳闸同时开始逐步关闭到锅炉风量对应的增压风机静叶开度,并投入自动,减小了工频投入时原烟气压力及锅炉炉膛负压的波动。

    4.8 工频切换至变频的控制策略

    工频切换至变频只能通过DCS手动方式进行,DCS发出“工频切换至变频”指令后,判断工频开关QF2在合闸状态,立即启动变频器,变频器开始低压充电,延时4.7s断开QF2开关,5s充电完毕,自动合入QF1KM1变频开关,变频器开始输出。

    在工频切换至变频操作时,原先担心在风机惰走期间失压,导致原烟气压力反正,为此在逻辑中增加了增压风机静叶自动打开60%的指令,但在试验中发现此项改进有些多余,增压风机惰走需要3min,没有发生预想中的失压现象导致变频器启动后抽吸力过大,旁路挡板保护动作的情况。因此在热态试验中取消了打开增压风机静叶指令。当工切变操作指令发出4s内直接保持切换前增压风机静叶开度。

    4.9 脱硫增压风机与引风机的协调控制

    因为环保要求,很多机组都安装了脱硫装置,脱硫增压风机与引风机一样,都安装在锅炉的尾部烟道内,这样就必然会存在相互影响;并且脱硫增压风机位于靠近烟囱的烟道出口处,就必然会对引风机的运行造成极大的影响:增压风机的风门关小,引风机的风门就要开大,电功率就要增大,反之就会减小。

    所以在两种风机的运行控制中就要进行协调控制:两种风机应保持有相同的通流量(风量),做到按比例同步控制。最好是两种风机都采用变频调速控制,才能实现最好的协调控制,否则必然会影响到引风机变频调速的节能效果。

    现引风机多为静叶调节轴流式风机,脱硫增压风机多为动叶调节轴流式风机,两风机在机组滿负荷运行时,风机均可运行在各自的最高效率区内,风机运行效率均在85%左右。但低负荷时静调引风机的运行效率下降较快,而动调增压风机运行效率下降较慢。从目前滿负荷时增压风机运行工况点推算,当机组负荷降至60%时,增压风机的运行效率还可达70%左右。而引风机的运行效率仅有50%左右。为此建议:当脱硫系统旁路门关闭且密封性好的情况下,引风机尽可能保特在较大开度下运行, 最好在60%以上。这将造成增压风机入口为正压,降低增压风机的压升,减小增压风机开度,但其运行效率仍较高。使引风机和增压风机的总耗电降低。

    4.10 增压风机变频改造DCS控制逻辑
    增压风机变频改造的DCS控制逻辑设计关键主要在于:

    1)变频、工频在同一个电气主开关下;

    2)危急状况的联锁功能;

    3)操作员顺控“一键启停”功能。增压风机3A3BDCS控制逻辑相互独立并雷同,以增压风机3A为例的DCS设计如图3所示。


3 增压风机变频改造DCS控制逻辑设计总图



4 IP3A变频控制启动控制结构图


    4.11 设计及调试整定细节如下:

    1)每台增压风机有4套相互独立并行的顺控逻辑,即为“工频顺控启”、“工频顺控停”、“变频顺控启”、“变频顺控停”。任一套顺控实现“一键启动”,程序启动后闭锁其余顺控的执行;设备所处状态也闭锁部分顺控功能,如“已处于变频运行状态”将只能执行“变频顺控停”,其余顺控将闭锁。
    2)每套顺控有类似的结构形式,以变频顺控启动为例,顺控程控软件结构如图4所示:     3)无论是工频运行还是变频运行,只要电气主开关QF分闸,均将导致增压风机停运。因此在保护逻辑设计上,因工况异常需要增压风机跳闸的在DCS内部只需采取一个动作,即QF分闸。为保证系统初始位置的正确性,当DCS检测到QF分闸信号后,(脉冲)联锁变频器停运、旁路开关QF3分闸。当变频支线或工频支线电气故障时,需要判断实际运行工况,才能触发QF分闸。如变频器重故障或QF1综保动作或QF2综保动作时,必须同时不在工频运行模式,才能触发QF分闸。     4)电气主开关QF合闸允许条件同改造前;“QF已合闸”为变频器启动允许和QF3合闸允许的必备条件,变频和工频相互闭锁,即只有QF1QF2分闸才允许QF3合闸,反之亦然,同时如存在变频器和QF3自身的电气故障也不允许启动。     5)顺控指令和操作员手动指令受允许条件的限制,保护跳闸指令无条件执行。     6)“QFQF3合闸”为工频运行状态;“QFQF1QF2 合闸、且变频器运行”为变频运行状态。这两个状态信号任一个为“1”则表示增压风机运行,全为“0”则表示增压风机停运。由于这样的组合信号过于繁琐,实际仅用于状态显示和允许限制。     7)为保障机组安全,增加事故工况联开脱硫烟气旁路挡板条件如下:      ①电气主开关QF已分闸(脉冲);      ②电气主开关QF或变频器输出电流大于190A      ③电气主开关QF合闸且QF电流小于5A(脉冲)。     虽然逻辑设置上所有保护都集中于QF,为了防止下线开关的偷跳设置了第③条,而增压风机启动阶段旁路挡板须处于开位,与此并不矛盾。另外为防止运行人员误操作将变频器和QF3的单操功能取消,正常时只能通过顺控启停系统,异常时运行人员可将QF紧急分闸。

