九洲電氣高壓變頻器在循環流化床鍋爐上的解決方案

　　摘 要：本文主要介紹高壓變頻器在循環流化床引風機、一次風機調速方面的應用，與傳統檔板調節進行比較及簡述高壓變頻器的基本原理、應用的技術方案。

　　關鍵詞：高壓變頻器、節能降耗

　　一、引言

　　新疆農一師電力公司—塔里木熱電廠距離阿克蘇市區13公里，于96年該熱電廠建成的I期供熱工程，總機組發電容量為 2ⅹ12MW ，2臺鍋爐容量為2ⅹ75T/H ，總供熱面積為125萬㎡ ，由于城市的擴容和發展，人口的不斷增長，已經完全不能滿足整個阿克蘇市區人民基本的取暖問題，所以每年每到冬日供熱期間，整個阿克蘇市區由于分散供熱所帶來的污濁的空氣，給人們的身心帶來了極大的傷害。為此農一師電力公司以“集中供熱為阿克蘇人民送一片溫暖，集中供熱還阿克蘇人民一片藍天”為宗旨，自籌資金在阿克蘇市郊區建成了2 臺鍋爐容量為2ⅹ75MW ，總供熱面積為130萬㎡ 的II期供熱工程—塔里木(阿克蘇)供熱中心熱源廠。

　　二、供熱系統技術總方案：

　　整套技術方案本著“節能降耗”環保型、高效率的產品為主、并且要求技術領先成熟、產品運行可靠為前提，其2套供熱機組方案如下：

　　1、供熱鍋爐采用唐山信德鍋爐集團生產的QXX75-1.6/130/80-AII型循環流化床鍋爐

　　其循環流化床鍋爐具有高效、低污染、低成本等特點。

　　循環硫化床作為一種清潔高效燃燒技術在國際上被廣泛認可，循環流化床的燃燒是介于層燃和室燃之間的一 種燃燒技術，是采用流態化的燃燒，其具有燃燒適應性廣、燃燒效率高、燃燒強度大，溫度分布均勻、由于采用低溫分級燃燒，高效脫硫、氮氧化合物排量低、負荷調節范圍大、污染物排放低、灰渣綜合利用性能好等特點，屬于環保型鍋爐，是國家大力推廣的新型鍋爐。其燃燒工藝如下：燃料由爐前給煤系統送入爐膛。送風系統由一次風(鼓風)和二次風組成，一次風由爐床下部送入爐膛，主要保證料層流化：二次風沿燃燒室分級多點送入，主要增加爐膛的含氧量起到助燃作用。燃燒后的物料變成一些較小的顆粒隨煙氣一起進入分離器，經過固氣分離其中大部分顆粒由分離器下部的返料器重新送入爐膛，使爐膛內有足夠高的灰度，保證流化;煙氣經過電除塵器由引風機抽出。

　　2、引風電機(10KV、800KW)、一次鼓風電機(10KV、710KW)為長沙電機廠生產，其控制系統各2套均采用哈爾濱九洲電氣股份有限公司生產的Power SmartTM--高壓變頻調速控制裝置來對風機風量和風壓的控制。

　　風機系統中流量的調節如果采用改變檔板開度的方式，那麼就在檔板上產生附加的壓力損失，因而消耗了大量能源。所以采用變頻調速技術來控制風機系統，不僅可以節約能源，就其高精度控制而使系統運行更加合理可靠。(以下將詳細說明也是本文的重點)

　　3、二次風機(380V、250KW)、羅茨風機(380V、75KW)、循環給水泵(380V、500KW)、給煤機(380V、55KW)的控制系統均采用美國伊頓公司生產的—低壓變頻調速控制裝置。

　　三、針對引風機、一次鼓風機就其控制系統，分別上高壓變頻器的前期調研與分析

　　1、引風機、一次鼓風機如果采用低壓(380V、800KW)的電機和低壓(380V、710KW)的電機，那么電機的額定電流將達到一千多安培，電機的控制系統-低壓變頻器其輸出的電流也要達到上千安培，對于要求設備長期可靠、穩定的運行，表示擔心;

　　2、因在設計引風機和一次鼓風機的初期就將其容量付有裕量，不可能達到風機擋板全開、電機容量達到額定值的情況;

