自動旁路型智能高壓變頻調速系統在CFB鍋爐風機高壓變頻改造應用

1　引言

　　浙江江山虎熱電有限公司作為何家山水泥有限公司（江山虎集團）的余熱發電生產線，擔負著向何家山水泥2500t/d生產線供電的任務。自備電廠配置75t/h循環流化床鍋爐1臺、余熱鍋爐2臺，母線電壓10.5kv。主要輔機情況如表1所示。

　　發電機組設計出力為15mw，蒸發量75t/h左右，正常運行時機組滿負荷運行，但由于鍋爐輔機系統設計選型初期考慮到冷空氣動力場測試、強風吹掃的工藝要求，針對風機匹配系數（s.f.）都留有裕度，當發電機組處于長期發電運行中，其需要的風量都小于上述工藝的要求，造成鍋爐輔機系統大部分時間都基本上屬于大馬拉小車的局面。

2　自動旁路選型的初衷

　　作為何家山水泥生產線最重要的生產動力源，自備電廠負荷較大波動將直接影響到整條水泥生產線產量。為保證鍋爐機組出力的穩定性，而火力發電機組最重要的輔機機組一次風機、二次風機、引風機變頻改造后運行的可靠性就是用戶最關心的問題，為保證風機在變頻調速狀態下能夠無擾動地、平穩地切換到工頻和在工頻運行狀態下，無擾動地、平穩地切換到變頻運行狀態下是非常必要的，日常維護保養和故障處理均需要這一功能。所以改造設計中都考慮有工頻旁路系統，其切換方式一般有兩種方式：一為刀閘切換的手動旁路系統，適用于對工藝實時性要求不高的用戶（例如供水行業、存在壓火運行時段的cfb鍋爐、調峰機組、存在熱備用設備等等）;二為開關切換的自動旁路系統，對于實時性要求很高，工藝不允許有中斷生產線重要設備。前者切換方式比起后者初投資較省（只是開關與刀閘的差價），但是要求在斷開進線開關，停止風機運行的情況下進行工/變頻切換。在現行滿負荷運行的條件下，是不允許停止引風機和一次風機的。只能在低負荷壓火運行時經過系統調度允許時才能進行，此時發電機組也會受到較大影響，這是用戶所不允許的。因此用戶經過多方考證最終決定選用智光電機zinvert智能高壓變頻調速系統自動旁路系列。

　　工/變頻互切的關鍵問題就是切換過程的同期問題，在解決變頻器運行過程中內部出現故障可靠地切換到工頻，早期已經能夠很好的解決;但變頻器檢修完畢，對用戶工藝運行系統不造成影響，電機在旋轉狀態下可靠地由工頻瞬間轉換至變頻運行，沒有技術的保證是不行的，智光電機自主研發stt（speedtracingtechnology）專利技術有效地解決了這一技術瓶頸，眾所周知工頻切換變頻，瞬時電機定子電源失電后由于轉子殘流、剩磁產生的頻率、幅值衰減的定子殘壓、變頻器輸出不能承受與發電機非同期并網的類似沖擊，一般的變頻器會過流保護，運用此技術可確保電機在調速范圍內的任何轉速下，無需停車即可直接啟動系統，啟動時無任何電流沖擊，真正實現“飛車啟動”，此技術不但可以有效實現工/變頻自動無擾切換，而且對于用戶母線緊急切換、減小瞬時可恢復性故障（電力電子設備多偶爾由干擾引起的軟故障）造成對用戶負載的間斷，這保證工藝持續性工作具有重大意義，大大提高高壓變頻器的可靠性。圖1所示為zinvert高壓變頻瞬停失電重啟試驗波形。

3　自動旁路方案設計

　　3.1　一次主回路設計（一次風機、二次風機、引風機均滿足此要求）

　　每臺風機按一拖一方式配置（即一臺高壓變頻調速系統拖動一個負載），其電氣接線圖如圖2所示。

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　　該方案在設計中考慮了如下問題：

　　（1）刀閘k1、k2、k3、k4無機械閉鎖功能，只是在檢修時由手動斷開以形成明顯的斷開點，確保工作人員的安全。在工頻和變頻運行狀況下均處于閉合狀態。

　　（2）工頻旁路接觸器j3與變頻進線接觸器j1、變頻出線接觸器j2具備電氣閉鎖功能，不能同時閉合。

　　（3）在變頻運行狀況下，j1、j2閉合，j3斷開。如需自動切換至工頻運行，此時先停止變頻器輸出，跳閘用戶10kv開關柜，再由電氣控制依次斷開j2、j1，然后閉合j3使電機切換至工頻側，再合閘開關柜，使電機工頻運行。

　　（4）在工頻旁路運行狀況下j3閉合，j2、j1斷開。如需自動切換至變頻運行，此時由電氣線路控制先跳閘10kv開關柜，再斷開j3，然后依次閉合j2、j1，再合閘開關柜，啟動變頻器，完成由工頻旁路運行到變頻運行的自動切換。

　　3.2　二次控制回路說明

　　變頻器全部交由上位機dcs控制，對用戶的接口說明如下：

　　（1）集控室操作員站根據現場工藝要求通過標準4～20ma調速信號控制變頻器轉速輸出，變頻器通過4～20ma模擬信號實時反映現場電機運行電流、電機運行轉速（ai兩路、ao一路）;

　　（2）變頻器運行、停止、待機，輕故障報警、重故障停機、遠程/就地控制方式、工頻旁路/變頻狀態量實時上傳上位機（di節點若干，根據改造需要進行拓展或縮減）;

