一次风机变频装置自动旁路应用分析

杜志强

(华电忻州广宇煤电有限公司，山西 忻州 034000)

0 引言

近年来变频装置因其良好的节能效果而被广泛应用到工业中。发电厂6 kV转动设备(如凝结水泵、循环泵、风机等)引入高压变频装置进行调速成为一种重要的节能手段。变频装置本身使用的电子元器件比较多，对运行条件要求比较高，环境温度、灰尘等因素易导致变频装置电子元件出现故障，造成变频装置跳闸。引风机、送风机、一次风机等是发电厂锅炉系统重要的设备，一旦出现设备故障跳闸，将严重影响发电机组的经济效益。为保证变频装置出现故障时机械设备能继续运行，一般增设高压变频装置旁路，变频装置故障后通过切换至旁路工频运行，从而保证机械设备的正常运转。

1 变频装置旁路设计概况

旁路运行切换方式一般分为手动切换(手动旁路)和自动切换(自动旁路)两种方式。手动切换方式需要在变频装置所带机械完全停运后，人为手动切换至工频运行。这种方式切换时间较长，在切换完成之前机组单风机运行，负荷降低，给机组带来严重的安全隐患及经济损失。自动切换，即在变频装置出现故障后，通过自动装置自动切换至工频运行，从而保证机组的安全稳定运行。部分发电厂为了保证机组的安全稳定运行，在设置变频装置旁路时，已采用自动旁路方式。

某公司2×350 MW热电联产机组于2016年12月20日实现双投。该公司一次风机采用6.6 kV西门子(罗宾康)6SR4502-2型变频装置调整风机转速来改善一次风机性能曲线。变频装置最初设计为手动旁路，但为保证一次风机安全、稳定、可靠运行，优化为自动旁路。由于设计缺少投切方案，在调试试运期间无法对自动旁路进行调试，因此该公司自动旁路一直未投入运行。

2 一次风机变频装置投自动旁路的必要性

该公司350 MW机组在试运行开始至投产后的一年内，一次风机变频装置由于所处环境、变频装置自身等原因发生跳闸3次，导致机组主燃料跳闸(MFT)1次、快速减负荷(RB)2次。

该公司一次风机变频装置接线如图1所示。

图1 一次风机变频装置接线

正常启动时，分别合上开关QF、QF1、QF2，回路接通，启动变频装置并进行调整，电机带一次风机运行。当变频装置出现"重故障"时，变频装置停运，开关QF1、QF2断开，一次风机电机跳闸停运，机组RB。因该公司未调试自动旁路，如果将变频装置切换至旁路运行，需要将QF1、QF2拉至检修位置，将QF3推至工作位置，合上开关QF3才能启动一次风机运行。因变频装置跳闸后一次风机单侧运行，锅炉为稳定燃烧需要投燃油助燃，机组负荷也降至50%以下，机组稳定后才能人为将变频装置切至手动旁路，启动一次风机并列运行。该期间需要2个小时左右的时间，给机组安全、经济、稳定运行带来很大的隐患。

如果投入自动旁路运行方式，变频器发生“重故障”后退出运行，开关QF1、QF2断开后自动合上QF3，同时闭锁机组RB，一次风机不需要停运。为保证该公司机组安全稳定运行，迫切需要投入变频装置自动旁路。

3 一次风机变频装置投自动旁路问题分析

3.1 变频装置投入自动旁路的方式

变频装置投入自动旁路方式可分为2种：一是只要变频装置发出“重故障”信号就自动切至旁路(跳开开关QF1、QF2、合上开关QF3)，如果是电机故障，相当于旁路直接给故障电机送电，工频综合保护动作再次跳闸；二是通过辅助判据进行判断，如果判断为风机或电机故障则闭锁旁路并触发RB，否则直接切至旁路运行。DT/T 1195—2012 《火电厂高压变频装置运行与维护规范》6.2.3.1.1条规定，高压变频装置由变频运行方式切换为旁路运行方式可以通过机组控制系统或就地控制面板实现手动操作，具备条件的也可采用自动操作。切换操作前变频装置控制系统须正确判别是否存在电机或电缆故障，防止切换操作导致事故扩大。依据该规定，应该执行第2种切换方式。