　　3、如果采用原來的是傳統做法，即風機以定速方式運行，通過風機擋板來調節風量和風壓，其主要弊端主要表現為：

　　3.1、調節擋板前后壓差增加，工作安全特性變壞，壓力損失嚴重，造成能耗增加;

　　3.2、風機定速運行，擋板調整節流損失大，出口壓力高，系統效率低，造成能源的浪費;

　　3.3、風道壓力過高，威脅系統設備密封性能;

　　3.4、長期的40-70%開度，加速擋板自身磨損，導致擋板控制特性變差;

　　3.5、設備使用壽命短，日常維護量大，維修成本高，造成各種資源的浪費;

　　3.6、設備起動沖擊電流大，需增加配電設備容量而增加投資;

　　3.7、與DCS不能直接配合，難于實現自動化控制與操作。

　　四、Power SmartTM高壓變頻調速控制裝置系統技術方案：

　　1、系統組成：

　　Power SmartTM系列高壓變頻調速系統主要由切分移相干式變壓器柜、功率單元柜、控制單元柜、遠控操作箱、旁路開關柜等部分組成。變頻器整機如下圖所示：

　　1.1切分移相干式變壓器

　　切分移相干式變壓器為變頻器的輸入設備，一般由鐵心、輸入繞組、屏蔽層、輸出繞組及冷卻風機、過熱保護等部分構成。

　　為了兼顧安全、防塵、維護以及美觀等要求，一般將其安裝在柜內。

　　Power SmartTM系列高壓變頻器選用的變壓器，其絕緣等級為H極，絕緣材料部分選用進口的美國杜邦公司優質產品，溫升可達155℃;真空浸漆，免維護。

　　變壓器的原邊為星形連接，在最內側。副邊在外側，為沿邊三角形連接，根據不同的電壓等級，一般有9、18或27個三相的副邊繞組。在原副邊繞組之間另設有一層接地屏蔽層。副邊的三相繞組可分為三大組，分別供給功率單元柜中的三個相，每一大組中各個三相小繞組其輸出電壓幅值相同，之間的相位移有20O、10O或6.6O。

　　變壓器柜另配有溫度監測裝置，在繞組溫度超過警戒溫度時能提供過熱警告信號和過熱故障信號。變壓器柜頂部裝有引風機以排出變壓器在工作時產生的熱量。柜門安裝有防塵網。

　　切分移相干式變壓器外形如下圖所示：

　　1.2控制單元柜

　　主控制器的外觀如下圖所示：

　　控制單元柜主要由主控制器、溫控器、風機保護器、人機界面(數碼管和彩色觸摸屏可選)、PLC、嵌入式微機、開關電源、EMI模塊、隔離變壓器、空氣開關、接觸器、繼電器、模擬量模塊、開關量模塊等組成。

　　主控制器，由總線板、電源單元、CPU單元、接口單元、3個相控單元及開關量、模擬量的輸入、輸出子模塊等組成。它是變頻器的控制核心，由兩片DSP及多片FPGA、CLPD等構成，通過優質光纖將PWM信號傳送到功率單元中，從而實現了高可靠的控制。

　　溫控器，可以接3個感溫探頭，來測試切分變壓器的溫度，并提供告警或保護節點。

　　風機保護器，有3臺，用來監控風機的缺相、過流等。其中，接功率單元柜的為2臺，切分變壓器柜1臺。

　　PLC，內置PID調節模塊和程序，可以實現閉環控制。它還含有模擬量、開關量模塊，其路數可根據用戶要求進行定制。

　　人機界面，設在控制單元柜前門上，用來提供設置、監視和切換等操作。它分別有數碼管方式和彩色觸摸屏方式兩種，根據用戶需求可進行選配，分別如下

　　1.3功率單元柜

　　功率單元柜，一般由1～2臺柜構成，主要由功率單元、電流互感器、輸出電壓檢測單元、風道風壓檢測裝置及高壓電纜等組成。

　　10KV系統功率單元共計27臺，平均分屬3個相(自上而下分別為U,V,W)，每相9個首尾相串，相間采用星形連接。電流互感器作為電流采集、處理、監視及電流閉環用，共2只，分別串入功率單元星點連接處的U相和W相上。輸出電壓檢測單元，輸入端分別接至星形連接的3個相端。用來檢測輸出電壓等信息。風道風壓檢測裝置用來實時檢測冷卻風道是否暢通，風壓可以實時動態顯示，它與風機電腦保護器、溫控器一起共同組成變頻系統冷卻監視系統，進一步使變頻器熱量能夠及時傳導出去，確保變頻器可靠運行。

