電廠引風機采用高壓變頻調速技術改造

牛亞軍 姚軍營

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

【關鍵詞】鍋爐引風機;高壓變頻;節(jié)能

風機是火力電廠鍋爐的重要輔助設備，對鍋爐正常燃燒起著至關重要的作用，同時其功率很大，消耗的電量也是非常可觀。引風機是將燃料在鍋爐中燃燒產(chǎn)生的煙氣排出，并起到維持爐膛內負壓的作用，煙氣在引風機作用下進入空預器——電除塵后進入到脫硫系統(tǒng)或直接排入到煙囪。

引風機的耗電量約占廠用電量的25%。由于機組正常運行時，需要的風量比風機額定出力小很多，甚至只有其一半左右，因此運行中需要調節(jié)風機的實際輸送風量。我廠風機改造前采用擋板來調節(jié)和控制風量，大部分時間擋板開度小，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。如果能將浪費的電能進行節(jié)約，對實踐節(jié)能減排，提高環(huán)保水平、提高企業(yè)的經(jīng)濟效益意義很大。

1.設備概況

銀河榆林發(fā)電公司2*135MW機組的鍋爐型號為HG440/13.7-YM14，是哈爾濱鍋爐廠有限公司設計和制造的單鍋筒、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。在其兩側分別布置一組送風機、一次風機、引風機。

引風機技術參數(shù)：

項目 ?單位 ? ? ? ? 設計參數(shù)

型號 ?----- ? ? ? Y4-2*60No22.5F

型式 ?----- ? ? ? 離心風機 雙吸雙

支撐 單葉板

風壓 ? Pa ? ? ? ? 4475（計算3729）

風量 ? m?/s ? ? ? 135.85（計算123.5）

轉速 ? r/min ? ? ?980

效率 ? ---- ? ? ? 運行工況下～78

調節(jié)裝置型式 ---- 入口導頁調節(jié)風門

引風機配用電機參數(shù)：

項目 ?單位 ? ? ? ? 設計參數(shù)

型號 ?----- ? ? ? ?YKK560--6

功率 ?KW ? ? ? ? ? ? 900

電壓 ?V ? ? ? ? ? ? 6000

電流 ?A ? ? ? ? ? ? ?107

轉速 ?r/min ? ? ? ? ?994

2.存在問題分析

1）我公司6KV引風機電機功率大，能耗高。負載率在50%左右，電機長期處于輕載狀態(tài)會導致其效率低、經(jīng)濟性差，功率因數(shù)低、線損加重。

2）三相電機的直接啟動方式，啟動電流很大，一般是額定電流的4-7倍。會對電機和通風管網(wǎng)造成瞬時沖擊，縮短設備使用壽命。

3）風門調節(jié)方式是依靠提高流通阻力來實現(xiàn)的，屬于耗能型調節(jié)方式。我廠風機風門的開度小，存在大量的電能浪費。

4）由于風量調節(jié)擋板裝置老化，故障多，給機組的安全穩(wěn)定運行造成了威脅

由風機和水泵類負載的特性可知：其負載轉矩與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的立方成正比。可見，若可以根據(jù)所需的流量調節(jié)轉速，就可獲得很好的節(jié)電效果。近年來隨著高壓變頻技術的發(fā)展，可靠性不斷提高，設備價格也不斷下降，高壓大容量變頻器已廣泛應用。

