1、引言
發(fā)電廠采用翅片管式的空冷散熱器，直接或間接用環(huán)境空氣來冷凝汽輪機(jī)的排汽，稱為發(fā)電廠空冷。發(fā)電廠空冷系統(tǒng)也稱干冷系統(tǒng)，它是相對(duì)于常規(guī)發(fā)電廠的濕冷系統(tǒng)而言的。濕冷系統(tǒng)是把冷卻塔內(nèi)的循環(huán)水以“淋雨”方式與空氣直接接觸進(jìn)行熱交換，整個(gè)過程處于“濕”的狀態(tài)：而空冷系統(tǒng)的循環(huán)水與空氣是通過散熱器間接進(jìn)行熱交換的，整個(gè)過程處于“干”的狀態(tài)，所以空冷塔又稱為干式冷卻塔或干冷塔。
發(fā)電廠空冷技術(shù)是一種節(jié)水型的火電發(fā)電技術(shù)，與濕冷系統(tǒng)比較，具有冷源充足、節(jié)省冷卻用水、減少環(huán)境污染和維護(hù)費(fèi)用低廉的優(yōu)點(diǎn)，一般空冷電站的耗水量?jī)H為水冷電站的三分之一，因此，特別適合我國(guó)缺水而煤炭資源豐富的三北地區(qū)，尤其適合2×300lvIW和2×600MW的大型火力電站。國(guó)務(wù)院《國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展“十一五”規(guī)劃任務(wù)分工》將大型空冷電站列為能源工業(yè)重點(diǎn)工程；國(guó)家發(fā)改委《關(guān)于燃煤電站項(xiàng)目規(guī)劃和建設(shè)的有關(guān)要求的通知》明確要求，在煤炭資源豐富的地區(qū)，規(guī)劃建設(shè)煤礦坑口或礦區(qū)電站項(xiàng)目；在北方缺水地區(qū)，新建、擴(kuò)建電廠禁止取用地下水，嚴(yán)格控制使用地表水，原則上應(yīng)建設(shè)大型空冷機(jī)組。
近些年來，隨著空冷技術(shù)的日趨成熟及國(guó)內(nèi)空冷器生產(chǎn)廠家的不斷發(fā)晨壯大，空冷技術(shù)已逐漸成為新增火電廠主要采用的冷卻技術(shù)，這為變頻器在空冷系統(tǒng)中的應(yīng)用帶來了廣闊的空間。
2空冷系統(tǒng)簡(jiǎn)介
2.1空冷系統(tǒng)分類
空冷系統(tǒng)一般分為兩大類直接空冷系統(tǒng)和間接空冷系統(tǒng)，其中間接空冷系統(tǒng)又分為混合式空氣冷卻系統(tǒng)和表面式空氣冷卻系統(tǒng)。直接空冷系統(tǒng)是通過機(jī)械通風(fēng)或自然通風(fēng)的方式將汽輪機(jī)排汽直接用空氣冷卻；而間接空冷系統(tǒng)是將從汽輪機(jī)表面式凝汽器來的冷卻水在冷卻塔中得到冷卻。相對(duì)于間接空冷系統(tǒng)，直接空冷系統(tǒng)因投資少、占地少、煤耗低及防凍過夏方式靈活可靠而居于領(lǐng)先地位，目前，全世界的空冷機(jī)組裝機(jī)容量中，直接空冷機(jī)組約占60%，而間接空冷機(jī)組約占40%，且直接空冷所占比例上升趨勢(shì)明顯。
2.2直接空冷系統(tǒng)組成及特點(diǎn)
直接空冷系統(tǒng)建筑規(guī)模龐大，一般稱為空冷島，主要包括凝結(jié)水系統(tǒng)（凝結(jié)水箱）、真空疏水系統(tǒng)（包括疏水泵）、排氣／抽氣系統(tǒng)（水環(huán)泵單元）及空冷凝汽器(ACC)四套系統(tǒng)，通過DCS集散控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)這四套系統(tǒng)的自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)調(diào)節(jié)、順序控制和自動(dòng)保護(hù)等自動(dòng)控制功能，其流程如圖表1所示，汽輪機(jī)排汽通過粗大的排汽管道送到室外的空冷凝汽器內(nèi)，軸流冷卻風(fēng)機(jī)使空氣流過散熱器外表面，將排汽冷凝成水．凝結(jié)水再經(jīng)泵送回汽輪機(jī)的網(wǎng)熱系統(tǒng)。