　　2、工作原理：

　　功率單元模塊由整流、軟啟動、濾波、逆變、旁通、 PWM形成、驅動、保護、模擬量采集等電路組成。

　　功率單元模塊由整流二極管、絕緣柵雙極性晶閘管(IGBT)構成的三相低壓輸入，單相輸出低壓的PWM電壓型逆變器。由于變壓器副邊繞組的獨立性，使每個功率單元的主回路相對獨立，類似常規低壓變頻器;

　　Power SmartTM系列高壓變頻器是采用單元串聯多重化技術屬于電壓源型高-高式高壓變頻器，是利用低壓單相變頻器相互串聯，來彌補功率器件IGBT的耐壓能力的不足。所謂多重化，就是每相由幾個低壓功率單元串聯組成，各功率單元由一個多繞組的移相隔離變壓器來獨立供電。

　　以10KV高壓變頻器為例，論述如下：10KV系列有27個功率單元，每 9個功率單元相串聯為一相。每個單元的輸入電壓為三相650V，輸出則為單相650V，單元相互串聯疊加后可輸出相電壓5850V。當變頻器輸出頻率為50HZ時，相電壓為19階梯波，如下圖所示。圖中UA1 … UA9分別為A相9個功率單元的輸出電壓，疊加后為變頻器A相輸出電壓UA0。圖中顯示出了生成PWM控制信號時所采用A相參考電壓UAr，可以看出UA0很好地逼近UAr。UAF為A相輸出電壓中的基波成分。

　　由于變頻器中點與電動機中性點不連接，變頻器輸出實際上為線電壓，由A相和B相輸出電壓產生的UAB輸出線電壓可達10000V以上，為37階梯波。如下圖所示，為輸出的線電壓和相電壓的階梯波形，UAB不僅具有正弦波形而且臺階數也成倍增加，因而諧波成分及dV/dt均較小。

　　變頻器輸出的三相電壓加到電動機上，產生電流使電機旋轉，額定運行時電機的電壓和電流(實測波形)如圖所示，可看出由于輸出電壓的諧波很小，電機電流接近于正弦波。

　　采用多重化疊加的方式，使變頻器輸出電壓的諧波含量很小，不會引起電動機的附加諧波發熱。其輸出電壓的dV/dt也很小，不會給電機增加明顯的應力，因此可以向普通標準型交流電動機供電，而且無需降容使用。由于輸出電壓的諧波和dV/dt都很小，不需要附加輸出濾波器，輸出電纜也長度無要求。由于諧波很小，附加的轉矩脈動也很小，避免了由此引起的機械共振，傳動系統及軸承的磨損也大為降低。

　　在變頻器輸入側，由于變頻器多個副邊繞組的均勻位移，如10KV輸出時共有9種位移不同繞組，變頻器原邊電流中對應的電流成分也相互均勻位移，構成等效54脈動整流線路，結果變頻器輸入電流中諧波含量大為減少，遠低于標準規定的限值。變頻器工作時的功率因數達0.96以上，完全滿足了供電系統的要求。因此不需要附加電源濾波器或功率因數補償裝置，也不會與現有的補償電容裝置發生諧振，變頻器工作時不會對同一電網上運行的電氣設備發生干擾，因而被人們譽為“完美無諧波的高壓變頻器”。

　　3、技術特點：

　　3.1 采用雙DSP控制，無須工控機，可靠性高，速度高達納秒級，比工業控機的響應速度快1000倍，杜絕了變頻器死機問題;

　　3.2 采用54脈沖整流(以10KV變頻器為例)及空間矢量多重化PWM技術，每相由9個功率單元串聯而成，并直接驅動電動機，無需輸出升壓變壓器。輸出電平數高，dv/dt很小，輸出波形接近正弦波，無需正弦波濾波器，電機運行平穩;

