自動(dòng)旁路型智能高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)在CFB鍋爐風(fēng)機(jī)高壓變頻改造應(yīng)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(tuán)）的余熱發(fā)電生產(chǎn)線，擔(dān)負(fù)著向何家山水泥2500t/d生產(chǎn)線供電的任務(wù)。自備電廠配置75t/h循環(huán)流化床鍋爐1臺(tái)、余熱鍋爐2臺(tái)，母線電壓10.5kv。主要輔機(jī)情況如表1所示。

　　發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)出力為15mw，蒸發(fā)量75t/h左右，正常運(yùn)行時(shí)機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行，但由于鍋爐輔機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型初期考慮到冷空氣動(dòng)力場(chǎng)測(cè)試、強(qiáng)風(fēng)吹掃的工藝要求，針對(duì)風(fēng)機(jī)匹配系數(shù)（s.f.）都留有裕度，當(dāng)發(fā)電機(jī)組處于長(zhǎng)期發(fā)電運(yùn)行中，其需要的風(fēng)量都小于上述工藝的要求，造成鍋爐輔機(jī)系統(tǒng)大部分時(shí)間都基本上屬于大馬拉小車的局面。

2　自動(dòng)旁路選型的初衷

　　作為何家山水泥生產(chǎn)線最重要的生產(chǎn)動(dòng)力源，自備電廠負(fù)荷較大波動(dòng)將直接影響到整條水泥生產(chǎn)線產(chǎn)量。為保證鍋爐機(jī)組出力的穩(wěn)定性，而火力發(fā)電機(jī)組最重要的輔機(jī)機(jī)組一次風(fēng)機(jī)、二次風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)變頻改造后運(yùn)行的可靠性就是用戶最關(guān)心的問(wèn)題，為保證風(fēng)機(jī)在變頻調(diào)速狀態(tài)下能夠無(wú)擾動(dòng)地、平穩(wěn)地切換到工頻和在工頻運(yùn)行狀態(tài)下，無(wú)擾動(dòng)地、平穩(wěn)地切換到變頻運(yùn)行狀態(tài)下是非常必要的，日常維護(hù)保養(yǎng)和故障處理均需要這一功能。所以改造設(shè)計(jì)中都考慮有工頻旁路系統(tǒng)，其切換方式一般有兩種方式：一為刀閘切換的手動(dòng)旁路系統(tǒng)，適用于對(duì)工藝實(shí)時(shí)性要求不高的用戶（例如供水行業(yè)、存在壓火運(yùn)行時(shí)段的cfb鍋爐、調(diào)峰機(jī)組、存在熱備用設(shè)備等等）;二為開(kāi)關(guān)切換的自動(dòng)旁路系統(tǒng)，對(duì)于實(shí)時(shí)性要求很高，工藝不允許有中斷生產(chǎn)線重要設(shè)備。前者切換方式比起后者初投資較省（只是開(kāi)關(guān)與刀閘的差價(jià)），但是要求在斷開(kāi)進(jìn)線開(kāi)關(guān)，停止風(fēng)機(jī)運(yùn)行的情況下進(jìn)行工/變頻切換。在現(xiàn)行滿負(fù)荷運(yùn)行的條件下，是不允許停止引風(fēng)機(jī)和一次風(fēng)機(jī)的。只能在低負(fù)荷壓火運(yùn)行時(shí)經(jīng)過(guò)系統(tǒng)調(diào)度允許時(shí)才能進(jìn)行，此時(shí)發(fā)電機(jī)組也會(huì)受到較大影響，這是用戶所不允許的。因此用戶經(jīng)過(guò)多方考證最終決定選用智光電機(jī)zinvert智能高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)自動(dòng)旁路系列。

