浅谈电厂冷却塔风机软启动改造

郭晟昆

（广州大学城华电新能源有限公司 广东广州 510000）

0 引言

大功率交流电机直接启动（硬启动）会产生一系列的电器和机械问题。电器方面，启动时可达5 倍～7 倍的额定电流，电动机绕组因电流引起过温，造成供电网络电压波动，影响其他设备的正常运行；机械方面，过大的启动转矩产生机械冲击，对其带动的设备造成大的冲击力，缩短使用寿命，影响精确度，如使联轴器损坏、皮带撕裂等，造成机械传动的非正常磨损及冲击，加速老化，缩短寿命［1］。为改善启动性能，通用做法是采取软启动方式。启动方式有自耦变压器降压启动、星三角降压启动、电力软启动器启动、变频器启动等电力软启动方式，以及采用液力耦合器及其他一些性能更好的机电一体化软启动产品。其中，电力软启动器启动在降低启动电流、改善启动性能方面有着较高性价比，在国内外得到了广泛的应用［2］。

1 机组概况及暴露的问题

1.1 硬启动暴露的问题

本厂冷却塔风机电动机为上海电机YD355L1-8/4W，额定功率60/160 kW，额定电流131/277 A，额定转速745/1485 r/min，采用双速风机硬启动方式。直接启动电动机时，启动电流倍数K1应满足公式（1）所含的条件：

式中：Ist为电动机的启动电流，A；In为电动机的额定电流，A；Sn 为电源的总容量，kVA；Pn为电动机的额定功率，kW。

本厂站用变额定容量Sn取2 000 kVA；Ist/In比值取启动时最大值为7；Pn取冷却塔风机低速启动60 kW，得出K1=7≤9.08。虽然可以直接启动（硬启动）并且对母线电压降不大于10%，但是多年的频繁启停，我们仍然发现许多硬启动方式对冷却塔风机机械及电气方面产生的不良影响。通过对冷却塔风机机械及电气缺陷的分析，总结电机在硬启动下方式所暴露出的问题。

启动时，硬启动方式对冷却塔风机机械部分的齿轮箱冲击较大，机械磨损问题突出。对比减速箱齿轮及扇叶的检修情况，发现硬启动对机械的冲击比较大，机械磨损造成振动偏大，也影响到了电机的稳定运行；高低速切换繁琐，切换时必须停下电动机；电机的频繁启停让电机承受过多的大电流冲击，容易发生绕组绝缘被击穿，影响电机的使用寿命。硬启动造成启动电流过大耗电量大，启动力矩不可调，启动不稳定。如果启动过程中电动机跳闸，甚至对开关及厂用电系统造成冲击，影响其他设备的正常运行，所造成的电压降会影响同一电网变压器下其它电气设备的正常工作。本厂的冷却塔风机电机直接启动，电流过大产生的冲击损伤是很明显的，双速切换逻辑繁琐，不利于操作。硬启动方式在切换高速、低速运行时，要先停电动机才能实现切换，降低了工作效率，不利于运行人员操作。启动时产生的巨大噪声扰民等现象，以及暴露出的其他问题也需要改进完善。

1.2 软启动器的方案确定

分析前文提出的4 种软启动方式：自耦变压器降压启动方式需另外单独配置1 台自耦变压器，体积大、质量大，不适用于冷却塔塔风机控制柜现有的布局结构；星三角降压启动时，启动电流只有全电压启动电流的1/3，启动力矩只有全电压启动力矩的1/3，导致力矩不足使电机启动失败，且在星三角转换时会产生冲击电流对电网造成冲击；变频器启动方式需要额外购置变频器及其相应配件，投资成本巨大，不符合经济效益最优化原则。故本次冷却塔风机双速电机使用软启动器启动方式，其启动初始电压及启动初始力矩均可根据需求自行调节，启动平滑性、柔性好，并且软启动的功能同样也可以用来电机制动，实现软停车，降低启动时对减速箱的冲击力度，同时控制启动电流，消除对厂用电系统的影响。结合前期润滑油系统改造，将润滑油泵控制进一步整合，优化系统控制模式，提高可靠性，简化操作，提高效率。

1.3 项目装置介绍

本项目计划重新制作冷却塔风机启动控制箱，安装于冷却塔风机平台，整合风机软启动控制、高低速切换、润滑油系统控制及联锁、保护及故障报警、运行参数监视及设置、箱内环境控制等功能。软启动器选用施耐德ATS48C41Q 软启动器，由三相反并联的晶闸管构成。它串接在三相电源与电动机之间，通过改变晶闸管门极脉冲触发角度，使晶闸管导通角从零逐渐增大。根据预先设置的软启动器参数曲线，电动机输出力矩随电机上的端电压的增大而逐渐增大，转速随之逐步提高，直至达到额定端电压、额定转矩和转速，启动过程结束［2］。控制逻辑由西门子S7-200 PLC 实现，自行开发显示操作界面（基于单片机系统及图文液晶显示屏）用作运行参数监视设置。控制箱用304 不锈钢制造，提高防雨、防尘、防小动物等防护等级，箱内安装温湿度传感器、加热器、冷却通风风扇等环境控制设备。

