電廠引風(fēng)機(jī)采用高壓變頻調(diào)速技術(shù)改造

牛亞軍 姚軍營

【摘要】陜西銀河榆林發(fā)電公司是擁有2×135MW機(jī)組的火電企業(yè)，2012年公司對1號機(jī)組鍋爐的2臺(tái)引風(fēng)機(jī)進(jìn)行高壓變頻改造，取得了良好的節(jié)能效果，促進(jìn)了企業(yè)環(huán)保，提高了企業(yè)效益，為后續(xù)對其他風(fēng)機(jī)的改造提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

【關(guān)鍵詞】鍋爐引風(fēng)機(jī);高壓變頻;節(jié)能

風(fēng)機(jī)是火力電廠鍋爐的重要輔助設(shè)備，對鍋爐正常燃燒起著至關(guān)重要的作用，同時(shí)其功率很大，消耗的電量也是非常可觀。引風(fēng)機(jī)是將燃料在鍋爐中燃燒產(chǎn)生的煙氣排出，并起到維持爐膛內(nèi)負(fù)壓的作用，煙氣在引風(fēng)機(jī)作用下進(jìn)入空預(yù)器——電除塵后進(jìn)入到脫硫系統(tǒng)或直接排入到煙囪。

引風(fēng)機(jī)的耗電量約占廠用電量的25%。由于機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，需要的風(fēng)量比風(fēng)機(jī)額定出力小很多，甚至只有其一半左右，因此運(yùn)行中需要調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的實(shí)際輸送風(fēng)量。我廠風(fēng)機(jī)改造前采用擋板來調(diào)節(jié)和控制風(fēng)量，大部分時(shí)間擋板開度小，只有35%-60%，這樣很多能量被白白消耗在了擋板節(jié)流裝置上，造成了電能的巨大浪費(fèi)。如果能將浪費(fèi)的電能進(jìn)行節(jié)約，對實(shí)踐節(jié)能減排，提高環(huán)保水平、提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益意義很大。

1.設(shè)備概況

銀河榆林發(fā)電公司2*135MW機(jī)組的鍋爐型號為HG440/13.7-YM14，是哈爾濱鍋爐廠有限公司設(shè)計(jì)和制造的單鍋筒、單爐膛、自然循環(huán)、集中下降管、一次中間再熱、四角切向燃燒、л型布置的固態(tài)排渣煤粉鍋爐。在其兩側(cè)分別布置一組送風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)。

引風(fēng)機(jī)技術(shù)參數(shù)：

項(xiàng)目 ?單位 ? ? ? ? 設(shè)計(jì)參數(shù)

型號 ?----- ? ? ? Y4-2*60No22.5F

型式 ?----- ? ? ? 離心風(fēng)機(jī) 雙吸雙

支撐 單葉板

風(fēng)壓 ? Pa ? ? ? ? 4475（計(jì)算3729）

風(fēng)量 ? m?/s ? ? ? 135.85（計(jì)算123.5）

轉(zhuǎn)速 ? r/min ? ? ?980

效率 ? ---- ? ? ? 運(yùn)行工況下～78

調(diào)節(jié)裝置型式 ---- 入口導(dǎo)頁調(diào)節(jié)風(fēng)門

引風(fēng)機(jī)配用電機(jī)參數(shù)：

項(xiàng)目 ?單位 ? ? ? ? 設(shè)計(jì)參數(shù)

型號 ?----- ? ? ? ?YKK560--6

功率 ?KW ? ? ? ? ? ? 900

電壓 ?V ? ? ? ? ? ? 6000

電流 ?A ? ? ? ? ? ? ?107

轉(zhuǎn)速 ?r/min ? ? ? ? ?994

2.存在問題分析

1）我公司6KV引風(fēng)機(jī)電機(jī)功率大，能耗高。負(fù)載率在50%左右，電機(jī)長期處于輕載狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致其效率低、經(jīng)濟(jì)性差，功率因數(shù)低、線損加重。

2）三相電機(jī)的直接啟動(dòng)方式，啟動(dòng)電流很大，一般是額定電流的4-7倍。會(huì)對電機(jī)和通風(fēng)管網(wǎng)造成瞬時(shí)沖擊，縮短設(shè)備使用壽命。

3）風(fēng)門調(diào)節(jié)方式是依靠提高流通阻力來實(shí)現(xiàn)的，屬于耗能型調(diào)節(jié)方式。我廠風(fēng)機(jī)風(fēng)門的開度小，存在大量的電能浪費(fèi)。