3.變頻調速原理

根據(jù)電機學的原理，三相交流異步電動機的轉速為：

上式中n為電機轉子轉速，f為電源頻率，p為電機的磁極對數(shù)，s為轉差率。

變頻調速是通過改變電源頻率f來調節(jié)電動機轉速的。可以看出n與f之間為線性關系，只要改變電機的運行頻率，就可調整電機的轉速。這就是變頻調速的基本原理。

風機水泵類電機變頻調速的節(jié)電原理：

對于水泵和風機，由流體動力學的原理可知，流體流量與水泵和風機的轉速一次方成正比：

（Q為流量，n為轉速，K1為常量）

于是得到：

水泵或風機的揚程（壓力）與轉速二次方成正比：

（H為揚程，n為轉速，K2為常量）

水泵和風機的功率為：

（P為功率，n為轉速，K= K1·K2）

則功率與轉速三次方成正比，即：

上述各式中，腳標“0”均表示額定工況參數(shù)。

則可以得到節(jié)電率的計算公式：

由以上理論可知水泵風機類負載，其轉速、揚程（壓力）和功率的關系如圖1所示。

圖1 關系曲線

當轉速減小時，電機的能耗將以其三次方的倍率下降，因此變頻調速的節(jié)電效果是非常顯著的。

4.變頻器選型及介紹

目前國際公認的最佳電機節(jié)能技術是變頻調速技術。在國內，電機變頻調速節(jié)能技術的應用已經(jīng)相當普遍，并且效果很好。另外，該技術已經(jīng)寫入“十二五規(guī)劃中”關于節(jié)能減排的相關文件里，體現(xiàn)了國家對該技術的充分肯定。

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

4.1 ZINVERT變頻調速系統(tǒng)工作原理與結構簡介

ZINVERT系列高壓變頻調速系統(tǒng)采用功率單元串聯(lián)技術，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降低輸入側諧波，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置的可編程邏輯控制器（PLC）構成系統(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速成套系統(tǒng)整體結構上由整流變壓器、功率逆變柜及控制柜組成，實際使用時還可按用戶要求配套手動或自動工頻旁路切換柜。

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%負載以上時電網(wǎng)側的功率因數(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）構成，同時還包括功率器件驅動、保護、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系列高壓變頻調速系統(tǒng)是由多個功率單元經(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，以如圖2-3所示6kV每相六單元串聯(lián)為例，每個功率單元輸出交流有效值Vo為577V，相電壓即達到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，已很接近標準正弦波形。

4.2 所選用高壓變頻調速系統(tǒng)特點

ZINVERT系列高壓變頻調速系統(tǒng)適用于標準中壓（3kV，6kV，10kV）三相交流電動機，具有以下的特點：

4.2.1 輸入諧波小

ZINVERT系列高壓變頻調速系統(tǒng)在電源側采用多達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，電網(wǎng)側諧波污染小，功率因數(shù)高，符合GB14549-93標準和IEEE std 519-1992電能質量標準對電壓、電流諧波失真度的要求，無需功率因數(shù)補償及諧波抑制裝置，對同一電網(wǎng)上用電的其它電氣設備不產(chǎn)生諧波干擾。

4.2.2 高功率因數(shù)

ZINVERT系列高壓變頻調速系統(tǒng)在全速范圍內維持高功率因數(shù)，滿載功率因數(shù)可達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備的利用率和用戶端的功率因數(shù)補償問題。

4.2.3 高效率

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

4.2.4 輸入電壓適應性強

電網(wǎng)輸入側電壓波動值與額定電壓比較有-15%～+15%范圍內時，通過電壓波動補償算法來自動補償輸出，保證額定輸出;網(wǎng)側電壓在65%額定值至115%額定值內不停機，保證電機持續(xù)運行（在由于電源電壓較低可能不能滿載運行，即可能導致降額運行）。

4.2.5 輸出諧波小

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

4.2.6 高可靠性、維護方便

ZINVERT系列高壓變頻調速系統(tǒng)功率回路采用的IGBT功率模塊，具有較大的電壓設計裕度，IGBT模塊的觸發(fā)與過流保護采用專用驅動模塊電路，具有高可靠性。

ZINVERT系列高壓變頻調速系統(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，工業(yè)級機箱設計，具有可靠的電磁防護功能，集高壓變頻調速控制和專業(yè)的電機保護功能于一體。成套系統(tǒng)具備完善的故障定位和保護功能，針對電機和電纜可能發(fā)生的相間短路和單相接地故障，特殊設計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（首家通過國家權威機構檢測包括輸出相間短路保護在內的所有保護功能）。

ZINVERT高壓變頻調速系統(tǒng)采用模塊化設計，結構工藝設計完善，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進行更換。成套裝置具備安全的保護和防誤操作閉鎖功能。

