火力发电厂高压变频器的运行与维护

2011-03-31罗毅

重庆电力高等专科学校学报 2011年6期

罗毅

(国电重庆恒泰发电有限公司设备管理部，重庆400805)

0 引言

高压变频器在火力发电厂中应用较为广泛，通过变频改造可以降低厂用电率和供电煤耗。但国产变频器在使用过程中存在的问题较多，困扰着电厂运行的安全和稳定，严重时还会造成新的经济损失。因此，在高压变频器的选型配置、安装、运行、维护和检修等方面必须严格要求，才能确保高压变频器在火电厂的安全使用。

1 高压变频器的配置要求

火电厂高压辅机的稳定性、可靠性和安全性直接影响机组的安全运行，高压辅机因变频器故障导致机组减负荷甚至停机的案例较多，其带来的损失比节能的效益还要大。因此，火电厂高压变频器在选型配置时，应该将稳定性、可靠性和安全性放在首要位置，除满足有关规定和标准要求外，还应提出更高条件。

当前，用于火电厂的高压变频器主要有进口和国产两种类型，进口变频器技术成熟、原理先进、元器件质量优良、带负载能力强，因此其故障率低，稳定性、可靠性和安全性较高，但价格昂贵。大多数火电厂为了节约投资，选用国产变频器，而国产变频器为降低成本，控制造价，不得不牺牲元件和设备质量，甚至简化功能或降低容量，其稳定性和可靠性相对较差。为了保证高压变频器的使用效果，在资金许可的情况下建议尽量选用进口产品。若选用国产设备，除满足《火电厂风机水泵用高压变频器》(DLT994-2006)规定外，在配置上还应提出更高要求。

1.1 变频器容量富裕度要求

火力发电厂大多数采用功率单元串联多电平式高压变频器，一般选用IGBT作功率单元模块，模块数量由变频器容量和单个模块功率确定。《火电厂风机水泵用高压变频器》［1］(DL-T994-2006)6.7“保护功能”e条和6.14“过载能力”分别规定:“任一功率单元故障时，能使故障单元自动旁路，实现不停变频器连续运行”、“过载能力为140%额定负载电流，持续时间为3秒;110%额定负荷电流，持续时间为60秒”。为了满足以上要求，一般厂家对功率单元采用N+1冗裕设计。但在实际运行中，当变频器中一个功率单元故障旁路后，变频器必须快速减负荷后方能继续运行。对于电厂锅炉引风机、一次风机等设备，降负荷不可能迅速完成，这无疑满足不了变频器的要求，最终出现当一个功率单元故障旁路后，同一相非故障单元过载，导致变频器重故障被迫退出运行，严重影响机组的运行安全。很多电厂锅炉风机都没使用变频自动切工频的功能，出现上述情况时，后果更严重。例如:某火电厂装机两台300MW，1#锅炉两台引风机于2009年12月完成变频改造，变频器每相五个功率单元。2010年8月10日14时05分，1#机组在300MW运行过程中，B引风机变频器因一个功率单元过热旁路，机组负荷未来得及下调，很快同相另一功率单元过热故障，变频器重故障跳闸。在RB动作后引风自动的作用下，A引风机变频电流急剧上升，30秒后A引风机变频器过载跳闸，锅炉MFT动作，机组与系统解列。

实际运行中，国产高压变频器功率单元故障几率较大。如某厂共有四套国产高压变频器，两年内发生功率单元故障就达十三次之多，主要出现过热、过载和通信中断等问题，当然，也与产品质量有很大关系。鉴于此，为保证火电厂引风机、送风机、一次风机等重要辅机的变频器运行安全，在选择国产变频器时，把功率单元质量要求放在首位，同时提高变频器容量等级，且功率单元的数量必须满足当任一单元故障后变频器在不减负荷情况下能连续运行的要求。

1.2 高压变频器系统主要设备要求

高压变频器系统使用的变压器、断路器(接触器)等是保证运行安全的重要设备，《火电厂风机水泵用高压变频器》(DL-T994-2006)中没有对上述设备作明确规定，因此，在高压变频器系统选型时，应该根据《干式电力变压器》［3］(GB1094.11-2007)、《高压输变电设备的绝缘配合》［4］(GB311.1-1997)和《交流高压断路器参数选用导则》［5］(DL/T 615-1997)等对这些设备提出专门要求。例如:应对变压器带载能力、绝缘水平等作专门要求。对于断路器(接触器)，除考虑其绝缘水平外，应结合变频器高压侧电源系统，对短路和冲击电流耐受能力、额定关合电流能力和开断直流分量能力提出要求。

1.3 高压变频器温度、湿度监测要求

由于高压变频器对温度和湿度要求较高，《火电厂风机水泵用高压变频器》(DL-T994-2006)中6.2条对“使用环境条件”和6.21条对“环境适应性”提出了要求，使用环境条件一般能满足。但国产高压变频器在实际运行中环境适应性较差，大多数故障都是由变频器温度高或湿度大引起的，这就要求对高压变频器的温度和湿度进行重点监测，以确保变频器运行安全。《火电厂风机水泵用高压变频器》(DL-T994-2006)中只是将变压器温度列为监测信号，未对变频器温度和湿度监测作明确要求。因此建议在变频器选型时要求每个柜内应加装温、湿度监测装置，并具备显示功能。每个功率单元均设置精度较高的数字式温度测点。所有温度、湿度测点进入PLC显示并具备报警功能，同时传输到DCS让运行人员监视。