4）由于風(fēng)量調(diào)節(jié)擋板裝置老化，故障多，給機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成了威脅

由風(fēng)機(jī)和水泵類負(fù)載的特性可知：其負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。可見，若可以根據(jù)所需的流量調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，就可獲得很好的節(jié)電效果。近年來隨著高壓變頻技術(shù)的發(fā)展，可靠性不斷提高，設(shè)備價(jià)格也不斷下降，高壓大容量變頻器已廣泛應(yīng)用。

3.變頻調(diào)速原理

根據(jù)電機(jī)學(xué)的原理，三相交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為：

上式中n為電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，f為電源頻率，p為電機(jī)的磁極對數(shù)，s為轉(zhuǎn)差率。

變頻調(diào)速是通過改變電源頻率f來調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的?？梢钥闯鰊與f之間為線性關(guān)系，只要改變電機(jī)的運(yùn)行頻率，就可調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這就是變頻調(diào)速的基本原理。

風(fēng)機(jī)水泵類電機(jī)變頻調(diào)速的節(jié)電原理：

對于水泵和風(fēng)機(jī)，由流體動(dòng)力學(xué)的原理可知，流體流量與水泵和風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速一次方成正比：

（Q為流量，n為轉(zhuǎn)速，K1為常量）

于是得到：

水泵或風(fēng)機(jī)的揚(yáng)程（壓力）與轉(zhuǎn)速二次方成正比：

（H為揚(yáng)程，n為轉(zhuǎn)速，K2為常量）

水泵和風(fēng)機(jī)的功率為：

（P為功率，n為轉(zhuǎn)速，K= K1·K2）

則功率與轉(zhuǎn)速三次方成正比，即：

上述各式中，腳標(biāo)“0”均表示額定工況參數(shù)。

則可以得到節(jié)電率的計(jì)算公式：

由以上理論可知水泵風(fēng)機(jī)類負(fù)載，其轉(zhuǎn)速、揚(yáng)程（壓力）和功率的關(guān)系如圖1所示。

圖1 關(guān)系曲線

當(dāng)轉(zhuǎn)速減小時(shí)，電機(jī)的能耗將以其三次方的倍率下降，因此變頻調(diào)速的節(jié)電效果是非常顯著的。

4.變頻器選型及介紹

目前國際公認(rèn)的最佳電機(jī)節(jié)能技術(shù)是變頻調(diào)速技術(shù)。在國內(nèi)，電機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)普遍，并且效果很好。另外，該技術(shù)已經(jīng)寫入“十二五規(guī)劃中”關(guān)于節(jié)能減排的相關(guān)文件里，體現(xiàn)了國家對該技術(shù)的充分肯定。

經(jīng)過調(diào)研，我公司委托北京一家節(jié)能公司對引風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻改造，選用ZINVERT型智能高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，它采用多極H橋功率單元箱級聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)了高壓完美波形輸出，無須升壓即可直接拖動(dòng)普通異步電機(jī)，無須加裝任何濾波器，諧波指標(biāo)嚴(yán)格符合IEC及國標(biāo)對電網(wǎng)諧波最為嚴(yán)酷的要求。

4.1 ZINVERT變頻調(diào)速系統(tǒng)工作原理與結(jié)構(gòu)簡介

ZINVERT系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用功率單元串聯(lián)技術(shù)，解決了器件耐壓的問題，級間SPWM信號移相疊加，提高了輸出電壓諧波性能、降低輸出電壓的dv/dt;通過電流多重化技術(shù)降低輸入側(cè)諧波，減小了對電網(wǎng)的諧波污染;主控制器采用雙數(shù)字信號處理器（DSP）、超大規(guī)模集成電路可編程器件（CPLD和FPGA）為核心，配合數(shù)據(jù)采集、單元控制和光纖通信回路以及內(nèi)置的可編程邏輯控制器（PLC）構(gòu)成系統(tǒng)控制部分。

4.1.1 系統(tǒng)組成與原理

ZINVERT系列智能高壓變頻調(diào)速成套系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)上由整流變壓器、功率逆變柜及控制柜組成，實(shí)際使用時(shí)還可按用戶要求配套手動(dòng)或自動(dòng)工頻旁路切換柜。