　　工/變頻互切的關(guān)鍵問(wèn)題就是切換過(guò)程的同期問(wèn)題，在解決變頻器運(yùn)行過(guò)程中內(nèi)部出現(xiàn)故障可靠地切換到工頻，早期已經(jīng)能夠很好的解決;但變頻器檢修完畢，對(duì)用戶工藝運(yùn)行系統(tǒng)不造成影響，電機(jī)在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下可靠地由工頻瞬間轉(zhuǎn)換至變頻運(yùn)行，沒(méi)有技術(shù)的保證是不行的，智光電機(jī)自主研發(fā)stt（speedtracingtechnology）專利技術(shù)有效地解決了這一技術(shù)瓶頸，眾所周知工頻切換變頻，瞬時(shí)電機(jī)定子電源失電后由于轉(zhuǎn)子殘流、剩磁產(chǎn)生的頻率、幅值衰減的定子殘壓、變頻器輸出不能承受與發(fā)電機(jī)非同期并網(wǎng)的類似沖擊，一般的變頻器會(huì)過(guò)流保護(hù)，運(yùn)用此技術(shù)可確保電機(jī)在調(diào)速范圍內(nèi)的任何轉(zhuǎn)速下，無(wú)需停車即可直接啟動(dòng)系統(tǒng)，啟動(dòng)時(shí)無(wú)任何電流沖擊，真正實(shí)現(xiàn)“飛車啟動(dòng)”，此技術(shù)不但可以有效實(shí)現(xiàn)工/變頻自動(dòng)無(wú)擾切換，而且對(duì)于用戶母線緊急切換、減小瞬時(shí)可恢復(fù)性故障（電力電子設(shè)備多偶爾由干擾引起的軟故障）造成對(duì)用戶負(fù)載的間斷，這保證工藝持續(xù)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(yàn)波形。

3　自動(dòng)旁路方案設(shè)計(jì)

　　3.1　一次主回路設(shè)計(jì)（一次風(fēng)機(jī)、二次風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)均滿足此要求）

　　每臺(tái)風(fēng)機(jī)按一拖一方式配置（即一臺(tái)高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)拖動(dòng)一個(gè)負(fù)載），其電氣接線圖如圖2所示。

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　　該方案在設(shè)計(jì)中考慮了如下問(wèn)題：

　　（1）刀閘k1、k2、k3、k4無(wú)機(jī)械閉鎖功能，只是在檢修時(shí)由手動(dòng)斷開(kāi)以形成明顯的斷開(kāi)點(diǎn)，確保工作人員的安全。在工頻和變頻運(yùn)行狀況下均處于閉合狀態(tài)。

　　（2）工頻旁路接觸器j3與變頻進(jìn)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(shí)閉合。

　　（3）在變頻運(yùn)行狀況下，j1、j2閉合，j3斷開(kāi)。如需自動(dòng)切換至工頻運(yùn)行，此時(shí)先停止變頻器輸出，跳閘用戶10kv開(kāi)關(guān)柜，再由電氣控制依次斷開(kāi)j2、j1，然后閉合j3使電機(jī)切換至工頻側(cè)，再合閘開(kāi)關(guān)柜，使電機(jī)工頻運(yùn)行。

　　（4）在工頻旁路運(yùn)行狀況下j3閉合，j2、j1斷開(kāi)。如需自動(dòng)切換至變頻運(yùn)行，此時(shí)由電氣線路控制先跳閘10kv開(kāi)關(guān)柜，再斷開(kāi)j3，然后依次閉合j2、j1，再合閘開(kāi)關(guān)柜，啟動(dòng)變頻器，完成由工頻旁路運(yùn)行到變頻運(yùn)行的自動(dòng)切換。

　　3.2　二次控制回路說(shuō)明

　　變頻器全部交由上位機(jī)dcs控制，對(duì)用戶的接口說(shuō)明如下：

　　（1）集控室操作員站根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工藝要求通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)4～20ma調(diào)速信號(hào)控制變頻器轉(zhuǎn)速輸出，變頻器通過(guò)4～20ma模擬信號(hào)實(shí)時(shí)反映現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)運(yùn)行電流、電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速（ai兩路、ao一路）;

　　（2）變頻器運(yùn)行、停止、待機(jī)，輕故障報(bào)警、重故障停機(jī)、遠(yuǎn)程/就地控制方式、工頻旁路/變頻狀態(tài)量實(shí)時(shí)上傳上位機(jī)（di節(jié)點(diǎn)若干，根據(jù)改造需要進(jìn)行拓展或縮減）;

　　（3）變頻器啟動(dòng)、停止、急停、報(bào)警解除為用戶控制變頻器do節(jié)點(diǎn);

　　（4）電氣聯(lián)鎖信號(hào)：高壓合閘允許、跳閘信號(hào)、合閘信號(hào)、用戶開(kāi)關(guān)位置接至原用戶斷路器控制回路;