　　3.3采用專利技術的實時光纖傳送技術，對功率單元進行控制，避免了同類廠家的數據打包通訊方式帶來的波形延遲現象;

　　3.4 變頻器輸出轉矩脈沖窄，控制精度高，避免了機械共振，減少傳動機構的磨損，電動機的電應力強度與采用工頻電源時相近，無明顯附加影響，電動機噪聲與采用工頻供電時相近;

　　3.5 輸入采用多重化的切分變壓器，絕緣等級H級，原副邊之間采取接地屏蔽措施，并提供變壓器過熱告警、保護功能，130℃告警，150℃故障跳閘，告警與故障點可根據設定，變壓器過載能力強120% 60min，200% 10s,輸入阻抗高達8%，抗短路電流沖擊能力可達到額定電流的12.5倍;

　　3.6 采用先進的反擎住技術，使得IGBT更加可靠運行。

　　3.7 完善的自我診斷和故障預警機制，上電自檢，運行中實時監測，檢測速度高。通過雙DSP系統，實現納秒級運算并進行綜合判斷，分析準確，減少變頻器誤報警。故障的自診斷及保護功能相當完備，多達400多項的診斷信息，對電網和負荷有很強的適應性;

　　3.8 具有PWM控制波形與逆變輸出波形實時驗證功能，提高了輸出波形的準確性，增強了系統無故障的運行能力，而同類廠家的數據以打包通訊方式則無法實現此驗證功能;

　　3.9 具有反轉啟動和飛車啟動功能，無論電機處于正轉還是反轉狀態，變頻器均可實現大力矩直接啟動;

　　3.10 變頻器具有軟啟動功能，可以實現一拖多軟啟動;

　　3.11 為避免電網短時失電對生產造成影響，變頻器具備來電自啟動功能。當電網電壓消失后，變頻器將判斷處理或者緊急停機，如果在20秒內電網電源又恢復，變頻器會進行自動啟動，恢復停機前的運行狀態;(通過軟件參數設置來自選此功能)

　　3.11 具有GPRS遠程監控功能，可以將高壓變頻器的運行數據及故障信息，通過GPRS通信系統傳輸到公司總部的本地服務器上顯示、處理、存儲，以便進行遠程故障診斷，快速解決問題;

　　3.12 變頻器發生短路、接地、過流、過載、過壓、欠壓、過熱等情況時，系統均能故障定位并且及時告警或保護;

　　3.13 對電網波動的適應能力增強。針對生產負荷波動大的工況，變頻器進行了特殊設計(可通過軟、硬件來設置)，大幅度提高了其抗電網波動能力，做到電壓波動在±15%以內時，變頻器可以維持滿額輸出;電網電壓降落在-15%～35%以內時，變頻器將短時降額運行，不進行欠壓保護，待電網電壓恢復正常后，變頻器自動恢復到原來的工作狀態，大大減少了電壓跌落造成的停機現象。

　　3.14 優秀的模塊化設計，使得MTTF小于30分鐘，其優點：

　　3.14.1.模塊化設計，使得系統的可維護性大大提高。如果功率單元損壞，只要拆幾個端子，換一個就可以了，非常方便。這使得平均可維護時間(MTTF)由過去的數個小時，一下子降到了目前的30分鐘。

　　3.14.2.支持中心點偏移式的旁路技術。當某一個功率單元失效時，能夠立即對該單元實施旁路處理，而整個變頻器的輸出仍能維持94%以上的電壓，這保證了系統的不間斷運行。

　　3.14.3.采用功率單元式結構，很好的解決了高壓大功率調速領域的技術矛盾。這為高壓大功率低諧波變頻器的研制提供了嶄新的思路。

　　4、系統的配置

　　4.1 內置PID調節器，可以實現閉環控制;

　　4.2可以實現觸摸屏、數字鍵盤、模擬電位器、遠程DCS等多種頻率設定方式，適應各種用戶需求;

　　4.3具有與用戶隔離的開關量、模擬量輸入輸出接口，確保了與用戶現有設備的可靠連接。可提供開關量輸入輸出接口各32路，模擬量輸入輸出接口4和8路，也可根據用戶要求自由配置;

