高壓變頻器在火力發電廠300MW機組引風機上的應用

摘要：本文簡要介紹了高壓變頻器原理、現場安裝調試情況，初步分析了高壓變頻器的節能效果，對認識了解高壓變頻器運行有一定的借鑒作用。
　　關鍵詞：引風機、高壓變頻調速裝置、控制

概 述
　　國電宣威發電有限責任公司地處云南東北部，海拔1960m，現有投產裝機容量4×300MW。#7機組設計出力為：300MW，機爐配有兩臺AN31e6(u19-10)型靜葉可調軸流式引風機，額定風量：321.4m3/h、全壓為5452Pa，軸功率：2104kW；配用YKK800-8-W型電動機，額定功率2500kW、額定電壓6kV、額定電流293A、功率因素：0.86、額定轉速：746r/min,電動機無調速裝置，靠改變風機靜葉的角度來調節風量。
　　發電廠的發電負荷根據電網要求，通常在額定負荷的50%～100%之間進行調整、變化，以滿足電網運行的要求；發電機輸出功率的變化，鍋爐系統相關設備也要隨著負荷的變化作相應的調整。鍋爐的送風量、引風量相應變化，引風機出力調整采用通過改變風機葉片的角度來調節。通過改變風機靜葉的角度來調節風量盡管比一般采用控制入口擋板開度來實現風量的調節有一定的節能效果，但是節流損失仍然很大，特別是在低負荷運行時，電動機輸出功率大量的能源消耗在擋板上，節流損失更大。其次靜葉調節動作遲緩，造成機組負荷調整響應遲滯。異步電動機在啟動時啟動電流一般達到電動機額定電流的5-8倍，對電動機、動力電纜造成較大沖擊，對廠用電系統穩定運行也有一定的影響，同時強大的沖擊轉矩和沖擊電流，縮短了電動機和風機機械的使用壽命。通過大量應用表明，應用高壓變頻調速裝置來改變電機轉速，滿足不同負載的工藝要求，是解決以上矛盾的有效手段。
高壓變頻器調速節能原理
2.1 高壓變頻調速的方法
　　高壓變頻調速是通過改變輸入到交流電機的電源頻率，從而達到調節交流電動機轉速的目的。根據電機學原理，交流異步電動機轉速由下式確定:
　　n=60f(1-S)/p (1)
　　式中:n—電動機轉速；
　　f—輸入電源頻率；
　　S—電動機轉差率；
　　p—電機極對數。
　　由公式(1)可知，電動機的輸出轉速與輸入的電源頻率、轉差率、電機的極對數有關。交流電動機的直接調速方式主要有：
　　1) 變極調速(調整p)
　　2) 轉子串電阻調速或串級調速或內反饋電機(調整S)
　　3) 變頻調速(調整f)
　　其中高壓變頻調速的優點最多，得到了廣泛的應用。
　　根據流體力學的基本定律可知：風機(或水泵)類設備均屬平方轉矩負載，其轉速n與流量Q、壓力(揚程)H以及軸功率P具有如下關系:
　　Q1/ Q2＝n1/n2 (1)
　　H1/ H2＝(n1/n2)2 (2)
　　P1/ P2＝(n1/n2)3 (3)
　　式中：Q1、H1、P1—風機(或水泵)在n1轉速時的流量、壓力(或揚程)、軸功率；
　　Q2、H2、P2—風機(或水泵)在n2轉速時的相似工況條件下的流量、壓力(或揚程)、軸功率。
　　由公式(1)、(2)、(3)可知，風機(或水泵)的流量與其轉速成正比，壓力(或揚程)與其轉速的平方成正比，軸功率與其轉速的立方成正比。當風機轉速降低后，其軸功率隨轉速的三次方降低，驅動風機的電機所需的電功率亦可相應降低。
　　從上述分析可見，調速是風機節能的重要途徑。采用高壓變頻調速可以實現對引風機電機轉速的線性調節，通過改變電動機轉速使爐膛負壓、鍋爐氧量等指標與引風機風量維持一定的關系。
高壓變頻調速系統應用情況
3.1 高壓變頻器的組成
　　我公司采用北京利德華福電氣技術有限公司生產的HARSVERT-A系列電壓源型全數字控制高壓變頻器，高-高方式、采用H橋串聯方案。額定容量:1600KVA、額定電壓:6kV、額定電流:160A。高壓變頻器裝置由變壓器柜、功率柜、控制柜、刀閘切換柜四個部分組成，冷卻方式采用：空水冷卻系統。為單元串聯多電平結構，其原理如圖1所示。

圖1：單元串聯多電平高壓變頻器原理框圖

高壓變頻器與現場接口方案
　　 北京利德華福電氣技術有限公司的高壓變頻器的控制部分由高速單片機、人機界面和PLC共同構成。單片機實現PWM控制和功率單元的保護。人機界面提供友好的全中文監控界面，同時可以實現遠程監控和網絡化控制。內置PLC用于柜體內開關信號的邏輯處理，可以和用戶現場靈活接口，滿足用戶的特殊需要。該高壓變頻器使用西門子S7-200系列PLC，具有較好的與DCS系統接口能力，根據風機的特性運行要求以及高壓變頻器控制的具體要求采取了相應控制方案。
　　 1）DCS系統與高壓變頻器的接口方案
　　 DCS系統與高壓變頻器之間的信號總共有10個，其中開關量信號8個，模擬量信號有2個。（以＃1引風機為例）