　　（5）工藝聯(lián)鎖信號(hào)：關(guān)用戶風(fēng)門信號(hào)（di）、風(fēng)門位置信號(hào)（do）。

　　工藝聯(lián)鎖信號(hào)說(shuō)明：在高壓變頻自動(dòng)由變頻轉(zhuǎn)工頻運(yùn)行時(shí)，風(fēng)機(jī)會(huì)有轉(zhuǎn)速的突變，風(fēng)量突然增大可能導(dǎo)致?tīng)t膛熄火或者難以滿足爐膛負(fù)壓。所以在考慮高壓變頻器自動(dòng)變頻轉(zhuǎn)工頻運(yùn)行時(shí)，高壓變頻器首先會(huì)給用戶發(fā)出一個(gè)關(guān)用戶風(fēng)門信號(hào)，然后要求用戶回饋風(fēng)門關(guān)閉信號(hào)給高壓變頻器。高壓變頻器接到此信號(hào)后會(huì)自動(dòng)合閘斷路器，風(fēng)機(jī)工頻啟動(dòng)。

　　風(fēng)門關(guān)閉到位信號(hào)是用戶根據(jù)風(fēng)門的開(kāi)度自行判斷后發(fā)出的，其邏輯是當(dāng)風(fēng)門關(guān)閉到某一設(shè)定開(kāi)度以下時(shí)，dcs系統(tǒng)發(fā)出“風(fēng)門關(guān)閉到位”信號(hào)給高壓變頻器;當(dāng)風(fēng)門處于某一設(shè)定開(kāi)度以上時(shí)，“風(fēng)門關(guān)閉到位”信號(hào)接點(diǎn)斷開(kāi)。風(fēng)門開(kāi)度的確定是由用戶根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備情況確定的，應(yīng)是電機(jī)工頻啟動(dòng)時(shí)風(fēng)門的允許最大開(kāi)度，判斷風(fēng)門開(kāi)度并發(fā)出信號(hào)是由用戶的dcs系統(tǒng)完成的。

　　聯(lián)鎖風(fēng)機(jī)擋板保持爐膛負(fù)壓穩(wěn)定在允許范圍內(nèi)是自動(dòng)旁路的必要條件，否則整套鍋爐系統(tǒng)自動(dòng)投入mft大聯(lián)鎖，壓火運(yùn)行。

4　自動(dòng)旁路方案實(shí)踐

　　廣州智光電機(jī)有限公司的zinvert高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)自動(dòng)旁路功能應(yīng)用成熟，在本工程投運(yùn)初期，在負(fù)荷85％比較穩(wěn)定的情況下未并網(wǎng)運(yùn)行前期對(duì)自動(dòng)旁路、工/變頻互切功能做了全面的考核，高壓帶負(fù)荷變頻運(yùn)行狀態(tài)下模擬一重故障跳閘信號(hào)實(shí)現(xiàn)變頻轉(zhuǎn)工頻，自動(dòng)投切過(guò)程僅用時(shí)10s左右（包括風(fēng)門關(guān)閉到位時(shí)間），投切過(guò)程中爐膛負(fù)壓波動(dòng)不大，負(fù)荷保持穩(wěn)定，得到了用戶的充分肯定。在變頻系統(tǒng)就緒的情況下，“stt”技術(shù)可靠地保證平穩(wěn)地實(shí)現(xiàn)了工頻到變頻的切換，切換過(guò)程很平穩(wěn)，電機(jī)按照變頻設(shè)定轉(zhuǎn)速自行調(diào)整，無(wú)任何沖擊，負(fù)荷波動(dòng)不大。所有操作（除變頻故障模擬）均在上位機(jī)完成，操作簡(jiǎn)單，旁路過(guò)程全部自動(dòng)完成，實(shí)現(xiàn)了真正的節(jié)能自動(dòng)化改造。

