低电压穿越系统在锅炉给粉机变频器上的应用
时间：2023-03-03 08:05:05 来源：千叶帆 本文已影响人
屈小敏，罗远福
(中国石化集团重庆川维化工有限公司，重庆 401254 )
近年来，变频调速技术得到广泛应用，但由于系统电压不稳定，变频器低电压保护动作跳闸导致电动机停机时常发生[1]。目前，燃煤锅炉的给粉系统中，给粉机变频器低电压保护动作跳闸问题突出。给粉机低电压跳闸造成非计划停机停炉，会给电厂带来重大的经济损失[2]。
某石化企业是一家以天然气为原料的化工企业，企业用电由国家电网500 kV变电站直接供电。该地区属于多雷电地区，据不完全统计，每年的雷暴天气44天左右。据统计数据显示，从2010年新区220 kV站建成投运后，曾经发生过5次由雷击导致的220 kV外线路跳闸的事故。雷雨天气时常发生，企业的高压大容量电气设备启动造成电网电压波动，因此系统晃电较为频繁，造成锅炉给粉机变频器停运、锅炉多次停炉，给锅炉稳定运行带来极大的考验。
2010年新区锅炉建成投运后，发生过几次雷击状态下大容量变压器、大功率电动机启动引起厂用电电压骤降而造成的锅炉给粉机变频器停运事件。而据不完全统计数据显示，系统的电压暂降和短时中断，89.2%都属于暂降晃电，即电压降低至额定电压的10%～90%，持续时间在10 ms～1 min内。因此，确保晃电期间锅炉给粉机变频器的稳定运行，是确保锅炉装置安稳长运行的根本。
该企业有3台高温高压燃煤锅炉，锅炉制粉系统均采用钢球磨煤机中间储仓式，每台锅炉配置12台给粉机，分上、中、下三层给粉。给粉机配电柜安装在环境较好的电气配电室，12台给粉机变频器分成A、B两组电源供电，带自动切换功能，每组给粉机的常用电源与备用电源均来自两个不同的系统，以确保每组给粉机的两组给粉电源不会同时失电。变频器通过远方分散控制系统(DCS)系统集中控制，正常情况下在收到启动指令后即刻投入运行。变频器正常运行后，将运行状态信号反馈给DCS系统，由DCS系统进行变频调速控制，以保证给粉机能根据锅炉负荷调节要求稳定给粉，避免因为断粉造成锅炉停炉。单独一组给粉双电源供电情况示意参见图1。
图1 单独一组给粉双电源供电情况示意图
3.1 低电压穿越系统概念
低电压穿越概念最早起源于风电场，是指当电网发生故障或者扰动引起风电场并网点的电压跌落时，在电压跌落的范围内，风电机组能够不间断并网运行。这一概念现已扩展至各种“敏感负荷”，比如锅炉给粉机变频器，则是指电源电压暂时跌落或者消失，而在很短的时间内(一般是几秒以内)，给粉机能够不间断运行。
3.2 低电压穿越的主要表现类型
低电压穿越主要表现为系统电压的骤降，电压下降至标称电压的10%～90%，波动时间为10 ms～1 min。
3.3 低电压穿越难点分析
该企业厂用电系统电源自动投入装置配置模式决定了运行中存在抗晃电能力不足，切换过程中无法满足稳定供电要求等问题。
1)目前，企业10 kV厂用电配置的江苏金智科技有限公司MFC2000-6 微机厂用电快速切换装置，可实现低电压快速切换，即当工作电源电压低于70%额定电压，备用电源电压高于80%额定电压时，可实现厂用电电源的快速切换。快速切换时间在几十毫秒内完成。经过多次验证，快速切换过程中不会对运行中的锅炉高压辅机造成影响。在非快速切换模式下，由于上下配合级差，厂用380V母线电源不会切换，母线将会发生低电压穿越现象。
2)厂用380 V母线采用传统备自投切换方式，当系统发生晃电，备自投动作切换时间约为1.5 s，厂用380 V母线将会发生明显晃电现象，导致给粉机变频器停运，锅炉因为燃料中断FSSS系统保护动作停炉。
因此，解决给粉机变频器低电压停运的问题，是解决锅炉晃电停炉的关键。其需要保证低电压时给粉机变频器能够正常运行。当锅炉出现炉膛压力异常，高压引、送风机辅机全停，炉膛熄火，水位发生异常时，给粉机要能够快速停运，切除燃料供给。这是低电压穿越需要解决的难点问题，需要做到以下3点。
