高壓變頻器在火電廠風(fēng)機上的應(yīng)用

陳文峰　王傳軍

摘要：變頻改造對于節(jié)能有著極大的作用，鍋爐風(fēng)機變頻改造節(jié)約了電能，取得了較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。文章介紹了鍋爐引風(fēng)機的改造過程以及變頻改造后產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

關(guān)鍵詞：高壓變頻器；火電廠風(fēng)機；鍋爐引風(fēng)機；變頻改造；風(fēng)機設(shè)備 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TM621 文章編號：1009-2374（2015）11-0045-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.11.023

在火電廠的生產(chǎn)過程中，風(fēng)機是一種較為常見的設(shè)備，在多個生產(chǎn)環(huán)節(jié)都發(fā)揮了積極作用，如鍋爐風(fēng)機、二次風(fēng)機等。這些設(shè)備一般多作為輔助設(shè)備存在，但是其耗電量卻非常大，若能夠?qū)︼L(fēng)機設(shè)備進(jìn)行節(jié)能改進(jìn)，勢必能夠大大降低火電廠的整體能耗，提高火電廠的發(fā)電效率。而風(fēng)機設(shè)備的節(jié)能改造過程中，高壓變頻器能夠發(fā)揮非常積極的作用，也是節(jié)能改造技術(shù)的主要手段。焦煤集團(tuán)馮營電廠在對本廠的2×50MW機組鍋爐引風(fēng)機和二次風(fēng)機電機進(jìn)行節(jié)能改造時，就采用了這一技術(shù)。高壓變頻器安裝之后，風(fēng)機設(shè)備的工作效率有了非常明顯的提升，且操作也更加簡便，更重要的是其大大降低了冷風(fēng)機的能耗量，為電廠節(jié)省了大量的成本，經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益良好。

1 風(fēng)機變頻改造的必要性分析

現(xiàn)如今，工業(yè)科技水平不斷提升，各種先進(jìn)科技的使用大大地促進(jìn)了工業(yè)生產(chǎn)力水平的提升。其中變頻技術(shù)就是這樣一種技術(shù)，其主要的作用是通過電力電子技術(shù)來控制電機速度，從而實現(xiàn)電機運行效率的提升。目前，變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)被推廣應(yīng)用到風(fēng)機、水泵的節(jié)能改造上，用途廣泛。在焦煤集團(tuán)馮營電廠的風(fēng)機改造中，就是利用變頻技術(shù)，將高壓變頻器運用在風(fēng)機控制系統(tǒng)中來達(dá)到節(jié)能改造的目的。

之所以要對火電廠的風(fēng)機進(jìn)行變頻改造，主要的原因是因為風(fēng)機是火電廠最主要的輔助設(shè)備，其耗電量非常大，幾乎占鍋爐發(fā)電量的2%，且風(fēng)機的耗電量會隨著發(fā)電機組容量的增大而不斷增大。在200MW及以下機組，風(fēng)機的流量控制是通過調(diào)整入口導(dǎo)向葉片的角度，也就是風(fēng)門開度的方式來實現(xiàn)的，這種調(diào)節(jié)的截流損耗一般為30%Pe（額定容量）。這種調(diào)節(jié)方式經(jīng)濟(jì)效益差、能耗大，且還會對設(shè)備帶來一定的不利影響，增大設(shè)備故障發(fā)生率和維修難度。在此情況下，控制風(fēng)機的能耗就勢在必行，這是提高電廠發(fā)電效益的關(guān)鍵。

2 高壓變頻器在風(fēng)機變頻改造中的應(yīng)用原理

高壓變頻器主要是利用高壓交流變頻調(diào)速技術(shù)來實現(xiàn)變頻控制的調(diào)速裝置，與其他調(diào)速器相比，高壓變頻器的整體效益更好，不但節(jié)能效益和調(diào)速精度較高，且調(diào)速的范圍更廣，運行更加安全可靠，維修起來也較為方便，為此馮營電廠在進(jìn)行風(fēng)機節(jié)能改造時首先確定的方案就是采用高壓變頻器進(jìn)行改造。其在運行中的節(jié)能原理如下所示：