4.1.2 整流變壓器

整流變壓器副邊繞組相互隔離，并采用移相延邊三角形接法，保證系統(tǒng)工作在20%負(fù)載以上時(shí)電網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)保持在0.96以上。

4.1.3 功率單元電氣原理

功率單元主要由三相全橋整流器、濾波電容器組、IGBT逆變（H橋）構(gòu)成，同時(shí)還包括功率器件驅(qū)動(dòng)、保護(hù)、信號采集、光纖通訊等功能組成的控制電路。通過控制IGBT的工作狀態(tài)，輸出PWM電壓波形。其電氣原理如圖2-1所示。單元輸出電壓如圖2-2所示。

圖2-1 系統(tǒng)功率單元圖

圖2-2單元PWM輸出

圖2-3 6kV系統(tǒng)6級輸出電壓疊加示意圖

圖2-4 6kV系統(tǒng)6級輸出相電壓波形

4.1.4 功率單元的串聯(lián)

ZINVERT系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)是由多個(gè)功率單元經(jīng)過移相串聯(lián)而成。電壓疊加原理類同于“電池組疊加”技術(shù)，以如圖2-3所示6kV每相六單元串聯(lián)為例，每個(gè)功率單元輸出交流有效值Vo為577V，相電壓即達(dá)到3464V，線電壓則為6000V，輸出相電壓波形如圖2-4所示，諧波含量很小，已很接近標(biāo)準(zhǔn)正弦波形。

4.2 所選用高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)特點(diǎn)

ZINVERT系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)適用于標(biāo)準(zhǔn)中壓（3kV，6kV，10kV）三相交流電動(dòng)機(jī)，具有以下的特點(diǎn)：

4.2.1 輸入諧波小

ZINVERT系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)在電源側(cè)采用多達(dá)18或24重化（對3kV系統(tǒng)采用3級或4級單元串聯(lián)）、30或36或48或54重化（對6kV系統(tǒng)采用5級或6級或8級或9級單元串聯(lián)）、54或60重化的（對10kV系統(tǒng)采用9級或10級單元串聯(lián)）整流技術(shù)，電網(wǎng)側(cè)諧波污染小，功率因數(shù)高，符合GB14549-93標(biāo)準(zhǔn)和IEEE std 519-1992電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)對電壓、電流諧波失真度的要求，無需功率因數(shù)補(bǔ)償及諧波抑制裝置，對同一電網(wǎng)上用電的其它電氣設(shè)備不產(chǎn)生諧波干擾。

4.2.2 高功率因數(shù)

ZINVERT系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)在全速范圍內(nèi)維持高功率因數(shù)，滿載功率因數(shù)可達(dá)0.95以上，從而減少由于功率因數(shù)低而引起的用戶電力變壓器設(shè)備的利用率和用戶端的功率因數(shù)補(bǔ)償問題。

4.2.3 高效率

ZINVERT系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)滿載具有>95%的高效率，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)類型調(diào)速的系統(tǒng)。

4.2.4 輸入電壓適應(yīng)性強(qiáng)

電網(wǎng)輸入側(cè)電壓波動(dòng)值與額定電壓比較有-15%～+15%范圍內(nèi)時(shí)，通過電壓波動(dòng)補(bǔ)償算法來自動(dòng)補(bǔ)償輸出，保證額定輸出;網(wǎng)側(cè)電壓在65%額定值至115%額定值內(nèi)不停機(jī)，保證電機(jī)持續(xù)運(yùn)行（在由于電源電壓較低可能不能滿載運(yùn)行，即可能導(dǎo)致降額運(yùn)行）。

4.2.5 輸出諧波小

ZINVERT系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)輸出側(cè)采用移相多重化的正弦脈寬調(diào)制（SPWM）、無速度傳感器矢量控制技術(shù)，輸出諧波非常小，無需輸出濾波裝置即可適配各種電機(jī)。輸出電壓失真度低，電流諧波含量少，不增加電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)噪音，避免電機(jī)額外發(fā)熱，減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，減少設(shè)備上的機(jī)械應(yīng)力。

4.2.6 高可靠性、維護(hù)方便

ZINVERT系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)功率回路采用的IGBT功率模塊，具有較大的電壓設(shè)計(jì)裕度，IGBT模塊的觸發(fā)與過流保護(hù)采用專用驅(qū)動(dòng)模塊電路，具有高可靠性。