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

4.2.7 斷電恢復再啟動

電網(wǎng)瞬時停電或發(fā)生瞬時可恢復性故障后，在允許等待的時間（長度可由用戶根據(jù)工藝要求自行設定，最長可達30秒或更長）內，允許系統(tǒng)運行條件恢復后，在0.2～1.0秒內ZINVERT高壓變頻調速系統(tǒng)可自動搜索電機轉速，實現(xiàn)無沖擊再啟動，恢復運行至設定狀態(tài)，保證電機運行的持續(xù)運行可靠性，避免不必要停機造成的損失。

4.2.8 軟啟動、無沖擊電流

ZINVERT高壓變頻調速系統(tǒng)對電機進行軟啟動，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。起動時間由用戶設定，內部設有加速過流限速功能，以確保電機啟動的沖擊電流，保證電機的安全運行，延長其使用壽命。啟動過程自動搜索電機轉速，停機前不必保證電機停轉，能夠實現(xiàn)對電網(wǎng)和電動機無過流沖擊的快速啟動。

5.改造設計方案

公司決定利用1號機組小修機會，對1號鍋爐所屬兩臺引風機進行高壓變頻改造。

5.1 取消風門調節(jié)，使之全開，采用變頻調速方式改變風機電機的轉速適應風量的需求，實現(xiàn)節(jié)能降耗。考慮到節(jié)能改造的可靠性和自動化程度，具體改造措施如下：

①變頻器配置方案：采用高壓變頻器進行一拖一調速。

②電氣控制方式：變頻裝置的運行監(jiān)控并入原有DCS系統(tǒng)，并設計本地和遠程控制切換功能。

③旁路系統(tǒng)：保留原系統(tǒng)的啟動柜，作為高壓變頻器的備用手段。變頻器設計旁路電路，保障變頻器故障時設備可以工頻運行，并方便檢修。

④控制電源：采用多回路供電技術。

⑤變頻器的散熱：室內加空調冷卻方式。

⑥進出線方式：電纜下進出線，電纜溝敷設。

⑦安裝位置：專用高壓變頻設備間。

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)。可以實現(xiàn)自動上傳運行參數(shù)，遠程控制啟停、調節(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：啟動、停止、急停;

DCS的DI信號7個：運行、停止、工頻狀態(tài)、變頻狀態(tài)、輕故障、重故障、遠程/本地;

DCS的AO信號1個：頻率給定;

DCS的AI信號2個：頻率反饋、電流反饋變頻故障緊急切旁路。

5.3 變頻故障緊急切旁路

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

5.4 手動旁路

一拖一手動旁路如圖3所示。手動旁路柜中K2為刀閘，閉合a端，導通變頻回路;閉合b端，導通工頻回路。

變頻器故障停機后，控制器發(fā)出節(jié)點信號控制進線開關QF1進行分閘，向DCS報警，并向遠端工控機發(fā)送故障代碼。DCS控制人員到報警后，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備間。處理人員到達后采取如下措施：

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

DCS控制人員收到合閘通知后，采取啟動準備程序后，對QF1進行合閘，并調節(jié)1號電機風門開度和2號電機頻率至正常運行值。電機工頻啟動，進入工頻運行狀態(tài)。

5.5 遠程監(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)。可以實現(xiàn)自動上傳運行參數(shù)，遠程控制啟停、調節(jié)輸出頻率等功能。

另外，考慮到檢修的方便性，高壓變頻器上設置了本地和遠程控制切換功能，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。

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

內置UPS提供應急電源：主電源掉電后由UPS提供應急電源，為系統(tǒng)恢復提供處理時間，保障控制回路的正常運行

6.改造后的效果

1號機組兩臺引風機經(jīng)過改造后運行一年多來，在節(jié)能公司人員維護下，未出現(xiàn)過故障，運行良好。經(jīng)過對不同工況條件下，與改造前電機運行參數(shù)的對比，統(tǒng)計出一年能夠節(jié)約電費近百萬元。除此外，風門執(zhí)行機構在運行時處于全開狀態(tài)，不需再調整，減少了故障率和維護工作量。引風機電機實現(xiàn)了軟啟動，減少了啟停時對電網(wǎng)的沖擊，提高了設備功率因數(shù)。

7.結論

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

參考文獻

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[2]周科，劉俊偉，張勁.電站鍋爐風機的節(jié)能改造[J].熱力發(fā)電，2005（8）：61-62.

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

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