風(fēng)機設(shè)備屬平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其轉(zhuǎn)速n與流量Q，壓力H以及軸功率P具有如下關(guān)系：Q∝n，H∝n2，P∝n3；即，流量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。根據(jù)風(fēng)機（泵）工作特性：系統(tǒng)采用閥門調(diào)節(jié)時，風(fēng)機（泵）工作點將由A沿曲線向B點移動；系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時，風(fēng)機（泵）轉(zhuǎn)速由n0調(diào)整為n'時負(fù)載設(shè)備工作點將由B點降至C點。

根據(jù)流體機械的特性而開發(fā)的風(fēng)機專用型變頻器，通過調(diào)節(jié)風(fēng)機拖動電機的輸入頻率，從而改變風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)氣體流量、流速和壓力，取代擋板、閥門等落后調(diào)節(jié)方式，可輕松實現(xiàn)25%～80%的節(jié)能量。

3 風(fēng)機變頻改造方案

馮營電廠此次改造分別將兩臺爐的引風(fēng)機和送風(fēng)機各改造一臺，方案是一拖一手動旁路的典型方案，原理是由3個高壓隔離開關(guān)QS1、QS2和QS3組成（見圖2，其中QF為原高壓開關(guān)柜內(nèi)的斷路器）。要求QS2和QS3不能同時閉合，在機械上實現(xiàn)互鎖。變頻運行時，QS1和QS2閉合，QS3斷開；工頻運行時，QS3閉合，QS1和QS2斷開。斷路器和高壓隔離開關(guān)互鎖，防止誤操作。優(yōu)點是在檢修變頻器時，有明顯斷電點，能夠保證人身安全，同時也可手動使負(fù)載投入工頻電網(wǎng)運行，造價低等。

變頻裝置采用的是北京利德華福的HARSVERT高壓變頻裝置，該調(diào)速系統(tǒng)采用直接“高-高”變換形式，為單元串聯(lián)多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)由多組功率模塊串并聯(lián)而成，從而由各組低壓疊加而產(chǎn)生需要的高壓輸出，它對電網(wǎng)諧波污染小，總體諧波畸變THD小于4%，輸出波形質(zhì)量好，不存在諧波引起的電機附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機，500kW/6kV每個系統(tǒng)共有15個功率單元，每5個功率單元串連構(gòu)成一相，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示：

4 高壓變頻器的保護(hù)作用

本電廠改造所用高壓變頻器的功率單元是按照模塊化方式進(jìn)行設(shè)計的，因此若在運行中某一單元出現(xiàn)了故障而不能繼續(xù)運行，其他備用單元可以立即將其替換掉，不會影響到整個系統(tǒng)的正常工作，因此起到了非常好的保護(hù)作用，具體可以體現(xiàn)在以下浪涌吸收保護(hù)、熔斷器保護(hù)、過載保護(hù)、過流保護(hù)、過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、過熱保護(hù)、缺相保護(hù)、光纖故障保護(hù)以及變壓器保護(hù)等多個方面。以下我們以過流保護(hù)、過熱保護(hù)、缺相保護(hù)和變壓器保護(hù)為例進(jìn)行分析：

第一，過流保護(hù)的主要作用是當(dāng)電機所通過的輸入電流超過了額定電流的1.5倍，且持續(xù)超過3s以上，則變頻器就會立即采取停機措施，而當(dāng)其輸出電流超過額定電流的2倍且持續(xù)10s以上，就會立即采取停機措施，以保護(hù)設(shè)備。

第二，過熱保護(hù)的作用主要可以體現(xiàn)在兩個層面上，即其可以實現(xiàn)雙重保護(hù)。當(dāng)然變頻調(diào)速系統(tǒng)柜體內(nèi)的溫度超過預(yù)設(shè)溫度時，系統(tǒng)首先會發(fā)出信號，提示工作人員。若過熱問題沒有得到有效借鑒，主要的設(shè)備元件溫度已經(jīng)超過了極限溫度，則變頻器就會采取停機措施。一般變壓器F級絕緣的極限溫度為130℃，而功率器件的極限溫度則為85℃。