ZINVERT系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的核心控制系統(tǒng)采用雙DSP及超大規(guī)模集成電路技術(shù)，工業(yè)級機(jī)箱設(shè)計(jì)，具有可靠的電磁防護(hù)功能，集高壓變頻調(diào)速控制和專業(yè)的電機(jī)保護(hù)功能于一體。成套系統(tǒng)具備完善的故障定位和保護(hù)功能，針對電機(jī)和電纜可能發(fā)生的相間短路和單相接地故障，特殊設(shè)計(jì)了三重防輸出相間短路功能和過電壓抑制器，產(chǎn)品更安全可靠（首家通過國家權(quán)威機(jī)構(gòu)檢測包括輸出相間短路保護(hù)在內(nèi)的所有保護(hù)功能）。

ZINVERT高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)完善，單元組件具有互換性，若出現(xiàn)故障，可使用簡單工具在幾分鐘內(nèi)進(jìn)行更換。成套裝置具備安全的保護(hù)和防誤操作閉鎖功能。

ZINVERT高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)具有功率單元自動(dòng)旁路技術(shù)，使系統(tǒng)能夠帶故障運(yùn)行，從而大大增加了系統(tǒng)的可靠性與用戶設(shè)備的可利用率，適用于電廠等高可靠性要求工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用場合。

4.2.7 斷電恢復(fù)再啟動(dòng)

電網(wǎng)瞬時(shí)停電或發(fā)生瞬時(shí)可恢復(fù)性故障后，在允許等待的時(shí)間（長度可由用戶根據(jù)工藝要求自行設(shè)定，最長可達(dá)30秒或更長）內(nèi)，允許系統(tǒng)運(yùn)行條件恢復(fù)后，在0.2～1.0秒內(nèi)ZINVERT高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)可自動(dòng)搜索電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)無沖擊再啟動(dòng)，恢復(fù)運(yùn)行至設(shè)定狀態(tài)，保證電機(jī)運(yùn)行的持續(xù)運(yùn)行可靠性，避免不必要停機(jī)造成的損失。

4.2.8 軟啟動(dòng)、無沖擊電流

ZINVERT高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)對電機(jī)進(jìn)行軟啟動(dòng)，具有線性和二次方曲線形式來控制電壓-頻率比，每種曲線形式有多條曲線供用戶選擇。起動(dòng)時(shí)間由用戶設(shè)定，內(nèi)部設(shè)有加速過流限速功能，以確保電機(jī)啟動(dòng)的沖擊電流，保證電機(jī)的安全運(yùn)行，延長其使用壽命。啟動(dòng)過程自動(dòng)搜索電機(jī)轉(zhuǎn)速，停機(jī)前不必保證電機(jī)停轉(zhuǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對電網(wǎng)和電動(dòng)機(jī)無過流沖擊的快速啟動(dòng)。

5.改造設(shè)計(jì)方案

公司決定利用1號機(jī)組小修機(jī)會(huì)，對1號鍋爐所屬兩臺(tái)引風(fēng)機(jī)進(jìn)行高壓變頻改造。

5.1 取消風(fēng)門調(diào)節(jié)，使之全開，采用變頻調(diào)速方式改變風(fēng)機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速適應(yīng)風(fēng)量的需求，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗?？紤]到節(jié)能改造的可靠性和自動(dòng)化程度，具體改造措施如下：

①變頻器配置方案：采用高壓變頻器進(jìn)行一拖一調(diào)速。

②電氣控制方式：變頻裝置的運(yùn)行監(jiān)控并入原有DCS系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)本地和遠(yuǎn)程控制切換功能。

③旁路系統(tǒng)：保留原系統(tǒng)的啟動(dòng)柜，作為高壓變頻器的備用手段。變頻器設(shè)計(jì)旁路電路，保障變頻器故障時(shí)設(shè)備可以工頻運(yùn)行，并方便檢修。

④控制電源：采用多回路供電技術(shù)。

⑤變頻器的散熱：室內(nèi)加空調(diào)冷卻方式。

⑥進(jìn)出線方式：電纜下進(jìn)出線，電纜溝敷設(shè)。

⑦安裝位置：專用高壓變頻設(shè)備間。

5.2 改造后的控制電路

高壓變頻器通過硬接線的方式并入原有DCS監(jiān)控系統(tǒng)。可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上傳運(yùn)行參數(shù)，遠(yuǎn)程控制啟停、調(diào)節(jié)輸出頻率等功能。

