300MW機組風機變頻調節的應用及改造后的節能分析

摘 要：文章敘述了龍巖發電有限責任公司300 MW機組各風機改變頻調速后的應用情況，介紹了風機改造后的運行方式和節能效果。

關鍵詞：變頻調速；風機；300 MW機組；節能減排；應用

中圖分類號：TM921.51 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2012）35-0121-02

根據我國現行的有關設計規程規定，我廠二期#5、6機組采用東鍋生產的DG1025-17.4-Ⅱ18型鍋爐是亞臨界參數國產化循環流化床汽包爐，自然循環，單爐膛，一次中間再熱，汽冷式旋風分離器，平衡通風，露天布置，燃煤，固態排渣。鍋爐風量主要是由兩臺一次風機和兩臺二次風機供給。一次風機系統主要用于流化床料，并為燃料提供初始燃燒空氣。二次風機主要是為分段燃燒、控制爐溫、抑制NOx的產生提供空氣。兩臺引風機調節爐膛壓力，以維持爐膛處于微負壓狀態。原來一、二次風機采用液偶調節，引風機采用入口門調節。

1 變頻原理

1.1 變頻節能原理

由流體力學可知，P（功率）=Q（流量）×H（壓力），流量Q與轉速N的一次方成正比，壓力H與轉速N的平方成正比，功率P與轉速N的立方成正比。如果水泵的效率一定，當要求調節流量下降時，轉速N成比例下降，而此時軸輸出功率P成立方關系下降。

風機、水泵等設備傳統的調速方法是通過調節入口或出口的擋板、閥門開度來調節給風量和給水量，其輸出功率大量的能源消耗在擋板、閥門地截流過程中。

采用變頻，調節了變頻器輸出給電機的頻率降低電機轉速來控制風量，即使將變頻器使用的損耗包括在內也同樣省電。風量、流量與轉速是成正比的關系，動力和轉速成3次方正比。節能主要的體現就是風機和水泵配套的電機驅動功率的減少。

高壓變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一種頻率電源控制裝置。具有調速平滑、節能、適應面寬、運行方式靈活等優點。我廠凝結水泵、一次風機、二次風機及引風機變頻器均由北京利德華福電氣技術有限公司生產。

1.2 變頻器結構

我司現有變頻器均為高—高電壓源型變頻系統，通過交—直—交變換實現變頻輸出。變頻器分為主電路和控制電路兩部分。對電動機提供調壓調頻電源的電力變換部分，稱為變頻器的主電路。主電路包括手動/自動旁路柜、移相變壓器、功率單元。向主電路提供保護、控制及信號的電路稱為控制電路，包括主控箱、工控機及PLC系統。

自動/手動旁路柜的作用是變頻器故障或維修時電動機自動或手動切換到工頻運行，減少變頻器退出運行對機組負荷的影響。

移相整流變壓器將6 kV電源變換為多組低壓電源，各副邊繞組在繞制時采用三角接法，相互之間有固定的相位差，形成多脈沖整流方式，使得變壓器副邊各繞組（即功率單元輸入）的諧波電流相互抵消，不反映到高壓側，改善電源側電流波形，消除變頻器對電源的諧波污染。變壓器的每個副邊低壓繞組相互獨立，并單獨為一個功率單元供電，每個功率單元的主回路相對獨立，并工作在低壓狀態。一期移相變輸出21組副邊，共計7組21個功率模塊；二期移相變輸出15個副邊，共計5組15個功率模塊。

每個模塊為基本的低壓交-直-交單相逆變電路，由三相整流，慮波、IGBT逆變橋及旁路回路構成。整流橋為二極管三相全橋。IGBT逆變橋進行輸出波形控制。旁路回路是當任一單元內模塊故障，50 ms內將本模塊自動旁路，不影響其它單元工作，但變頻器將降額持續運行。

每相由5個/7個功率模塊輸出端按星型接法串聯組成功率單元，通過對每個單元的輸出PWM波形進行疊加重組，得到右圖階梯PWM波形。波形正弦度好，dv/dt小，無須輸出濾波器，可直接用于原有電機及電纜設備。

由于輸出模塊旁路后輸出波形將產生畸變，引起機械振動，因此，只允許一個旁路，當第二模塊故障旁路后變頻器將自動停機。旁路一個功率模塊，將自動退出一組功率模塊，變頻器輸出電壓將降低1/7，即電壓為85.7%（一期）。