在直接空冷機(jī)組正常運(yùn)行中，系統(tǒng)主要控制的項(xiàng)目是排汽壓力和凝結(jié)水溫度，在汽輪機(jī)安全運(yùn)行允許范圍內(nèi)，根據(jù)機(jī)組的發(fā)電負(fù)荷（空冷凝汽器的熱負(fù)荷）和空氣溫度，調(diào)整進(jìn)入空冷凝汽器的空氣流量（即調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速）．使風(fēng)機(jī)功率保持在最佳狀態(tài)，風(fēng)機(jī)將在最高轉(zhuǎn)速和最底限速之間的范圍內(nèi)運(yùn)行。在投入自動(dòng)的情況下，汽輪機(jī)排汽壓力控制器提供風(fēng)機(jī)的正確轉(zhuǎn)速控制。直接空冷系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，關(guān)系到整個(gè)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，而調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變頻器是系統(tǒng)中的重要部件。
2.3直接空冷通風(fēng)系統(tǒng)
直接空冷系統(tǒng)散熱目前均采用強(qiáng)制通風(fēng)，為減少風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)大型空冷機(jī)組宜采用大直徑軸流風(fēng)機(jī)，通常直徑達(dá)9.14m或10. 36m，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制可分為單速、雙速及變頻調(diào)速等多種類型，一般可根據(jù)工程條件選擇任一種或幾種優(yōu)化組合方案。就目前國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)而言，采用變頻調(diào)速更有利于變工況運(yùn)行，同時(shí)也可大大降低廠用電耗，并實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟起動(dòng)，避免電網(wǎng)沖擊，降低電機(jī)噪聲和磨損，這有利于保護(hù)環(huán)境，降低維護(hù)費(fèi)用并極大的延長(zhǎng)了空冷器的使用壽命。國(guó)內(nèi)電廠單臺(tái)300Nll/V/600 ldW直接空冷機(jī)組軸流冷卻風(fēng)機(jī)典型配置如圖表2所示。
軸流冷卻風(fēng)機(jī)一般在一個(gè)水平平面內(nèi)布置，形成了龐大的軸流冷卻風(fēng)機(jī)群，電廠設(shè)有空冷器變頻間，龐大的變頻控制柜矩陣布置在空冷器變頻間，變頻控制柜通過硬接線和通訊與主DCS或空冷系統(tǒng)DCS相連接，DCS能根據(jù)不同的蒸汽負(fù)荷和環(huán)境溫度控制風(fēng)機(jī)啟停及轉(zhuǎn)速，使汽輪機(jī)的排汽壓力保持恒定。
單臺(tái)600Mw機(jī)組空冷凝汽器及軸流風(fēng)機(jī)排列配置如圖表3所示。
直接空冷系統(tǒng)實(shí)景圖如圖表4所示。
3、直接空冷系統(tǒng)對(duì)變頻器的要求
3.1 一般要求
(1)由于軸流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，變頻器必須滿足軸流風(fēng)機(jī)的重載啟動(dòng)與運(yùn)行要求，過載能力要高于一般風(fēng)機(jī)應(yīng)用水平，60s過電流能力要在120%以上。
(2)變頻器要滿足適應(yīng)風(fēng)機(jī)類變轉(zhuǎn)矩負(fù)載的應(yīng)用要求，其控制方式要采用V／F平方特性曲線，最好采用基于磁通矢量控制的節(jié)能控制模式，以實(shí)現(xiàn)負(fù)載較輕時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，從而降低功耗，提高效率，在最大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)節(jié)能。
