黎安軍

（廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州 510635）

0 引言

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(jī)組以其效率高、造價(jià)低得到全面推廣。但燈泡貫流式機(jī)組因受燈泡比的影響，發(fā)電機(jī)的直徑要比常規(guī)機(jī)組小，對發(fā)電機(jī)的通風(fēng)冷卻不利。因此，燈泡貫流式機(jī)組一般設(shè)有風(fēng)機(jī)冷卻。本文就從節(jié)能角度出發(fā)設(shè)計(jì)了一套發(fā)電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)變頻控制方案。該控制方案是利用發(fā)電機(jī)組的周圍環(huán)境溫度和發(fā)電機(jī)組實(shí)時(shí)輸出功率作為變頻調(diào)速控制方案的輸入?yún)⒘?，加入PLC 的PID 控制算法，最終達(dá)到優(yōu)化冷卻風(fēng)機(jī)冷卻效果及節(jié)約電能的效果。

1 系統(tǒng)介紹

一方面為了使燈泡貫流式發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)發(fā)電機(jī)溫度得到有效控制，減少機(jī)組老化，另一方面為燈泡貫流式發(fā)電機(jī)組增容做好準(zhǔn)備，本文經(jīng)過燈泡貫流式機(jī)組數(shù)據(jù)累計(jì)觀察對比，設(shè)計(jì)了一套基于PLC控制的變頻調(diào)速風(fēng)冷卻系統(tǒng)。這種水輪發(fā)電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)效果好，特別在機(jī)組負(fù)荷較高時(shí)，發(fā)電機(jī)溫度相對其他普通風(fēng)冷系統(tǒng)有明顯降低。下面以一臺單機(jī)負(fù)荷為16 000 kW的燈泡貫流式發(fā)電機(jī)組為例介紹本系統(tǒng)。一般情況下，每臺發(fā)電機(jī)組配置6 臺冷卻風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)電機(jī)功率為10kW/臺。為了使機(jī)組冷卻風(fēng)機(jī)系統(tǒng)更加完善，在保證發(fā)電機(jī)溫度得到有效控制的前提下，更加節(jié)能（特別是枯水期機(jī)組在低負(fù)荷運(yùn)行情況下），本系統(tǒng)設(shè)有風(fēng)機(jī)分組和變頻調(diào)速兩層控制，當(dāng)發(fā)電機(jī)在負(fù)荷低谷運(yùn)行時(shí)，發(fā)熱量小，冷卻控制系統(tǒng)只啟動3 臺風(fēng)機(jī)（在位置分布上隔開排列）低頻運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)發(fā)電機(jī)在負(fù)荷高峰運(yùn)行時(shí)，發(fā)熱量大，冷卻控制系統(tǒng)啟動6 臺風(fēng)機(jī)并且高頻運(yùn)轉(zhuǎn)。不管是負(fù)荷高峰還是低谷，本系統(tǒng)都會使得發(fā)電機(jī)組最終停留在基本恒定溫度th的工況下運(yùn)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(yùn)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(fēng)機(jī)的耗能，但是，會使發(fā)電機(jī)組長期處在高溫下運(yùn)行，加劇發(fā)電機(jī)組的老化；th的值偏小，可以減少發(fā)電機(jī)組的老化，但是，冷卻風(fēng)機(jī)的耗能會上升，發(fā)電機(jī)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(jī)內(nèi)部會發(fā)生短路[1]。本控制系統(tǒng)根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)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(shí)時(shí)輸出功率設(shè)置th控制值，PLC利用采集的溫度參數(shù)和機(jī)組出力的參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算比較最終決定th的值和控制電機(jī)的方式。

水輪發(fā)電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)主要由溫度傳感器、PLC、變頻器、風(fēng)道、動力控制線路以及6 臺風(fēng)機(jī)等組成。風(fēng)道的設(shè)計(jì)主要是盡量降低風(fēng)阻，風(fēng)道的風(fēng)阻會直接影響本系統(tǒng)的冷卻效率。只要風(fēng)道的風(fēng)阻降到最低，其余的節(jié)能任務(wù)就交給了電氣控制部分。

