蒙西發電廠二次風機高壓電動機變頻器節能改造

王耀龍　翟溪

摘 要： 本文以蒙西發電廠一號機組二次風機變頻改造為例，闡述了變頻改造方案，分析比較了二次風機采用變頻控制后的節能效果，事實證明該變頻技術在節能降耗、提高自動化控制水平等方面具有優勢。

關鍵詞： 蒙西發電 變頻 二次風機 節能

引言

蒙西發電廠使用2臺300MW國產循環流化床機組，年運行小時數為5240.8h，長期處于較低負荷運行，平均發電功率為190MW。運行效率低，導致廠用電率較高，經濟效益差。若進行變頻改造，則可降低廠用電率0.6左右。實際統計循環流化床鍋爐主要輔機：一次風機，二次風機，引風機，凝結水泵，循環水泵，在水泵原設計中約占廠用電率比例30%。為充分挖掘機組潛力，降低廠用電率和提高電網供電能力，電廠計劃對2臺引風機、2臺一次風機、2臺二次風機電機采用一拖一方式加裝變頻裝置，即每臺電機加裝一臺變頻器；對2臺凝結水泵電機采用一拖二方式加裝變頻裝置，即每臺變頻器輪流帶兩臺凝結水泵運行，提高電廠的經濟收益。本文以蒙西發電廠一號機組二次風機變頻改造項目為例，討論變頻調速技術在二次風機中的應用。

1.改造方案

蒙西發電廠#1、2爐型號為：SG-1057/17.4-M803型鍋爐，鍋爐為亞臨界壓力中間一次再熱、單汽包自然循環、循環流化床鍋爐。首次采用引進法國ALSTOM技術、由上海電器電站集團制造的300MW循環流化床鍋爐，并配套上海汽輪機廠制造的直接空冷凝汽發電機組。于2007年年底兩臺機組相繼投產。

該廠一號機組二次風機變頻改造為：#1爐1A、1B二次風機變頻器采用西門子（上海）電氣傳動設備有限公司生產的空冷型完美無諧波高壓變頻器，是控制交流電機速度調節的控制裝置。#1爐1A、1B二次風機采用的是一對一的變頻器，即每臺電機擁有自己的變頻器，可實現兩臺風機的變頻運行方式。

完美無諧波變頻器的硬件主要有干式變壓器（絕緣等級H級）和功率單元及控制柜、旁路柜等。

干式變壓器的主要作用是把6kV進線降壓為630V，每相有6個抽頭，其中每個抽頭接一個功率單元，每相的6個功率單元采用串聯方式連接。干式變壓器共有18個抽頭。

旁路柜內有三只隔離開關，分別是QS1（連接6kV進線至變頻器）、QS2（變頻器出口）、QS3（工頻）。主要是用于工頻、變頻方式的倒換。QS1和QS2全部合入、QS3斷開實現變頻方式。將QS1和QS2斷開，再合上QS3就可以實現工頻方式。但是使用工頻方式時（也就是QS3合閘狀態）絕對不允許將QS1和QS2合入，否則上電時會對變頻器造成損壞，而且QS2和QS3之間也帶有機械閉鎖功能。

圖1 二次風機變頻器一次圖

Fig.1Electricalcircuitoffrequencyinverter

2.完美無諧波NBH系列高壓變頻器

完美無諧波高壓變頻器采用若干個低壓PWM變頻功率單元串聯的方式實現直接高壓輸出。完美無諧波變頻器系統具有如下優點：提供純凈的輸入特性，提供高功率因數，提供幾近完美的正弦波輸出。完美無諧波變頻器符合最嚴格的電壓、電流諧波畸變標準的要求，即使在輸入容量不大于變頻器額定容量的情況下也能滿足。該變頻器能保護其他在線設備（如計算機、電話、電子鎮流器等）免受諧波干擾，同時能防止與其他調速裝置發生串擾。功率因數是有功功率占總視在功率的比值，完美無諧波系列變頻器獲取幾近完美的正弦波輸入電流，使得其功率因數在整個調速范圍內，無須使用外部功率因數補償電容即可超過95%。完美無諧波變頻器的設計使得變頻器本身提供正弦波輸出，無須使用外部輸出濾波器。這意味著變頻器只產生極少的失真電壓波形，其產生的電機噪聲根本感覺不到。事實上，完美無諧波變頻器消除了變頻器引發的使電機發熱的有害諧波。同時，變頻器引發的轉矩脈動也被消除（即使在低速范圍），因此降低了機械設備的應力，共模電壓和dV/dt產生的應力也減至最小。