3.2 故障判断

变频装置的故障无法判断是来源于本身还是外部。在变频装置本身出现“重故障”和一次风机电机出现故障后，变频器均发出“重故障”信号，无法区分故障设备。一次风机出现故障后，其分布式控制系统(DCS)给变频器发出停运信号，无论是变频装置本身出现故障还是风机、电机出现故障，变频装置都将退出运行并跳开开关QF1、QF2。

3.3 自动切换对锅炉燃烧的影响

变频装置自动切换至旁路运行后，会对锅炉的燃烧造成干扰。当变频装置运行时，一次风机入口挡板在全开位置，风量的调节是靠变频装置调节一次风机的转速完成的，不同负荷对应不同的风量。当变频器因故障退出运行后自动切至工频运行，一次风机转速立即上升至额定转速定速运行，风量出现很大变化，造成燃料突然增加，锅炉燃烧不稳。

3.4 自动切换对机组RB的要求

变频装置出现故障后，如一次风机跳闸，应立即启动机组RB。变频装置停运自动切换成功后应闭锁RB，保证RB不误动，如果自动切换不成功要保证RB不拒动。

4 一次风机变频装置投自动旁路的可行性分析

4.1 变频装置故障判断方法

变频装置无法判断一次风机电机故障还是变频装置本身故障，所以需要加入辅助判据：一次风机DCS保护动作后会给变频装置一个停运信号，变频装置接到停运信号后退出运行，所以无一次风机DCS保护给变频器的信号可作为变频装置切换至旁路的一个辅助判据；一次风机电机及引出电缆出现短路故障后回路电流将会突增，利用电流变化作为电机故障的另一个辅助判据，如图2所示。

图2 利用电流变化作为电机故障的判据

电流互感器TA2测量的电流为最好的辅助判据，它能区分是电机侧故障还是变频器侧故障。如果需要精确鉴别是否为电机故障，需要在此处加装1组电流互感器，取此处电流作为辅助判据。

因为过去出现的3次故障均为非电量故障，因此可以取电流互感器TA1/TA的测量电流作为判据。取TA2测量的电流作为判据仅稍微扩大了保护范围，对于变频装置切换至旁路的影响不是很大。如果一次风机电机电流没有超过设定值，变频器“重故障”信号发出后，即可将变频装置切换至旁路。

综合以上2种辅助判据，如果变频装置退出运行，同时一次风机保护(或手动停运)、电机电流突增均没有发生，则直接将变频装置切换至旁路运行同时闭锁机组RB。

4.2 一次风入口挡板调整方法

机组负荷一般在50%～100%区间内运行，工频运行时将不同负荷对应的一次风入口挡板开度做好记录。在变频装置运行时，让一次风机入口挡板指令虚拟跟踪负荷变化，一旦变频装置切至自动旁路运行，一次风入口挡板开度立即调整至相应负荷对应的开度，以减小一次风机由变频切换至工频运行时对锅炉的扰动。

4.3 逻辑控制与RB保护的时间配合问题

因为一次风机跳闸后会启动机组RB，所以逻辑控制要考虑好与RB保护的时间配合问题，防止RB误动或拒动。

解决以上3点问题，即可保证变频装置正确切换至自动旁路运行且减小对锅炉的扰动。

5 一次风机变频装置自动切换旁路方案

5.1 一次风机变频装置自动旁路实现方法

自动旁路切换需要通过电气硬接点实现，需要重新布线并且需要增加继电器，投入物力、财力、人力较多。相较来说，用热控逻辑方法实现自动切换方便简单，因此建议使用该方法实现。

5.2 一次风机变频装置自动旁路实现方案

如图3所示，当变频器因故障退出运行时(图1中QF1、QF2开关跳闸)，发出重故障信号(DI)，未发出一次风机保护动作信号(DI)与一次风机变频器电流异常信号(DI)。

图3 自动旁路切换热控逻辑

这3个条件同时满足时，DCS发出指令合上开关QF3(图1中)，同时闭锁一次风机RB，变频装置自动切至旁路运行，完成自动切换功能。

6 结论

本文针对公司一次风机变频装置切换至自动旁路的可行性进行了分析并制定了可行的切换方案，但在现场还没有进行应用。