　　4.4采用兩路控制電源(AC220V)供電，一路由輸入變壓器二次繞組提供，一路由用戶現場提供。變頻器同時內置UPS電源，保證無擾動平滑切換，控制電源失電變頻器不停機;

　　4.5完整的參數化功能，對于用戶的各種應用可全面支持。

　　5、經過嚴格調研Power SmartTM系列高壓變頻器與同類產品的比較：

序號		哈爾濱九洲（JZE）公司生產的高壓變頻器		其它廠家生產的同類型產品
		采用的技術	特點	采用的技術	特點
1	整流電路	帶有預充電功能的整流電路	上電過程沖擊電流小，對電網影響小，但成本較高；	無預充電功能的整流電路	上電過程沖擊電流大，對電網影響大，但成本低；
2	控制系統	采用： 數字信號處理器（雙DSP）；	速度快，指令周期為納秒級，數據處理能力強，穩定性好，但成本較高；雙CPU 設計，可靠性高，不會出現變頻器死機現象；	單片機（單MCU）	速度慢，指令周期為微秒級，數據處理能力弱，穩定性差，但成本較低；有時會出現單片機死機現象；
3	瞬時掉電	具有瞬時掉電再恢復功能；	當電網波動或瞬時掉電后，變頻器不會故障停機，而是自動降速，待電網恢復后，變頻器將自動恢復至掉電前轉速下運行；	沒有此功能
4	存儲器	雙口RAM；	讀、寫數據兩不誤，可同時進行，速度非常快，但成本很高；	普通的單口RAM	讀、寫數據不能同時進行，需分時處理，速度很慢，但成本低廉；
5	功率單元故障檢測	具有： IGBT過流，單元過熱，電容異常，直流過壓，直流欠壓，電網缺相，IGBT不導通，無脈沖，無PWM，CPLD故障，5V電源故障，緊急旁通，未能旁通，已旁通，單元禁止，單元允許等等；	檢測功能完善，設計水平較高，與發達國家處于同等技術層次，但實現起來成本較高；	僅有： IGBT過流，單元過熱；	檢測功能單一，但實現起來容易，技術含量不高，成本很低；
6	功率單元模擬量檢測	具有功率單元直流母線電壓（甚至溫度）的模擬量采集功能，而且是實時上傳到控制單元的；	該功能可以形象地了解電機的泵升情況，及電容的充放電波形曲線。	無此功能
7	大規模門陣列	采用高速的FPGA、CPLD，門數非常高，達120000門；	高速的FPGA、CPLD，實現了PWM的高度實時性、快速性和準確性；	采用高速的FPGA、CPLD，但門數較低；	實時性、快速性和準確性都較差；
8	冷卻風機	高效率風機；	帶有風機缺相、過流、過載等檢測保護功能；	高效率風機；	有風機缺相、過流、過載等檢測保護功能；
9	IGBT驅動電路	采用進口專用驅動模塊；	安全、可靠、穩定；	自制的驅動模塊；	安全性能較差；

　　6、技術方案：

　　當變頻器出現嚴重故障時，系統能夠根據需要手動轉入工頻電網中，電機全功率運行，(也可以自選擇采用手動或者自動相切換的方案)。本方案中 QS1和QS2、QS3分別為電機工頻、變頻運行選擇隔離開關。各隔離刀閘之間要求用程序鎖實現嚴格可靠的機械互鎖和電氣閉鎖，以防止誤操作，同一狀態只允許QS1或QS2和QS3閉合工作。

　　7、應用效果：

　　循環流化床鍋爐在正常運行時，爐膛壓力必須在正常的范圍內。流化床鍋爐屬微負壓操作，其爐膛料層風速控制的好壞直接影響鍋爐的循環和流化燃燒狀態。風速過小，流化不起來，燃燒狀態差;流速過大，煙氣熱損失大，不利于經濟燃燒。為了使爐膛煤粉在流化狀態下的燃燒達到最佳化，需實行一次鼓、引風壓差比控制，通過料層底的供風正壓與爐膛引風負壓形成料層流化狀態，與此同時，靠一次鼓風提供必要的燃燒用氧。