第三，缺相保護(hù)的作用實現(xiàn)主要是利用功率模塊，也就是說，當(dāng)變頻器輸入側(cè)出現(xiàn)了掉相的問題時，設(shè)置在功率模塊上的缺相保護(hù)設(shè)置就會自動發(fā)出報警信號，嚴(yán)重時將會采取停機保護(hù)措施。

第四，變壓器保護(hù)的作用主要體現(xiàn)在四點：（1）其接線端子非常大，能夠很好地和進(jìn)線電纜連接在一起；（2）變壓器的各個分接頭即使出現(xiàn)了短路現(xiàn)象，也不會對線段端接頭產(chǎn)生損傷；（3）變壓器允許通過負(fù)荷的能力較強，噪音也一般控制在60dB的范圍內(nèi)，負(fù)荷國家相關(guān)規(guī)定和要求；（4）變壓器繞組系統(tǒng)可以實現(xiàn)過熱保護(hù)功能，當(dāng)繞組溫度超過120℃時會發(fā)出警報，超過130℃則會跳閘。

5 變頻改造后的效果

通過對焦煤集團(tuán)馮營發(fā)電廠鍋爐輔機設(shè)備進(jìn)行變頻改造，其風(fēng)機設(shè)備的運行效率大大提升，取得非常顯著的節(jié)

能環(huán)保效益和良好的經(jīng)濟(jì)效益，主要可以體現(xiàn)在以下五點：

第一，在采用高壓變頻器來控制風(fēng)機系統(tǒng)后，風(fēng)機系統(tǒng)的運行更加穩(wěn)定，不但能夠根據(jù)負(fù)荷合理對風(fēng)量大小進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，還可以有效地解決傳統(tǒng)風(fēng)機系統(tǒng)運行中存在的風(fēng)門調(diào)節(jié)線性度差的問題。

第二，安裝高壓變頻器后，引風(fēng)機與電動機的服役期限都大大增加了，這是因為在發(fā)電機組的運行中，引風(fēng)機作為一種離心電機，其在啟動時需要耗費較長時間，啟動時所需要的電流也非常大，幾乎是額定電流的6～8倍，這樣不但會耗費大量的電能，而且還會給機械設(shè)備造成非常大的沖擊力，從而縮短其使用壽命。而在安裝了高壓變頻器之后，就可以通過變頻調(diào)速的方法來使引風(fēng)機實現(xiàn)軟啟動，這樣就不會對設(shè)備產(chǎn)生較大的沖擊力，因而在很大程度上保護(hù)了引風(fēng)機設(shè)備和電動機，從而延長其服役期限。

第三，安裝高壓變頻器之后，節(jié)省了大量的電能，電廠的2臺引風(fēng)機每年可節(jié)約電量500萬kWh。

第四，變頻改造后，風(fēng)機系統(tǒng)的功率因數(shù)得到大大的提升，幾乎可以達(dá)到0.95，當(dāng)然這也是因為本次改造中所使用的變頻器為電壓源型結(jié)構(gòu)的變頻器。

第五，變頻改造后，不但節(jié)能效果顯著，而且還大大地降低了廠房的噪音污染程度，為操作人員提供了良好的工作環(huán)境。

6 結(jié)語

綜上所述，在火電廠的生產(chǎn)運行系統(tǒng)中，采取一定的節(jié)能措施來對生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行改造是非?？尚械模@也是未來火電廠實現(xiàn)持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)途徑。本文中介紹的高壓變頻器在應(yīng)用到風(fēng)機設(shè)備上之后取得了非常顯著的節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益，不但提升了系統(tǒng)的運行效率與安全可靠性，而且還在很大程度上改善了設(shè)備的運行工況，實現(xiàn)了設(shè)備的自動化，從本廠的實踐經(jīng)驗可以證明，今后，高壓變頻器在火電廠的節(jié)能改造中會有更廣闊的應(yīng)用

前景。

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（責(zé)任編輯：秦遜玉）