1)完好备用。在锅炉给粉机变频器交流母线电压正常、变频器启动运行、FSSS系统未给出保护动作信号这3个条件同时满足时，低电压穿越PLC控制系统做好支撑准备，确保直流支撑电源处于热备用状态。
2)可靠支撑。当厂用电出现晃电，直流支撑电源电压高于变频器直流电压时，直流支撑电源对变频器可靠供电，保证给粉机变频器不间断运行。晃电结束，厂用电电压恢复正常后，低电压穿越退出支撑，恢复给粉机变频器正常厂用电源供电。
3)准确退出。当给粉机停止运行，FSSS系统给出保护动作信号，锅炉主燃料跳闸(MFT)动作或者晃电时间超过设定值10 s仍未恢复时，低电压穿越系统必须快速准确退出对给粉机变频器的直流支撑电源，避免锅炉爆炸事故的发生[3]。
4.1 低电压穿越系统方案筛选
目前市场上外设的低电压穿越系统设备应用较为广泛的主要有两大类：一类是利用外置直流屏蓄电池提供直流电源，作为变频器的直流支撑电源，外置直流保安电源与低电压穿越设备分开；
另一类是低电压穿越系统接入单独的交流电源进行整流储能后，给变频器直流母线提供直流支撑电源，整流储能设备作为低电压穿越系统的一部分[4]。
新区锅炉配置有单独的直流保安电源，1#、2#炉配置有1 200 Ah，3#炉配置有1 000 Ah大容量直流屏蓄电池。结合现场实际，在保证安全的前提下，不再重复安装直流屏及蓄电池，同时减少建设投资及定期维护工作量，决定采用第一类方案。新区锅炉的低电压穿越系统作为负荷分别由1#、2#炉1 200 Ah及3#炉1 000 Ah直流屏供电，系统选用通过使用考核验证的南京国臣信息自动化技术有限公司生产的SGS低电压穿越装置。
4.2 低电压穿越系统基本构成及主要器件介绍
低电压穿越系统主要由监控单元、电压暂降保护装置核心器件、执行单元组成。该企业采用1台电压暂降保护器RTM模块带2台给粉机变频器的方式。具体见图2。
图2 1拖2方式低电压穿越系统构成
监控单元：显示给粉系统交流电源、直流输出电流、运行指示、故障信号指示、晃电SOE记录信息、充电电压、RTM模块运行信息等。同时具备PLC控制的作用，监控低电压穿越系统，监测给粉机交流母线输入电压、直流输出电流、晃电持续时间、给粉机运行状况、RTM模块运行状况、FSSS系统保护动作情况等。与触摸屏配合，可显示并修改相关数据参数，查看报警信号，实现整套系统的智能自检及控制功能。
电压暂降保护器RTM模块：RTM隔离型电压暂降保护器为新区给粉低电压穿越系统设备核心器件，是一种用于直流负载设备的电压暂降保护设备，RTM模块的输入电源为直流220 V，可采用厂用直流220 V的保安电源来供电，其输入端和输出端是隔离的，不论是输入端还是输出端出现故障，都不会对两端所接的用电负荷造成影响，更不会影响直流保安电源的安全运行。RTM模块额定输出电压为直流500 V，并且输出电压可以设定，自身带有各种保护功能，若系统出现故障，可以快速切断输入端与输出端的联系，快速保护低电压穿越系统及模块本身，具有很高的运行可靠性，设备体积小、质量轻，效率高。
执行单元：主要由给粉机供电总断路器、单台给粉机断路器、二极管及接触器等组成，执行单元会根据给粉机运行情况及电压变化情况，准确投入低电压穿越系统对应设备，确保晃电支撑有效，锅炉保护动作可靠退出[5]。
5.1 1模块带2台给粉机变频器低电压穿越系统工作原理
1模块带2台给粉机变频器是该企业低电压穿越系统采用的典型模式，由1个电压暂降保护器RTM模块同时给2台给粉机变频器提供晃电支撑电源。具体工作原理：厂用电电压正常，锅炉给粉机在收到DCS启动指令后，给粉机变频器启动，低电压穿越系统监视到某给粉机运行信号后，发指令将对应给粉机接触器合闸，做好对应给粉机变频器晃电支撑准备，但由于正常运行时二极管关断，给粉机变频器由厂用电源直接供电。
当供电系统电压出现波动，电压跌落到0%～85%范围系统瞬时启动工作，二极管导通后，可将直流500 V电压加在变频器直流母线，保证变频器正常运行；
若10 s内电网电压恢复正常，对应给粉机二极管关断，对应的电压暂降保护器RTM模块退出支撑状态，转为热备用状态；