2 控制原理及系統(tǒng)任務(wù)的實(shí)現(xiàn)

2.1 控制原理

水輪發(fā)電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)主要由可編程控制器（PLC）擔(dān)任控制“總指揮”，負(fù)責(zé)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(gè)溫度參數(shù)。通過另一AI模塊接機(jī)組功率計(jì)輸出4～20 mA的模擬信號，采集機(jī)組出力。通過與變頻器的通信控制風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)頻率和獲取實(shí)時(shí)風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)的運(yùn)行方式[2]。根據(jù)水輪發(fā)電機(jī)開機(jī)的特性，PLC設(shè)定了一系列順序邏輯控制流程。機(jī)組開機(jī)時(shí)，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(fēng)機(jī)投入，在50 Hz（全功率）運(yùn)行3小時(shí)后，發(fā)電機(jī)溫度趨于穩(wěn)定。這時(shí)PLC 進(jìn)入一個(gè)查表（為專家經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表）的程序，表1為機(jī)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(shè)有發(fā)電機(jī)不同出力段對應(yīng)不同的基本恒定溫度th值。若機(jī)組溫度大于對應(yīng)的th最大動態(tài)允許值時(shí)，冷卻風(fēng)機(jī)仍然以50 Hz（全功率）運(yùn)行。當(dāng)機(jī)組溫度低于th最小動態(tài)允許值時(shí)，PLC給變頻器發(fā)出降頻指令；當(dāng)機(jī)組溫度高于th最大動態(tài)允許值時(shí)，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(fēng)機(jī)的實(shí)時(shí)頻率；K——系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)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(yùn)行。當(dāng)發(fā)電機(jī)溫度低于目標(biāo)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(fēng)機(jī)頻率增加或減少；當(dāng)變頻器工作在頻率設(shè)定上限值，發(fā)電機(jī)溫度仍然高于目標(biāo)范圍，PLC 控制所有風(fēng)機(jī)保持50 Hz 運(yùn)行；當(dāng)變頻器工作在頻率設(shè)定下限值，發(fā)電機(jī)溫度仍然低于目標(biāo)范圍，PLC 自動將所有風(fēng)機(jī)電機(jī)保持在頻率下限運(yùn)行；當(dāng)變頻器在工作狀態(tài)下，發(fā)電機(jī)溫度穩(wěn)定在目標(biāo)范圍內(nèi)，PLC 自動保持輸出頻率不變。機(jī)組停機(jī)完成后，保留3 臺在頻率下限運(yùn)行，投入加熱器，2 小時(shí)自動輪換另外3 臺風(fēng)機(jī)，以單雙號輪換運(yùn)行，既節(jié)能又能保持發(fā)電機(jī)內(nèi)部溫度，避免發(fā)電機(jī)受潮。

2.2 運(yùn)行方式

水輪發(fā)電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)主要有兩種運(yùn)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(fēng)機(jī)起動、停止、變頻的全部操作過程，達(dá)到基本恒溫控制。

（2）半自動溫度——頻點(diǎn)控制法，根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)配合PID 控制法得到的數(shù)據(jù)，設(shè)置區(qū)間定頻控制。即發(fā)電機(jī)組在相應(yīng)的功率區(qū)間允許在某個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)運(yùn)行，若超出該區(qū)間允許溫度變頻器會提高現(xiàn)有風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)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(jī)組處在何種工況里，只要溫度出現(xiàn)突發(fā)上升（在較短時(shí)間內(nèi)溫度升幅較大）控制系統(tǒng)會啟動6 臺風(fēng)機(jī)全功率輸出冷卻，同時(shí)發(fā)出發(fā)電機(jī)組溫度異常報(bào)警。

表2 區(qū)間頻率對照表

3 小結(jié)

本文介紹的水輪發(fā)電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)以“基本恒定溫度”為控制目標(biāo)。提高了風(fēng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的效率，減少了不必要的能源浪費(fèi)同時(shí)降低了發(fā)電機(jī)組的老化。

［1］謝云敏.水電站計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì).安裝與調(diào)試［M］.北京：中國水利水電出版社，2012.