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        水輪發(fā)電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

        2013-06-06 04:33:40黎安軍
        機(jī)電工程技術(shù) 2013年6期
        關(guān)鍵詞:貫流式發(fā)電機(jī)組燈泡

        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.

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