　　通過變頻器的精細調節與控制，可以非常平穩的調整風機風量，在運行中可以任意調整鍋爐負荷，使鍋爐運行參數得到改善，提高了鍋爐效率，從而可以避免因通過調節閥門控制使風機過多偏離高效率工作區而引起的振動，也避免了使鍋爐溫度產生波動。

　　下表數據為1#爐引風機和一次鼓風機變頻運行的工況：目前供熱面積為60～80萬㎡

　　表一 電機工頻運行情況

設備名稱	額定功率 （KW）	工頻運行電流 （A）	功率因數	工頻運行 功率（KW）	5個月耗電量（KW/h）	5個月來耗電費（元）
引風機	800	56	0.82	800	2880000	1612800
一次鼓風機	710	49	0.86	710	2556000	1431360

　　表二 電機變頻運行情況

設備名稱	變頻運行 電流（A）	運行頻率（Hz）	功率因數	變頻運行 功率（KW）	5個月耗電量（KW/h）	5個月來耗電費（元）	與工頻運行比較節電率%
引風機	14-26	14-24	0.97	235-437	846000～1573200	473760～880992	45%～71%
一次鼓風機	22-29	34-36	0.97	370-488	1332000～1756800	745920～983808	39%～54%

　　注：冬季供暖期為5個月，每月為720小時，運行時間為T=3600小時，按電價0.56元/度來計算

　　從上表中可看出，冬季供暖期為5個月，以1#爐引風機和一次鼓風機目前運行的工況，通過高壓變頻器來調節風機的風量和風壓，大約可以節約人民幣引風機為73～114萬;一次鼓風機為45～69萬，2套風機合計節約人民幣為118～183萬，節能效果十分顯著。

　　其主要應用效果如下：

　　1、變頻起動對電網沒有任何沖擊。由于有變頻調節，對于風機可以實現變頻軟起動，風機在低頻下啟動，啟動電流很小，啟動時間延長，避免了原來在較大慣性負荷情況下，數倍的額定起動電流對電網和機械設備的沖擊，有效延長了電機壽命。而且變頻還可以隨時起動或停止;

　　2、按需調節風量，避免浪費。由于變頻器通過變頻調節風機的轉速來控制風機的送風量而不再需要由風門來調節，其調節范圍可以從0%—100%;因而可以根據生產工藝要求隨意調節風量，減少了不必要的浪費;

　　3、變頻節能運行，節約了大量能源。采用變頻使用后，不再使風機一直處于滿負荷工作狀態，另外風機閥門處于全開狀態，其節能效率顯著;

　　4、降低風機工作強度，延長使用壽命。采用變頻使用后，風機的大部分工作時間都在較低的速度下運行，因而大大降低了風機工作的機械強度和電氣沖擊，將會大大延長風機的使用壽命，降低維修強度;

　　5、使用變頻后，由于啟動和停止時間都可以設定，減少了對煙道、風道和風門擋板的沖擊腐蝕，相應的延長了很多零件的使用壽命，有效的提高了相應設備的檢修周期，節約了大量維護費用。

　　6、可使電動機與風機直接相連接，減少傳動環節的費用;

　　7、電機和風機運轉速度下降，潤滑條件改善，傳動裝置的故障下降;

　　8、系統壓力降低，對管道的壓力和密封等條件緩解，延長使用壽命;

　　9、與DCS系統的可靠銜接，其完善的監控性能和高可靠性提高了工作效率，減少了檢修和維護的工作量。

　　8、結束語：

　　Power SmartTM高壓變頻系統由于其節能效果明顯，特別是在低負荷(如鍋爐在點火、壓火、停爐)時更為顯著，采用變頻調速后實現了電機軟啟動，延長了電機和風機的使用壽命，由于風門全開，極大的延長了風門的使用和檢修周期，也減少了風管道的振動和摩擦。提高了鍋爐的利用效率。通過數月的連續運行，該變頻系統工作穩定、性能可靠，在循環流化床鍋爐上的應用，發揮著不可磨滅的效能。

　　9、參考文獻：

　　1、《電廠鍋爐原理》 丁立新(主編) 中國電力出版社

　　2、《鍋爐技術問答1100題》 丁明舫 等 中國電力出版社

　　3、Power SmartTM高壓變頻系統技術、應用手冊