若10 s内，厂用电电压仍未恢复正常，低电压穿越系统判断厂用电失电，为确保锅炉的安全运行，低电压穿越系统退出支撑，停止对给粉机变频器的供电；
当锅炉保护动作或变频器停止运行时，系统自动退出支撑，转为热备用状态，确保锅炉安全运行[6]。1模块带2台给粉机低电压穿越系统工作原理见图3。
图3 1模块带2台给粉机低电压穿越系统工作原理图
5.2 给粉机变频器配合低电压穿越系统改造情况(该电厂1#为例)
三菱A700系列变频器，预留有直流母线端子，在接完直流母线不改动变频器的情况下做动态实验时，断变频器交流输入电源开关，变频器直接停止输出，控制盘面板也随之黑屏，需改造。三菱A700变频器主回路及控制回路端子见图4。改造步骤如下。
1)变频器预留外接电源端子R1，S1分别对接至直流母线，R1端子接变频器直流母线正极，S1端子接变频器直流母线负极。未修改之前R/L1与R1/L11短接，S/L2与S1/L21短接，控制回路电源与电机交流电源为同一电源，当出现晃电时，变频器控制回路失去正常控制电源，该修改保证了变频器控制电源与主回路一次电源分开，避免交流主电源晃电造成变频器控制回路失电。
图4 三菱A700变频器主回路及控制回路端子图
2)变频器参数P30由0改为20，该参数修改代表将变频器供电模式改为交流、直流切换运行。
3)将变频器RT端子和SD端子短接，并把RT端子对应的P183参数改为70(该参数修改代表变频器直流供电运行被许可)。
4)改造完以上接线后再次试验则正常。
5.3 给粉机低电压穿越支撑性能测试结果
综合考虑后设置给粉机低电压穿越支撑时间为10 s，当断掉给粉机变频器交流输入电压，维持9 s，9 s后恢复变频器交流输入电压。抽查某给粉机变频器进行录波发现，断掉给粉机变频器交流输入电压，维持9.43 s左右，9.43 s后恢复变频器交流输入电压。试验录制波形见图5至图7。
图5 电压暂降时间图
图6 交流输入电压暂降前后峰值
图7 直流母线电压暂降前后值
当模拟电压暂降9.43 s(见图5)，从图6可以看出，在变频器输入电压暂降期间(峰峰值552 V变为8 V)，低电压穿越装置为给粉机变频器直流母线提供有效支撑，维持变频器直流母线电压在496 V(见图7)，变频器输出电压保持相对稳定，变频器能正常运行。
5.4 低电压穿越装置与变频器运行信号、MFT信号联锁功能测试
1)DCS远程启动发出给粉机启动指令后低电压穿越装置处于热备用状态；
远程发出给粉机停止运行指令后低电压穿越装置退出运行。
2)DCS启动12台给粉机变频器后，远程模拟FSSS(炉膛压力异常保护动作，引、送风机停止运行，锅炉水位异常保护，全炉膛灭火保护、燃料中断保护)动作信号中任意一个信号，对低电压穿越装置发出MFT信号，低电压穿越装置收到MFT信号后运行信号被切断，低电压穿越装置停止输出。
1)低电压穿越系统与给粉机变频器正常运行时，保证可靠隔离，准确支撑，从根本上保证锅炉的安全运行。系统未配置单独的直流屏蓄电池供电，避免了周期性更换蓄电池，减少了维护难度及成本，降低了对环境污染的风险。
2)系统配置的外置二极管及电压暂降保护器RTM模块内部的隔离变压器，能有效防止形成环流和阻止负载侧的瞬间反向电压对直流系统的冲击。
3)低电压穿越系统配置的主监控单元，实时显示了给粉机及晃电支撑系统运行情况，并记录晃电支撑过程，便于检查。
4)低电压穿越系统2018年投入运行后，2021年9月16日，锅炉某高压电动机故障，电动机速断保护动作跳闸，厂用电电压瞬间降至56%Ue，对应厂用电部分低压电动机跳闸，而电源取自该段的锅炉给粉机持续稳定运行，避免了锅炉停炉。因此，经过实际验证的低电压穿越系统在锅炉给粉机变频器上的应用，从根本上解决了电网波动对锅炉安全稳定运行的威胁，有效地解决了锅炉因为晃电发生锅炉停炉事故，保证了锅炉的长周期运行，避免了企业遭受重大的经济损失。
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