(3)由于軸流風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制要求在300/6～120%額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，變頻器必須具有較寬的頻率輸出范圍，同時(shí)必須考慮變頻器由于轉(zhuǎn)速提高所引起的轉(zhuǎn)矩?fù)p失，以及由于電機(jī)、齒輪箱、電纜及濾波器導(dǎo)致的功率損失，必要時(shí)可考慮放大一級(jí)選擇變頻器，以取得良好的過載能力、制動(dòng)能力及過熱能力。
(4)變頻器必須要具備較寬的開關(guān)頻率調(diào)整范圍，并能夠根據(jù)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)自動(dòng)調(diào)整，從而有效的降低電機(jī)噪音及溫升。
(5)變頻器必須具備較寬的電壓波動(dòng)范圍，以滿足電網(wǎng)電壓跌落到電機(jī)額定電壓80%左右時(shí)，仍能使軸流風(fēng)機(jī)正常起動(dòng)或運(yùn)行，并且在電源電壓瞬時(shí)掉電以及跌落5096的水平時(shí)仍能保證連續(xù)運(yùn)行。
(6)變頻器自身的EMC水平必須滿足IEC/EN61800 -3的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，包括EMC抗干擾性、傳導(dǎo)和輻射式的ENIC電磁兼容性及電流諧波水平等。如變頻器不滿足上述標(biāo)準(zhǔn)必須加裝相應(yīng)附件。如為提高EhfC抗干擾性及傳導(dǎo)和輻射式的EMC電磁兼容性必須在輸入側(cè)和輸出側(cè)加裝EMc濾波器；為降低電流諧波水平必須使用直流電抗器或交流進(jìn)線電抗器；為降低諧波對(duì)電機(jī)及長(zhǎng)距離傳輸轉(zhuǎn)矩?fù)p失的影響必須使用輸出電抗器或DV/DT濾波器：為防止變頻器EMC電磁干擾對(duì)周圍設(shè)備及電機(jī)產(chǎn)生影響必須選擇使用屏蔽電纜或變頻專用電纜。
（”由于直接空冷系統(tǒng)變頻器較為集中，電流諧波較大，因此要求變頻系統(tǒng)必須滿足國(guó)標(biāo)GB/T14549 - 93-電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波標(biāo)準(zhǔn)。如不滿足需考慮相應(yīng)治理措施，如為變頻器增設(shè)無源濾波器或采用有源濾波器綜合治理案。
(8)為方便現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視，要求變頻器配備LCD中文顯示面板。
(9)變頻器必須要具有足夠的輸入輸出接口，并支持至少一種主流工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議，如Modbus，Canopen，Profibus DP，DeviceNet，EtherNet等，用于接受DCS系統(tǒng)或其他控制系統(tǒng)的指令，并反饋?zhàn)冾l裝置的主要狀態(tài)信號(hào)及報(bào)警信號(hào)。
(10)變頻器必須具有適合直接空冷風(fēng)機(jī)控制的常用功能，如旋轉(zhuǎn)負(fù)載捕捉、自動(dòng)重起動(dòng)、飛車起動(dòng)及直流制動(dòng)或回饋制動(dòng)等。
(11)變頻器必須具備齊全的保護(hù)功能：對(duì)自身要具備過熱保護(hù)、功率元件診斷、輸入輸出缺相、直流母線過壓等自我保護(hù)措施；對(duì)電機(jī)要能提供過載、欠載，接地、過壓、欠壓、過熱、缺相等保護(hù)，并可與電機(jī)PTC熱敏元件相連，實(shí)現(xiàn)直接的過熱保護(hù)，而不需要增加轉(zhuǎn)換元件。