高壓變頻器和DCS系統(tǒng)之間的信號：

DCS的DO信號3個(gè)：啟動(dòng)、停止、急停;

DCS的DI信號7個(gè)：運(yùn)行、停止、工頻狀態(tài)、變頻狀態(tài)、輕故障、重故障、遠(yuǎn)程/本地;

DCS的AO信號1個(gè)：頻率給定;

DCS的AI信號2個(gè)：頻率反饋、電流反饋?zhàn)冾l故障緊急切旁路。

5.3 變頻故障緊急切旁路

針對變頻裝置出現(xiàn)故障導(dǎo)致電機(jī)不能正常運(yùn)行的情況，我公司專門配置了手動(dòng)旁路柜。

5.4 手動(dòng)旁路

一拖一手動(dòng)旁路如圖3所示。手動(dòng)旁路柜中K2為刀閘，閉合a端，導(dǎo)通變頻回路;閉合b端，導(dǎo)通工頻回路。

變頻器故障停機(jī)后，控制器發(fā)出節(jié)點(diǎn)信號控制進(jìn)線開關(guān)QF1進(jìn)行分閘，向DCS報(bào)警，并向遠(yuǎn)端工控機(jī)發(fā)送故障代碼。DCS控制人員到報(bào)警后，一面采取緊急處理操作，一面通知處理人員趕赴高壓變頻設(shè)備間。處理人員到達(dá)后采取如下措施：

打開柜門，斷開K1，將K2從a端切換到b端。處理人員通知DCS控制人員進(jìn)行QF1合閘。

DCS控制人員收到合閘通知后，采取啟動(dòng)準(zhǔn)備程序后，對QF1進(jìn)行合閘，并調(diào)節(jié)1號電機(jī)風(fēng)門開度和2號電機(jī)頻率至正常運(yùn)行值。電機(jī)工頻啟動(dòng)，進(jìn)入工頻運(yùn)行狀態(tài)。

5.5 遠(yuǎn)程監(jiān)控

高壓變頻器通過硬接線的方式并入原有DCS監(jiān)控系統(tǒng)。可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上傳運(yùn)行參數(shù)，遠(yuǎn)程控制啟停、調(diào)節(jié)輸出頻率等功能。

另外，考慮到檢修的方便性，高壓變頻器上設(shè)置了本地和遠(yuǎn)程控制切換功能，方便檢修人員在現(xiàn)場就近操作。

圖3 電氣主回路圖

5.6 變頻器的控制電源

高壓變頻器具備以下三路控制電源供電回路：

外部提供控制主電源：從外部接入380V電源，保障控制回路供電的連續(xù)性、穩(wěn)定性。

內(nèi)部高壓自產(chǎn)控制輔助電源：內(nèi)部變壓得到，作為運(yùn)行中主電源的輔助電源。

內(nèi)置UPS提供應(yīng)急電源：主電源掉電后由UPS提供應(yīng)急電源，為系統(tǒng)恢復(fù)提供處理時(shí)間，保障控制回路的正常運(yùn)行

6.改造后的效果

1號機(jī)組兩臺(tái)引風(fēng)機(jī)經(jīng)過改造后運(yùn)行一年多來，在節(jié)能公司人員維護(hù)下，未出現(xiàn)過故障，運(yùn)行良好。經(jīng)過對不同工況條件下，與改造前電機(jī)運(yùn)行參數(shù)的對比，統(tǒng)計(jì)出一年能夠節(jié)約電費(fèi)近百萬元。除此外，風(fēng)門執(zhí)行機(jī)構(gòu)在運(yùn)行時(shí)處于全開狀態(tài)，不需再調(diào)整，減少了故障率和維護(hù)工作量。引風(fēng)機(jī)電機(jī)實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)，減少了啟停時(shí)對電網(wǎng)的沖擊，提高了設(shè)備功率因數(shù)。

7.結(jié)論

電廠風(fēng)機(jī)的高壓變頻改造，對節(jié)能減排，提高火電廠環(huán)保水平，有十分積極的作用。同時(shí)使企業(yè)減少了資源消耗和浪費(fèi)，提高了其經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

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[3]ZINVERT系列智能高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)用戶手冊（v1.0）.

作者簡介：牛亞軍（1985—），大學(xué)本科，電氣二次及熱控工程師，現(xiàn)供職于陜西榆林能源集團(tuán)銀河榆林發(fā)電公司設(shè)備部。