黎安軍
(廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學院,廣東廣州 510635)
隨著水力資源的不斷開發(fā),我國高水頭的水力發(fā)電得到了充分的利用,現(xiàn)正轉(zhuǎn)向了低水頭的水力發(fā)電的開發(fā)。在低水頭的水電站中,燈泡貫流式機組以其效率高、造價低得到全面推廣。但燈泡貫流式機組因受燈泡比的影響,發(fā)電機的直徑要比常規(guī)機組小,對發(fā)電機的通風冷卻不利。因此,燈泡貫流式機組一般設有風機冷卻。本文就從節(jié)能角度出發(fā)設計了一套發(fā)電機冷卻風機變頻控制方案。該控制方案是利用發(fā)電機組的周圍環(huán)境溫度和發(fā)電機組實時輸出功率作為變頻調(diào)速控制方案的輸入?yún)⒘浚尤隤LC 的PID 控制算法,最終達到優(yōu)化冷卻風機冷卻效果及節(jié)約電能的效果。
一方面為了使燈泡貫流式發(fā)電機組運行時發(fā)電機溫度得到有效控制,減少機組老化,另一方面為燈泡貫流式發(fā)電機組增容做好準備,本文經(jīng)過燈泡貫流式機組數(shù)據(jù)累計觀察對比,設計了一套基于PLC控制的變頻調(diào)速風冷卻系統(tǒng)。這種水輪發(fā)電機冷卻風機變頻控制系統(tǒng)效果好,特別在機組負荷較高時,發(fā)電機溫度相對其他普通風冷系統(tǒng)有明顯降低。下面以一臺單機負荷為16 000 kW的燈泡貫流式發(fā)電機組為例介紹本系統(tǒng)。一般情況下,每臺發(fā)電機組配置6 臺冷卻風機,風機電機功率為10kW/臺。為了使機組冷卻風機系統(tǒng)更加完善,在保證發(fā)電機溫度得到有效控制的前提下,更加節(jié)能(特別是枯水期機組在低負荷運行情況下),本系統(tǒng)設有風機分組和變頻調(diào)速兩層控制,當發(fā)電機在負荷低谷運行時,發(fā)熱量小,冷卻控制系統(tǒng)只啟動3 臺風機(在位置分布上隔開排列)低頻運轉(zhuǎn)。當發(fā)電機在負荷高峰運行時,發(fā)熱量大,冷卻控制系統(tǒng)啟動6 臺風機并且高頻運轉(zhuǎn)。不管是負荷高峰還是低谷,本系統(tǒng)都會使得發(fā)電機組最終停留在基本恒定溫度th的工況下運行,控制原理如圖1 所示。
圖1 控制原理
基本恒定溫度的控制系統(tǒng)最大限度節(jié)能,并使系統(tǒng)處于可靠運行的狀態(tài)?;竞銣囟萾h的值的選定非常重要。th的值偏大,可以節(jié)省冷卻風機的耗能,但是,會使發(fā)電機組長期處在高溫下運行,加劇發(fā)電機組的老化;th的值偏小,可以減少發(fā)電機組的老化,但是,冷卻風機的耗能會上升,發(fā)電機組長期處于較低溫度,線圈繞組容易形成冷凝水,絕緣容易擊穿,發(fā)電機內(nèi)部會發(fā)生短路[1]。本控制系統(tǒng)根據(jù)專家經(jīng)驗和試驗結(jié)果確定基本恒定溫度th在55℃~80℃之間。在此區(qū)間會分段按實時輸出功率設置th控制值,PLC利用采集的溫度參數(shù)和機組出力的參數(shù)進行運算比較最終決定th的值和控制電機的方式。
水輪發(fā)電機冷卻風機變頻控制系統(tǒng)主要由溫度傳感器、PLC、變頻器、風道、動力控制線路以及6 臺風機等組成。風道的設計主要是盡量降低風阻,風道的風阻會直接影響本系統(tǒng)的冷卻效率。只要風道的風阻降到最低,其余的節(jié)能任務就交給了電氣控制部分。