(12)變頻器必須具備故障管理功能，當(dāng)變頻器出現(xiàn)如電機(jī)過熱、電機(jī)缺相、0--20mA信號(hào)缺失、通訊丟失等故障時(shí)，能夠選擇不同的處理方式，如忽略、報(bào)警、停機(jī)或保持等，在最大程度上保證負(fù)載或系統(tǒng)的運(yùn)行安全。
3.2 控制要求
(1)變頻器設(shè)計(jì)時(shí)要考慮風(fēng)機(jī)的反向旋轉(zhuǎn)，需要為正向和反向運(yùn)行分別分配一個(gè)邏輯輸入端子。
(2)變頻器的操作面板安裝在控制柜的柜門上，用于監(jiān)視電機(jī)運(yùn)行的相關(guān)參數(shù)，如電流、頻率、轉(zhuǎn)速及有功功率等，同時(shí)用于實(shí)現(xiàn)切換為本地面板控制功能，正向或反向運(yùn)行、故障復(fù)位及頻率調(diào)整等均通過操作面板進(jìn)行。
(3)變頻器控制柜設(shè)操作員控制及指示裝置控制裝置包括手自動(dòng)切換開關(guān)、手動(dòng)速度調(diào)整電位器、正向和反向運(yùn)行、停止按鈕，故障復(fù)位按鈕等：指示裝置包括電源指示、變頻器正反轉(zhuǎn)運(yùn)行及故障指示等。
(4)控制柜與DCS或其他控制系統(tǒng)的接口：采用輸入輸出方式或通訊方式。采用輸入輸出方式時(shí)，變頻器為上位系統(tǒng)提供變頻器正反轉(zhuǎn)運(yùn)行及故障信號(hào)，2路0～20mA模擬量信號(hào)（用于顯示電流及頻率）；上位系統(tǒng)為變頻器提供正反起停信號(hào)、故障復(fù)位信號(hào)、l路0—20mA模擬量信號(hào)（用于變頻器頻率給定及調(diào)整）；采用通訊方式時(shí)，變頻器僅需要根據(jù)上位系統(tǒng)總線類型提供一個(gè)通訊接口，所有控制及狀態(tài)監(jiān)視均通過通訊完成，在通訊模式下需要為變頻器提供獨(dú)立的DC24V控制電源，保證通訊可靠。
(5)根據(jù)系統(tǒng)情況，可為每臺(tái)變頻器控制柜或一組變頻器控制柜配置PLC控制器，實(shí)現(xiàn)本地控制或用于通訊管理。
(6)控制方式說明：變頻系統(tǒng)具備三種控制模式——上位系統(tǒng)自動(dòng)控制、控制柜手動(dòng)控制、操作面板控制，在正常生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)，起停、運(yùn)行調(diào)整均由上位系統(tǒng)完成；而調(diào)試或有意外情況時(shí)，切換到本地由柜門操作按鈕或面板來控制。
3.3 變頻器控制柜要求
(1)變頻器控制柜柜體型號(hào)采用標(biāo)準(zhǔn)GGD柜或品牌柜改型，防護(hù)等級(jí)為IP23以上，柜門采取相應(yīng)措施提高抗射頻干擾能力，機(jī)柜要求滿足由柜底或柜頂進(jìn)線的要求。
(2)變頻器控制柜設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到變頻器功率元件的散熱問題，在柜體的下部設(shè)進(jìn)風(fēng)口，在柜體的上部設(shè)強(qiáng)制排風(fēng)扇，風(fēng)扇的流速要大于變頻器自身的散熱風(fēng)扇的流速，另外，出風(fēng)口需設(shè)法蘭接口，以便于與配電室排風(fēng)風(fēng)道連接。
4、ATV61變頻器在直接空冷風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用解決方案
4.1產(chǎn)品簡(jiǎn)介