移相變壓器、功率單元均采用風冷方式散熱，冷卻風扇按照100%散熱容量一運一備配置，當運行風扇故障后自動切換到備用風扇。變頻器柜設計有進出風口，散熱風扇的出風經風道引至房間外經水冷器返回變頻小室。變頻器風口采用無紡濾布進行隔離灰塵。為提高冷卻效率，冷卻系統還配置增壓風機及專門冷卻空氣的冷卻器，冷卻水取爐側工業水。

1.3 變頻控制原理

交—直—交變頻控制技術的發展過程，經歷了VVVF、矢量控制、直接轉矩控制方式。我司現有變頻器風機為矢量控制方式，凝泵為VVVF控制方式。

VVVF變頻器的控制相對簡單，機械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動的平滑調速要求，得到廣泛應用。但是，低頻時由于輸出電壓較小，造成輸出最大轉矩減小。動態轉矩能力和靜態調速性能都還不盡如人意，研究出矢量控制變頻調速。

矢量控制變頻調速：控制原理是將交流電機模擬成直流電機進行控制，以轉子磁場定向采用矢量變換的方法實現交流電機的轉速和磁鏈控制的完全解耦。將異步電動機在三相坐標系下的定子交流電流Ia、Ib、Ic、通過三相—二相變換，等效成兩相靜止坐標系下的交流電流Ia1Ib1，再通過按轉子磁場定向旋轉變換，等效成同步旋轉坐標系下的直流電流I m1、I t1（I m1相當于直流電動機的勵磁電流；I t1相當于與轉矩成正比的電樞電流），然后模仿直流電動機的控制方法，求得直流電動機的控制量，經過相應的坐標反變換，實現對異步電動機的控制。

矢量控制技術調速精度高，動態響應快，在高速和低速都有比較好的控制性能。矢量控制技術對轉子磁場觀測的準確性受電機參數影響較大，需要準確的電機參數，參數不能隨意更改。

直接轉矩控制：直接在定子坐標系下分析交流電動機的數學模型，控制電動機的磁鏈和轉矩。不需要將交流電動機化成等效直流電動機，因而省去了矢量旋轉變換中的許多復雜計算。

2 變頻系統結構

自動/手動一拖一方式：每臺電機配備一套變頻調整系統。

QF為6kV電源側開關，U為變頻調速裝置，QS1-QS2和KM1-KM3為隔離開關和真空接觸器，M為電機。除變頻器外，配套有散熱風道及空水冷卻器。

KM1、KM2不能和KM3同時閉合，在電氣上實現互鎖，保證系統安全可靠運行。

運行方式為：變頻運行時，KM1和KM2閉合，KM3斷開，由變頻器帶電機運行；工頻運行時，KM3閉合，KM1和KM2斷開，直接驅動電機。

當變頻運行出現嚴重故障時，自動切開KM1、KM2，停用變頻器，同時合上KM3，自動切工頻運行，并且負載不用停機；在工頻運行情況下，可經操作自動切變頻方式運行；在旁路運行方式下，可斷開QS1和QS2檢修變頻器，保證安全。

3 風機變頻系統改造后效益分析

為了確定風機改造為變頻調節后的經濟性，分別在300 MW、270 MW、240 MW、180 MW、150 MW等負荷下對風機性能進行試驗，表1為#5機組風機試驗數據。

從以上數據可以看出風機采用高壓變頻調節后可以大大降低風機的功耗，特別是低負荷時（二次風機和引風機特別明顯）。風機采用變頻調節后，按2012年福建發電平均利用3 239 h計算，180 MW負荷時，風機可節平均每小時可節省6 884 KWh，年即可節省22 297 276 kWh，上網電價按0.36元計算，每年可約為民幣為802.7萬元。總之，風機采用高壓變頻調節后平均可節電率0.597%。

4 結 語

當前發電企業成為獨立市場經營者，主觀上企業要不斷追求經濟效益最大化，客觀上我國電網的迅速發展又要求企業必須不斷降低發電成本，以適應電價競爭機制的需要，此次變頻改造后的顯著效果和良好控制品質充分說明，在發電企業主輔機設備中，采用變頻技術具有廣闊的應用前景，推廣變頻技術不僅是當前企業節能降耗的重要手段，也是實現經濟增長方式轉變的必然要求，同時保證機組安全，穩定運行。

參考文獻：

[1] 梅升.300MW機組引風機變頻控制改造[J].電機與控制應用，2010，（4）.

[2] 張彥明.高壓變頻調速技術在電廠的應用及節能對比[J].廣東電力，2009，（11）.