對于6kV電壓等級完美無諧波變頻器而言，每單元個數6，線電（VAC）6600V，變頻器總單元數18，分立的功率單元安裝在單元部分。所有功率單元的機械和電氣參數均相同，所以它們可以方便地進行互換。每個單元包含自己的控制板用來與主控系統通過光纖進行通訊，該通訊是單元與控制柜內的主控部分之間的唯一連接，因而每個單元與主控系統完全電氣隔離。

圖2 功率單元結構

Fig.2Structurediagramofpowerunit

功率單元旁路（選件）作為選件，系統內的每個功率單元配備一只旁路接觸器。如果功率單元發生故障，則變頻器主控板自動接通對應的接觸器。一旦該接觸器得電，損壞的功率單元就不再作為系統電氣的一部分，因而變頻器可繼續工作。一旦功率單元發生故障并被旁路，系統控制自動進行補償（中心點漂移）以保持電機電壓平衡。為了補償跌落的電壓，每相最多為5個功率單元的系統可為每相配備一個額外的功率單元（選件）。該3個備用功率單元用來補償跌落的電壓。如果沒有配備備用功率單元，則變頻器將工作在稍低的輸出電壓，但是仍然提供全部額定電流。功率單元旁路系統包括每個功率單元一個旁路接觸器，一個接觸器控制板（安裝在功率單元柜內）及主控系統與接觸器控制板之間的光纖連接。

因為完美無諧波變頻器每相中的單元是串聯的，所以將故障單元旁路不影響變頻器的電流容量，但電壓容量將下降。通常所要求的電機電壓大致與速度成比例，所以變頻器能滿足應用要求的最大速度也將下降。在一個或多個單元發生故障后使電機有效電壓最大是十分重要的。

（A） （B）

圖3 電壓疊加原理

Fig.3Voltagesuperpositionprinciple

如上圖（A）每相5個功率單元串聯，正常運行。為15單元變頻器中沒有單元被旁路，100%的單元在使用，提供100%的電壓。A相電壓指令相對B相電壓指令有120°的位移，相對C相的位移為120°。

在上圖（B）中，通過調整相位角（中性點漂移）使變頻器輸出恢復平衡，15單元變頻器僅A相旁路2個單元，余下87%的正常單元在使用，可提供80%的輸出電壓。單元電壓的相位角被調整，因而，A相與B相及C相的相位差為132.5°，而不是通常120°這種方法等效于在單元電壓指令矢量中引進零序成分。

3.節能分析

變頻器節能分析理論計算

根據蒙西電網的實際運行情況，蒙西發電廠其年平均利用小時數約為5240.8小時，電價按0.35元/KWh計算，變頻系統效率不低于95%。

二次風機電機參數：功率：1800kW，電壓：6kV，電流：206A，功率因素：0.88，轉速：1490rpm，電機類型：三相異步電動機，型號：YFKK630-4W。

當#1機組負荷為150MW時，風門開度為50%，電動機電流為110A。

工頻運行時的耗電功率P=UIcosφ/η

=1.732×6000×110×0.88/0.95

=1058890W=1058.89kW

變頻運行時的耗電功率P=P（Q%）/η式中，P為變頻調速后的電動機功率，P為電動機的額定功率，Q%為機組固定負荷時風機運行功率與額定功率的比值轉差率，η為變頻系統效率。

則當#1機組負荷為150MW時，風門開度為50%，變頻運行時的耗電功率為

P=P（Q%）/η

=1800×0.5/0.95

≈236.84kW

加裝變頻裝置后，每年節省費用計算

D=（P-P）×H×A

=（1058.89-236.84）×5240.8×0.35

=1507869.874元≈150萬元

結語

根據節能分析，二次風機在兩年內可收回成本。蒙西發電廠1號鍋爐二次風機改為變頻調速控制后，取得了明顯的經濟效益，也提高了機組運行的安全可靠性。另外，采用變頻調速后，二次風機不僅可以實現軟啟動，延長電機的使用壽命，改善電機的運行條件，而且二次風機轉速下降，可減少阻力，降低噪音，可見變頻調速技術在節能降耗、提高自動化控制水平方面具有很大的優勢，值得推廣應用。

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