ATV61系列變頻器是施耐德電氣繼ATV71之后，基于同一技術(shù)平臺(tái)推出的針對(duì)于風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載應(yīng)用的變轉(zhuǎn)矩變頻器，其功率范圍從0. 75kw到1400kw，提供IP20、IP54防護(hù)等級(jí)的單機(jī)產(chǎn)品，90kw以一j：還提供IP23及IP54的整機(jī)機(jī)柜產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于工業(yè)及商業(yè)建筑領(lǐng)域的通風(fēng)、供水及暖通空調(diào)等場(chǎng)合，ATV61有著較高的技術(shù)性能指標(biāo)，如圖表5所示。
4.2產(chǎn)品選型
為滿足直接空冷系統(tǒng)對(duì)變頻器的要求，ATV61的選型方案如下所示（以132KW電機(jī)為例）；
(1)選擇IP20不帶直流電抗器的單機(jī)產(chǎn)品，型號(hào)為ATV61HC13N4D，也可根據(jù)工程實(shí)際情況放大一級(jí)選用，以提高抗過載能力，型號(hào)為ATV61HC16N4D。
(2)配置交流進(jìn)線電抗器選件，用于滿足IEC/EN61800-3關(guān)于產(chǎn)品的諧波電流標(biāo)準(zhǔn)，選件型號(hào)為VW3 A4 560。
(3)配置電機(jī)電抗器，用于抑制輸出側(cè)DV/DT，減少變頻器對(duì)地泄漏電流及改善輸入到電機(jī)的電流波形，降低轉(zhuǎn)矩?fù)p失及增大變頻器的輸出距離，選件型號(hào)為VW3 A5 105。
(4)選擇屏蔽電纜或變頻專用電纜，用于減少變頻器對(duì)周圍其他設(shè)備的電磁干擾。
(5)采用輸入輸由控制方式時(shí)，配置I/O擴(kuò)展卡，滿足模擬量輸出及邏輯和繼電器輸出需求，選件型號(hào)為VW3 A3
202.
(6)采用通訊控制方式時(shí)，根據(jù)工程需要配置通訊接口類型，建議采用內(nèi)置的CanOpen總線協(xié)議。
(7)其他均采用ATV61的標(biāo)準(zhǔn)酉己置方案，如A級(jí)EMC濾波器，中文顯示面板等。
4.3應(yīng)用方案祥解
4.3.1方案一：采用輸入輸出控制方式
該方案控制原理圖如圖表6所示。
4.3.2方案二：采用通訊控制方式
該方案控制原理圖如圖表7所示。
4.4調(diào)試軟件
直接宅冷電廠大量應(yīng)用變頻器，這為設(shè)備的調(diào)試和維護(hù)工作帶來了新的挑戰(zhàn)，選擇基于PC的變頻器調(diào)試軟件可以很好的解決這一問題。施耐德提供PowerSuite軟件工具包用于ATV61變頻器及其他電機(jī)控制設(shè)備的設(shè)置及調(diào)試工作。PowerSuite支持Modbus、Modbus TCP及Bluetooth等眾多連接類型，并且除支持單個(gè)設(shè)備的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接之外，還支持多個(gè)設(shè)備的多點(diǎn)連接，為設(shè)備調(diào)試和維護(hù)，以及遠(yuǎn)程監(jiān)視和診斷提供了靈活的解決方案。
PowerSuite的應(yīng)用功能如圖表8所示。
PowerSuite的用戶界面如圖表9所示。
4.5 方案優(yōu)勢(shì)
ATV61變頻器應(yīng)用于直接空冷系統(tǒng)的主要優(yōu)勢(shì)如圖表10所示。
五、結(jié)束語(yǔ)
ATV61是施耐德最新推出的專注于風(fēng)機(jī)泵類應(yīng)用的高性能變頻器，完全勝任直接空冷系統(tǒng)對(duì)變頻器的眾多要求。無論采用傳統(tǒng)的輸入輸出控制方式，還是采用基于通訊的控制方式，ATV61均能提供優(yōu)異的解決方案，并保證系統(tǒng)運(yùn)行可靠，值得在空冷電廠中廣泛推廣采用。
三門峽富通新能源可以根據(jù)客戶的需求定做各種類型的高低壓配電柜。（鞏義配電柜定做、三門峽配電柜定做、洛陽(yáng)配電柜定做、鄭州配電柜定做）