水輪發(fā)電機冷卻風機變頻控制系統(tǒng)主要由可編程控制器(PLC)擔任控制“總指揮”,負責接收數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、決定控制方案、輸出控制。PLC通過AI模塊接收溫度傳感器輸出4~20 mA的模擬信號,采集各個溫度參數(shù)。通過另一AI模塊接機組功率計輸出4~20 mA的模擬信號,采集機組出力。通過與變頻器的通信控制風機實時頻率和獲取實時風機的轉(zhuǎn)速。綜合各種參數(shù)后輸出模塊DO控制交流接觸器調(diào)節(jié)風機的運行方式[2]。根據(jù)水輪發(fā)電機開機的特性,PLC設定了一系列順序邏輯控制流程。機組開機時,檢測變頻器是否啟動,如果變頻器未啟動則將其啟動,全部風機投入,在50 Hz(全功率)運行3小時后,發(fā)電機溫度趨于穩(wěn)定。這時PLC 進入一個查表(為專家經(jīng)驗數(shù)據(jù)表)的程序,表1為機組出力與溫度th值對照表。
表1 基本恒定溫度th值對照表
表中設有發(fā)電機不同出力段對應不同的基本恒定溫度th值。若機組溫度大于對應的th最大動態(tài)允許值時,冷卻風機仍然以50 Hz(全功率)運行。當機組溫度低于th最小動態(tài)允許值時,PLC給變頻器發(fā)出降頻指令;當機組溫度高于th最大動態(tài)允許值時,PLC 給變頻器發(fā)出升頻指令。降頻幅度與升頻幅度均由PLC 內(nèi)部的PID 算法決定,公式如下(公式1):
說明:f ——冷卻風機的實時頻率;K——系統(tǒng)的經(jīng)驗系數(shù);T——溫度;Δ th——基本恒定溫度變化量。
PLC自動控制繼續(xù)保持50 Hz運行。當發(fā)電機溫度低于目標范圍下限,PLC 控制自動根據(jù)溫度上升或下降變化調(diào)節(jié)風機頻率增加或減少;當變頻器工作在頻率設定上限值,發(fā)電機溫度仍然高于目標范圍,PLC 控制所有風機保持50 Hz 運行;當變頻器工作在頻率設定下限值,發(fā)電機溫度仍然低于目標范圍,PLC 自動將所有風機電機保持在頻率下限運行;當變頻器在工作狀態(tài)下,發(fā)電機溫度穩(wěn)定在目標范圍內(nèi),PLC 自動保持輸出頻率不變。機組停機完成后,保留3 臺在頻率下限運行,投入加熱器,2 小時自動輪換另外3 臺風機,以單雙號輪換運行,既節(jié)能又能保持發(fā)電機內(nèi)部溫度,避免發(fā)電機受潮。
水輪發(fā)電機冷卻風機變頻控制系統(tǒng)主要有兩種運行方式。
(1)全自動PID 控制法,使用可編程控制器內(nèi)置PID公式算法(以公式1為算法)變頻自動調(diào)節(jié)頻率,系統(tǒng)自動完成對多臺風機起動、停止、變頻的全部操作過程,達到基本恒溫控制。
(2)半自動溫度——頻點控制法,根據(jù)專家經(jīng)驗配合PID 控制法得到的數(shù)據(jù),設置區(qū)間定頻控制。即發(fā)電機組在相應的功率區(qū)間允許在某個溫度區(qū)間內(nèi)運行,若超出該區(qū)間允許溫度變頻器會提高現(xiàn)有風機轉(zhuǎn)動頻率,每超出該區(qū)間最高允許溫度5 分鐘一次,則風機轉(zhuǎn)動頻率向上加5 Hz。反之,每低于該區(qū)間最小允許溫度20分鐘一次,則風機轉(zhuǎn)動頻率向下減5 Hz。變化后的頻率參照如表2。
在上述的兩種控制方式中,不管機組處在何種工況里,只要溫度出現(xiàn)突發(fā)上升(在較短時間內(nèi)溫度升幅較大)控制系統(tǒng)會啟動6 臺風機全功率輸出冷卻,同時發(fā)出發(fā)電機組溫度異常報警。
表2 區(qū)間頻率對照表
本文介紹的水輪發(fā)電機冷卻風機變頻控制系統(tǒng)以“基本恒定溫度”為控制目標。提高了風機冷卻系統(tǒng)的效率,減少了不必要的能源浪費同時降低了發(fā)電機組的老化。
[1]謝云敏.水電站計算機監(jiān)控技術(shù)[M].北京:中國水利水電出版社,2006.
[2]鄭程遙.水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)設計.安裝與調(diào)試[M].北京:中國水利水電出版社,2012.