　　自動(dòng)旁路過(guò)程說(shuō)明：

　　（1）變頻轉(zhuǎn)工頻：

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　　（2）工頻轉(zhuǎn)變頻：

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　　（3）需要注意的問(wèn)題：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況的不同要求，風(fēng)門從全開(kāi)到設(shè)定范圍的關(guān)閉時(shí)間是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)來(lái)確定的，沒(méi)有固定數(shù)值可參考，確定后plc在程序中可以相應(yīng)修改其延時(shí)周期;許多工藝mft都是做在電機(jī)進(jìn)線開(kāi)關(guān)，變頻改造后工/變頻互切過(guò)程都有跳進(jìn)線開(kāi)關(guān)的過(guò)程，此瞬間暫時(shí)解除此聯(lián)鎖，設(shè)置延時(shí)來(lái)滿足轉(zhuǎn)換過(guò)程中瞬時(shí)的分合閘要求。如果變頻器的進(jìn)線接觸器采用斷路器（可分?jǐn)喙收想娏鳎﹦t不必跳進(jìn)線開(kāi)關(guān)，連鎖邏輯就不必做改動(dòng)了。

5　變頻改造收益

　　5.1　節(jié)能效果評(píng)估

　　變頻投入運(yùn)行后截取滿負(fù)荷，母線電壓10.5kv，蒸發(fā)73～80t/h，發(fā)電量16mw穩(wěn)定后截取2007年7月9日0:00至7月11日16:00進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，與改造前工頻鍋爐機(jī)組運(yùn)行基本相同情況下的運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄，進(jìn)行平均值計(jì)算、綜合節(jié)能比較分析如表2所示：

表2　綜合節(jié)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(wěn)定地調(diào)整風(fēng)量，提高了效率。

　　（2）延長(zhǎng)電機(jī)和風(fēng)機(jī)的使用壽命。一般風(fēng)機(jī)均為離心式風(fēng)機(jī)，啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，啟動(dòng)電流大（約6～8倍額定電流），對(duì)電機(jī)和風(fēng)機(jī)的機(jī)械沖擊力很大，嚴(yán)重影響其使用壽命。而采用變頻調(diào)速后，可以實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)和軟制動(dòng)，幾乎不產(chǎn)生沖擊，可大大延長(zhǎng)機(jī)械的使用壽命。

　　（3）減少擋板機(jī)械和風(fēng)機(jī)風(fēng)葉的磨損，減少了電機(jī)振動(dòng)和軸承磨損。延長(zhǎng)電機(jī)風(fēng)機(jī)的大修周期，節(jié)省檢修費(fèi)用和時(shí)間。

　　（4）現(xiàn)場(chǎng)噪音大大降低，極大地改善了電廠的運(yùn)行環(huán)境，運(yùn)行人員反映很好。

　　（5）減少了維護(hù)費(fèi)用和檢修工作量。原電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，經(jīng)常造成風(fēng)機(jī)和電機(jī)的損壞，維護(hù)工作量大，檢修費(fèi)用高。自改變頻調(diào)節(jié)后保證了風(fēng)機(jī)在正常范圍內(nèi)運(yùn)行。

　　（6）便于實(shí)現(xiàn)電廠機(jī)組控制系統(tǒng)自動(dòng)化。電廠風(fēng)機(jī)的風(fēng)量自動(dòng)調(diào)節(jié)的難點(diǎn)是在過(guò)去用閥門擋板調(diào)節(jié)時(shí)，存在執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開(kāi)度與流量的關(guān)系曲線的非線性問(wèn)題。往往由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的磨損量過(guò)大，擋板特性發(fā)生變化，并有調(diào)節(jié)開(kāi)度與風(fēng)量非線性、有突變拐點(diǎn)的問(wèn)題，可能致使調(diào)節(jié)過(guò)程失誤，自動(dòng)控制系統(tǒng)無(wú)法正常工作。而變頻調(diào)速具有線性、接近無(wú)級(jí)（0.01hz）調(diào)節(jié)特性，為實(shí)現(xiàn)電廠的自動(dòng)化打下了良好的技術(shù)設(shè)備基礎(chǔ)。

6　結(jié)束語(yǔ)

　　高壓變頻調(diào)速裝置現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于火力發(fā)電機(jī)組cfb鍋爐，煤粉鍋爐成套輔機(jī)系統(tǒng)，取得了顯著的社會(huì)效果和經(jīng)濟(jì)收益，而廣州智光電機(jī)zinvert智能高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)自動(dòng)旁路系列在電廠成功實(shí)踐使得鍋爐輔機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行方式更趨于合理，成套機(jī)組的自動(dòng)化程度、控制水平得到了進(jìn)一步提高，極大地提高了裝置現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的可靠性和維護(hù)的方便性，為高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)向高性能發(fā)展提供了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。