    (8)增压风机的变频自动相对简单,变频和导叶只是风机出力调节的不同方法。因此频率调节自动回路设计与导叶调节几乎是雷同的,都是单PI调节器加上风机平衡回路(图略)。因主机炉膛负压自动系统的存在,频率调整范围不受过程工况的限制,因电气设备特性需要将频率自动调整范围确定为20Hz48Hz。在实际调试中,因频率调节的灵敏度高于导叶,将PI 中的增益和积分作用都适当减缓,最终整定PI调节器参数为(P-0.3I-45);对应导叶调节参数为(P-0.5;积分时间I-30),增压风机入口负压动态偏差为±40Pa,稳态偏差为±15 Pa

    由于脱硫增压风机是两台并列运行,变频系统较为复杂,采用顺序控制变“被动联锁”为“主动联锁”,可有效避免信号失效带来的拒动。

    5 增压风机变频改造应注意的几个问题

    5.1工频旁路闭锁设计

    为保证脱硫系统运行可靠性必须设置自动工频旁路,但设计中必须引起重视的问题就是防止工频、变频出口开关由于误操作而并列运行,两个不同频率的系统并列运行将造成整个变频系统的损坏。

    为此,除了在DCS自控程序、变频器PLC程序中需判断并采用工频、变频运行状态闭锁及开关位置状态闭锁,还应在工频、变频出口开关的操作回路中采用硬接线闭锁。即KM1开关在QF2开关分闸状态才允许合闸,当QF2开关在工作位置合闸状态则直接跳KM1开关;对QF2开关则反之。

    5.2 变频系统保护的配置

    从高压变频系统继电保护的配置与定值整定分析可知,在工频运行情况下,电动机及出线电缆的保护由QF2的保护装置来实现;在变频运行情况下,电动机作为高压变频器的负荷与厂用母线隔离,电动机及出线电缆的保护转由高压变频系统控制器实现;变频器各功率单元分别由移相变压器低压侧各独立的三相绕组供电,各绕组的保护由功率单元实现;移相变高压侧绕组及进线电缆的保护则由QF1保护装置来实现。而母线侧电源开关作为工频、变频运行工况均需投运的设备。其保护配置只需要考虑母线侧出线电缆短路、接地故障,同时作为移相变、电动机保护的后备保护,在QF1QF2开关拒动的情况下保护动作跳闸。
    母线电源开关保护定值一般按照电动机来整定,定值在不同运行方式下无法实现自动切换,使得变频运行时保护灵敏度很难满足要求,尤其对于配备纵差保护的电机,变频工况需要退出该保护,否则易误动。所以,若采用自动工频旁路设计,建议采用图2系统配置,若采用手动工频旁路设计,则在设备投运前必须注意将微机保护装置根据工频、变频运行工况进行保护的投退及其定值的切换。
 
    5.3 变频器瞬停保护设计

    由于机组6kV厂用母线均带有给水泵电机,大机组给水泵电机功率相当大,一般在5000kW以上,在给水泵联锁启动时,母线电压均跌落至80%以下,根据泵启动后带负荷的情况,电压跌落持续时间可能维持1020s,因此变频器瞬停保护对保证风机的持续运行非常重要。

    电压型变频器功率单元由于有大容量的高压电容器作为整流滤波环节,而该电容具有一定的储能作用,在输入完全掉电情况下能够维持输出一段时间,在装置内滤波电容越大、负荷运行频率越低、输出功率越小则可维持的时间越长。一般变频器可承受-30%电源电压下降和5个周波电源丧失。具体瞬停(低电压)时间根据电机定、转子的参数频率特性、电机最低运行频率来计算确定。

    变频器动力电源瞬时断电再上电一般有两种不同情况,如果断电时间在100ms(即5个周波)之内,没有任何影响,变频装置连续运行;如果断电时间在100ms~“瞬停(低电压)时间”之内,变频器发“轻故障”信号,执行瞬停重启过程。如果断电时间超过瞬停(低电压)时间,变频器发“重故障”信号,在“变频运行”信号延时保持时间内,自动切换至工频旁路;若超过保持时间,则不再切换至工频,风机停运。
    5.4 增压风机、电机轴承润滑问题

    由于增压风机为低转速、低压头、大流量风机,轴径较大,电机极对数多为1012极,因此在调试中有两个问题需要注意:一是工频切换至变频时,尽可能减小电机惰走时间,防止变频器投入时因过流而跳闸。在原设计中,工频开关断开后1s再投入变频器,后调整为0.3s。二是变频器最低频率限制应根据风机、电机轴承润滑方式所决定的低转速情况下轴承润滑能力来确定。风机及电机采用脂润滑,其润滑能力受电机转速的影响相对较小;若采用油润滑方式,特别是油环润滑将会因电机转速降低,油环带油情况明显变差,使得轴承无法良好润滑,轴承温度升高;若采用压力供油润滑,靠润滑泵的压力向轴承供油,将从轴承流出的润滑油回收到油池循环使用,则能有效解决低转速下轴承润滑问题。
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