1.4 电源侧开关柜保护选择

高压变频器一般均设计有工频旁路开关，以保证在变频器出现故障或检修时，保证电机工频运行。但变频和工频两种运行方式对高压电源开关柜保护装置的要求不同，电动机在变频运行时，高压电源是送至变频器的移相整流变压器，开关柜应按变压器保护配置;而在工频运行时，电源直接送至电动机，开关柜应按电动机保护配置。因此，带高压变频器的开关柜应选用变压器、电动机两种方式的保护装置，以便根据运行方式进行保护切换。

2 高压变频器的运行环境

2.1 安装位置

高压变频器安装位置十分关键，位置的选择是关系到变频器能否安全运行的重要因素。一般高压变频器占地面积较大，新机组可以在设计过程中考虑安装位置，而老机组改造就非常困难，既要保证摆放空间，又要考虑高压电缆尽可能短，并且还要顾及到安装环境，避免温度高、湿度大、粉尘多的区域。

2.2 布置方式

高压变频器柜的布置一定要考虑操作、检修空间和良好的通风效果。变频器柜有前侧进风和后侧进风两种方式，因此，室内空调的安装位置十分关键，必须使空调冷风能顺利进入柜内，这样才能达到冷热置换效果，提高空调的效率。建议空调安装在变频器柜进风面通道的两侧，空调出风尽量对准柜体进风口。

2.3 温、湿度和粉尘控制

高压变频器对温度、湿度、粉尘的要求很高，温度高、湿度大、粉尘多直接会影响变频器的安全性和可靠性，因此，对温、湿度和粉尘的有效控制十分必要。电厂高压变频器大多采用强迫风冷，一般有外循环和内循环两种方式，外循环冷却是室内空调输出的冷风通过柜的进风口将热风置换，热风再通过柜顶风机、风道抽送到室外，外循环方式优点是可以充分利用环境低温空气，减少空调电耗，缺点是不能有效控制粉尘。内循环冷却是室内空调输出的冷风通过柜的进风口将热风置换，热风通过柜顶风机抽出到室内再由空调冷却，内循环方式优点是能够有效控制粉尘，但变频器所有热量必须通过空调冷却，空调电耗高。对于粉尘较多的恶劣环境建议采用内循环冷却。

变频器室的空调一般设置22～25℃，温度过高会影响变频器冷却效果，而温度过低将会引起柜内结露。变频器室空调应具有除湿功能，空调数量要有足够备用，建议将需要运行的空调设置为制冷，备用的空调设为除湿。这样，基本上能保证变频器室内的温度和湿度控制。

为了实现粉尘控制，对高压变频器柜的电缆孔洞必须封堵严密，变频器室的地面和墙面最好进行装修防尘处理。采用内循环冷却方式的变频器室门、窗都应密封，而外循环冷却方式除门、窗密封外，重点对进风口进行空气净化处理，可以安装多层过滤网，也可选用空气净化装置。同时，为了保证变频器室内的空气洁净，屋顶、地面、墙面要定期保洁。

3 高压变频器的运行

3.1 变频——工频切换

高压变频器一般具有变频——工频自动切换功能，当变频器正常运行时，风门一般为全开状态，若在机组负荷不高的情况下，变频自动切为工频，风门开度不能快速调整到合适位置，将会引起炉膛负压大幅度变化，严重时可能发生锅炉熄火。所以大多数电厂锅炉风机变频器都没有使用自动切换方式。但若通过试验，摸索出机组在几个负荷段风门开度与变频器输出频率的关系，就能解决变频自动切换为工频时出现的问题。当高压变频器发轻故障信号时，迅速将风门调整到与频率对应的开度，若变频器重故障跳闸，自动切换为旁路工频就不一定对锅炉负压造成太大的波动。对于工频切变频而言，由于时间较长，建议只设计手动切换功能即可，没必要考虑自动切换。

若要更好解决变频切工频问题，需运用高压变频协调控制技术(简称HCU)，HCU是在高压变频应用系统中实现工频与变频运行方式之间，转速控制与开度或阀门控制之间，以及同系统设备之间的一种综合协调控制技术。能够在现场无需对DCS等控制系统硬件端口和控制逻辑进行更多变更和改造的情况下，轻松完成高压变频器的工程应用，实现高压设备的变频节能，与生产工艺完美结合。真正实现变频应用系统的高可靠、安全、稳定运行，同时节约大量的项目投资和施工成本，实现最佳的系统控制性能和节能收益［2］。

3.2 投运——停运选择

变频器节能效果并非在任何条件下都十分显著，电厂设备的能耗与机组负荷大小密切相关，因此，变频器输出的电流和频率随负荷变化而变。通过某火电厂两台30万千瓦机组引风机变频器试验发现，1#锅炉带85%、2#炉80%负荷时，引风机电能与工频运行基本一致，高于此负荷段，变频器失去节能意义，若考虑空调设备的能耗，整个系统实际上是在消耗电能。为此，要想获得最佳节能效果，建议对每台变频器进行节能效果与负荷关系的测试，以便使变频器根据负荷投切，特别对于调峰频繁的电厂，变频器经常切换会获得更好的节能效果。

3.3 运行中的频率控制

普通异步电动机采用变频器供电时，会使由电磁、机械、通风等因素所引起的振动和噪声变得更加复杂。变频电源中含有的各次谐波与电动机电磁部分的固有空间谐波相互干涉，形成各种电磁激振力。当电磁波的频率和电动机机体的固有振动频率一致或接近时，将产生共振现象，从而加大噪声。运行中要注意变频驱动的电动机发生低频率振动和噪声问题，每台电机低频振动点都不一致。某厂在一台引风机上进行频率试验，发现变频器在输出27Hz时，电机振动和噪声异常，越过该频率点后恢复正常。因此，应对每一台变频器都应进行频率试验，找到电机低频振动和噪声异常点，以便避开运行。