　　（3）變頻器啟動、停止、急停、報警解除為用戶控制變頻器do節點;

　　（4）電氣聯鎖信號：高壓合閘允許、跳閘信號、合閘信號、用戶開關位置接至原用戶斷路器控制回路;

　　（5）工藝聯鎖信號：關用戶風門信號（di）、風門位置信號（do）。

　　工藝聯鎖信號說明：在高壓變頻自動由變頻轉工頻運行時，風機會有轉速的突變，風量突然增大可能導致爐膛熄火或者難以滿足爐膛負壓。所以在考慮高壓變頻器自動變頻轉工頻運行時，高壓變頻器首先會給用戶發出一個關用戶風門信號，然后要求用戶回饋風門關閉信號給高壓變頻器。高壓變頻器接到此信號后會自動合閘斷路器，風機工頻啟動。

　　風門關閉到位信號是用戶根據風門的開度自行判斷后發出的，其邏輯是當風門關閉到某一設定開度以下時，dcs系統發出“風門關閉到位”信號給高壓變頻器;當風門處于某一設定開度以上時，“風門關閉到位”信號接點斷開。風門開度的確定是由用戶根據現場設備情況確定的，應是電機工頻啟動時風門的允許最大開度，判斷風門開度并發出信號是由用戶的dcs系統完成的。

　　聯鎖風機擋板保持爐膛負壓穩定在允許范圍內是自動旁路的必要條件，否則整套鍋爐系統自動投入mft大聯鎖，壓火運行。

4　自動旁路方案實踐

　　廣州智光電機有限公司的zinvert高壓變頻調速系統自動旁路功能應用成熟，在本工程投運初期，在負荷85％比較穩定的情況下未并網運行前期對自動旁路、工/變頻互切功能做了全面的考核，高壓帶負荷變頻運行狀態下模擬一重故障跳閘信號實現變頻轉工頻，自動投切過程僅用時10s左右（包括風門關閉到位時間），投切過程中爐膛負壓波動不大，負荷保持穩定，得到了用戶的充分肯定。在變頻系統就緒的情況下，“stt”技術可靠地保證平穩地實現了工頻到變頻的切換，切換過程很平穩，電機按照變頻設定轉速自行調整，無任何沖擊，負荷波動不大。所有操作（除變頻故障模擬）均在上位機完成，操作簡單，旁路過程全部自動完成，實現了真正的節能自動化改造。

　　自動旁路過程說明：

　　（1）變頻轉工頻：

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　　（2）工頻轉變頻：

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　　（3）需要注意的問題：根據現場工況的不同要求，風門從全開到設定范圍的關閉時間是通過現場試驗來確定的，沒有固定數值可參考，確定后plc在程序中可以相應修改其延時周期;許多工藝mft都是做在電機進線開關，變頻改造后工/變頻互切過程都有跳進線開關的過程，此瞬間暫時解除此聯鎖，設置延時來滿足轉換過程中瞬時的分合閘要求。如果變頻器的進線接觸器采用斷路器（可分斷故障電流）則不必跳進線開關，連鎖邏輯就不必做改動了。

5　變頻改造收益

　　5.1　節能效果評估

　　變頻投入運行后截取滿負荷，母線電壓10.5kv，蒸發73～80t/h，發電量16mw穩定后截取2007年7月9日0:00至7月11日16:00進行數據記錄，與改造前工頻鍋爐機組運行基本相同情況下的運行數據記錄，進行平均值計算、綜合節能比較分析如表2所示：

表2　綜合節能比較分析

　　5.2　改造后其他附加收益

　　（1）改善了工藝。投入變頻器后可以平滑穩定地調整風量，提高了效率。

　　（2）延長電機和風機的使用壽命。一般風機均為離心式風機，啟動時間長，啟動電流大（約6～8倍額定電流），對電機和風機的機械沖擊力很大，嚴重影響其使用壽命。而采用變頻調速后，可以實現軟起動和軟制動，幾乎不產生沖擊，可大大延長機械的使用壽命。

　　（3）減少擋板機械和風機風葉的磨損，減少了電機振動和軸承磨損。延長電機風機的大修周期，節省檢修費用和時間。

　　（4）現場噪音大大降低，極大地改善了電廠的運行環境，運行人員反映很好。

　　（5）減少了維護費用和檢修工作量。原電機在運行過程中，經常造成風機和電機的損壞，維護工作量大，檢修費用高。自改變頻調節后保證了風機在正常范圍內運行。

　　（6）便于實現電廠機組控制系統自動化。電廠風機的風量自動調節的難點是在過去用閥門擋板調節時，存在執行機構的開度與流量的關系曲線的非線性問題。往往由于執行機構的磨損量過大，擋板特性發生變化，并有調節開度與風量非線性、有突變拐點的問題，可能致使調節過程失誤，自動控制系統無法正常工作。而變頻調速具有線性、接近無級（0.01hz）調節特性，為實現電廠的自動化打下了良好的技術設備基礎。

6　結束語

　　高壓變頻調速裝置現已廣泛應用于火力發電機組cfb鍋爐，煤粉鍋爐成套輔機系統，取得了顯著的社會效果和經濟收益，而廣州智光電機zinvert智能高壓變頻調速系統自動旁路系列在電廠成功實踐使得鍋爐輔機系統運行方式更趨于合理，成套機組的自動化程度、控制水平得到了進一步提高，極大地提高了裝置現場運行的可靠性和維護的方便性，為高壓變頻調速系統向高性能發展提供了一定的技術基礎。