2 改造实施方案

2.1 软启动改造的运行原理

施耐德ATS48C41Q 软启动器启动模式丰富、保护功能完善、可设置第二电机参数（本案作低速参数），较适合启动双速电机。软启动器由PLC 控制，PLC 通过开出点启动软启动器。软启动器按预设参数启动电机，主回路用软启动来切换。软启动接入电源和电动机定子之间。使用软启启动电动机时，输出电压逐渐增加，电动机逐渐加速，直到达到全压，电流达到最大后逐渐降低。待电机达到额定转数时，启动过程结束［3］。启动完成后通过接点信号反馈至PLC，由PLC 控制合上旁路接触器KM 完成启动过程，为电机提供高速运行时的额定电压，实现了启动过程中的平滑启动，大幅降低了启动电流和电压暂降幅度，减少了高次谐波含量，延长了电机使用寿命和检修周期。

2.2 软启动改造的目标

将冷却塔风机的直接启动改为软启动，降低启动电流和启动力矩，减少对设备的冲击磨损。冷却塔风机一次启动原理见图1。

图1 冷却塔风机一次启动原理图

（1）高、低速切换由KMyy1、KMyy2、KMd 3 个接触器组成，KMyy1、KMyy2 吸合时，电机绕组接成双Y，电机处于高速状态；KMd 吸合时，电机绕组接成三角，电机处于低速状态。两组接触器互锁，防止形成短路。当软启动完成后，旁路接触器KM吸合，将软启动器旁路。

（2）润滑油泵由PLC 控制，设有热继电器保护，油压经变送器转换成4 mA～20 mA 信号送入PLC AI 模块，作为保护及逻辑控制用。

（3）简化双速切换，提高自动化程度。

3 效益分析

3.1 经济效益

本厂塔风机共3 台，于2015 年10 月至11 月期间改造完成#1 冷却塔风机，2016 年上半年陆续完成另外2 台冷却塔风机的改造项目。投入运行以来，经自检及运行人员巡检，软启动装置运行正常，冷却塔风机启动时噪声明显减小。改造前冷却塔风机电机启动电流峰值约为2 000 A 左右，改造后约为1 000 A 左右，峰值降低50%，启动电流大幅度降低，延长了电机的使用寿命。本厂为调峰机组，调度根据电网负荷波动下达早起晚停任务，峰电、平电时段为2 套机组满负荷运行，谷电时段停1 套机组，单套机组运行，故冷却塔风机改变启停次数，平均每年300 次以上，个别年份启停次数可达400 次以上。

本厂冷却塔风机主要用于冷却厂用循环水，保证凝汽器真空度及使用厂用循环水设备的电机温度处在最经济运行温度。影响冷却塔风机耗电量的主要因素为本厂冷却塔风机启动台数及功率，根据当时发电机运行机组数及温度状况（低温条件下厂用循环水温度低于启动冷却塔风机降温的最低数值，高温条件下启动多台冷却塔风机冷却厂用循环水温度），其余各类因素为偶然因素或无法统计数据，不计入统计。发电机运行机组数难以统计。现使用年发电量与冷却塔风机年耗电量进行对比，另列出当年的年平均最高温度及年平均最低温度，具体见表1。

表1 2015～2017 年冷却塔塔风机、发电机运行机组及温度状况统计表

由表1 可知，对比2017 年与2016 年度数据，在年平均最高温跟最低温均大于2016 年度的情况下，冷却塔风机耗电率反而下降了约0.03%，降低了生产运行成本，做到了节能降耗。得益于软启动器控制的优越性，检修人员对冷却塔风机减速箱及电机的维修周期跟更换频率大幅减少，原件磨损的更换费用、厂家派遣的技术人员费用及冷却塔风机故障维修期间的发电量损失也大幅降低。

3.2 安全效益

机组运行时，若其中1 台冷却塔风机因故障停运，会导致循环冷却水温度上升3 ℃～5 ℃，影响机组效率，降低机组的出力，因此冷却塔风机对维持厂用循环水温度非常重要。冷却塔风机维护与更换耗时长，严重影机组循环水温，进而对机组的安全运营造成非常大的影响。若冷却塔风机同时出现故障问题，将会导致机组全部停运退出备用等严重后果。现经改造，机组安全可靠性大大增加，提高了安全效益。

另外，改造前，冷却塔风机润滑油泵未设定与冷却塔风机的联启联停和运行监视，运行值班人员在启动（停运）冷却塔风机或冷却塔风机运行时要现场操作并确认油泵。若润滑油泵在运行中出现故障，但未能及时发现，将导致齿轮箱及相应系统磨损甚至损坏，后果不堪设想。因此，此次改造加入了联启联停与运行监视功能，更好地保障了机组安全稳定运行。

3.3 社会效益

此次冷却塔风机改造，加装软启动器后，冷却塔风机启动时间较改造前有所减少。且启动时产生的噪音也有明显降低，周边居民投诉减少。

另外，在冷却塔风机改造前的方案论证与改造后的实验中，运行人员对电动机的启动方式进行了深入的学习与广泛的讨论，规范了冷却塔风机的正常启动程序，并对运行人员做了事故预想、事故处理等一系列培训。运行人员对设备的熟悉程度和对电气电机知识的了解程度进一步加深。

4 结论

对冷却塔风机启动装置进行技术改造，能够大大降低发电机的启动电流，减少电机启动时的机械冲击和磨损，电机轴承的运行情况也有所改善，电机的检修周期大大延长，从而提高冷却塔风机的使用寿命，维修费用明显降低。通过几年来的运行观察，验证了冷却塔风机软启动技术路线可行性，节能增效显著，提高了本厂用电系统的可靠性，保障了机组安全稳定运行，取得了较好的综合效益。