序號	DCS系統編號	性質	電氣側名稱	備注
1	IDAF-R	DI	變頻器運行	畫面指示
2	IDAF-W	DI	變頻器待機	畫面指示
3	IDAF-L	DI	變頻器輕故障	畫面指示
4	IDAF-B	DI	變頻器重故障	畫面指示
5	IDAF-BYS	DI	變頻器工頻控制	畫面指示
6	IDAF-PMT	DI	合閘允許	控制變頻器的允許信號
7	IDAF-1	DO	變頻器啟動	DCS系統提供干接點
8	IDAF-2	DO	變頻器減速停機	DCS系統提供干接點
9	IDAF-4	AO	變頻器控制頻率指令	DCS系統提供24V電源
10	IDAF-5	AI	變頻器頻率信號反饋	變頻器提供24V電源

.高壓變頻器運行方式及控制邏輯
　　引風機高壓變頻器電氣一次系統接線方式采用“一拖一”手動切換方式（虛線部分為新增加部分），如圖2：

圖2：引風機變頻器一次接線圖

　　高壓變頻器可根據運行方式需要，進行運行方式的切換，如：一臺變頻一臺工頻的運行方式和兩臺工頻的運行方式。缺點是在進行高壓變頻器運行方式切換時，需要將機組負荷進行調整，降低負荷后，停止＃1（或＃2）引風機運行，方可進行引風機運行方式的切換操作。正常情況下，2臺引風機投入高壓變頻調速運行方式。
　　高壓變頻器運行方式控制分為就地控制及遠程控制兩種。遠程控制狀態時，DCS輸出的轉速命令信號跟蹤高壓變頻器轉速反饋。就地控制時，對高壓變頻器遠方操作無效。
　　 高壓變頻器受DCS控制時分自動和手動兩種方式。手動狀態時，運行人員通過改變DCS操作畫面轉速控制塊控制高壓變頻器轉速，實現鍋爐負壓的調節。
1）引風機高壓變頻器啟動的允許條件
　　高壓變頻器啟動的前提為引風機電機6kV高壓開關必須合閘即啟動反饋為1。原有的風機啟動條件保留下來作為引風機高壓變頻器啟動的允許條件。高壓變頻器就地送來的就緒信號作為另一啟動條件。
　　在高壓變頻器調試過程中（不論遠程還是就地啟動時），發現由于高壓變頻器最低頻率設定不得低于15Hz，否則將造成高壓變頻器功率模塊“過流”，高壓變頻器跳閘；所以在電動機啟動時，高壓變頻器最低頻率設定不得低于15Hz的限制。
總結＃1、2引風機高壓變頻器啟動必須具備以下3個條件：
　　1) ＃1、2引風機的6kV高壓側部分的啟動反饋為1；
　　2) ＃1、2引風機的高壓變頻器就地從其PLC送來的啟動就緒開關為1；
　　3) ＃1、2引風機高壓變頻器的轉速設定值的輸出不得小于30%。
引風機高壓變頻涉及相關跳閘保護方面
　　單側風機的高壓變頻器跳閘后，需要聯跳相應一側的送風機。并聯關相應擋板及靜葉的邏輯不變。
　　＃1、2風機的高壓變頻跳閘后由于相應的高壓開關聯跳，故保留原鍋爐大連鎖跳閘回路不變。
　　鍋爐的安全運行是全廠動力的根本保證，雖然高壓變頻調速裝置可靠，但一旦出現問題，必須確保鍋爐安全運行，所以必須實現“工頻—變頻”運行的切換。一旦一臺引風變頻故障，無法在短時間內恢復，需要引風自動控制到原先的靜葉來調整，在此背景和需要下，對一臺引風變頻停掉，用另一臺引風變頻運行；此時機爐負荷應保持在：180MW左右。
經濟綜合測試評價
4.1節能效益明顯
　　以下是＃7機組＃1、2引風機高壓變頻器運行后，對10月16日至20日生產數據進行初步比較。

時間 （2005年10月）	機爐 負荷 （平均MW）	變頻運行		工頻運行		變頻器投入前、后比較（％）
		＃1引風機	＃2引風機	＃1引風機	＃2引風機
		耗電量（kW·h）	耗電量（kW·h）	耗電量（kW·h）	耗電量（kW·h）
20	20.35	10332	11340	19908	19656	45.2
21	20.32	10836	11592	19908	19656	43.3
22	22.02	13104	13608	22428	21924	39.7
23	20.32	10080	10584	19908	19656	47.7
年平均						43.9

　　通過上表數據對比，從節電率分析，＃7機組在發電負荷相同情況時，＃7機組兩臺引風機工頻運行每天平均耗電量40761 kW?h，＃7機組兩臺引風機變頻運行每天平均耗電量 22869kW?h，節約電量17892kW?h，節電率為43.8%。
4.2 節能計算
　　兩臺引風機節電費用，按全年運行7200小時的日負荷分布統計，使用兩臺高壓變頻調速引風機，與以往的靜葉調節相比較，經計算，全年可以節省5367600kW?h。按發電成本電價0.2553元/kW?h計算，5367600kW?h×0.2553元/kW?h=1370348.28元。
存在的問題
　　＃7、8爐引風機高壓變頻器投入運行，從現場情況分析，由于高壓變頻器與電動機之間的配置存在一些問題（高壓變頻器按照電機運行電流選型，造成高壓變頻器容量不足，導致高壓變頻器最高頻率限制為42Hz），影響電機的出力，在機爐額定負荷下調節裕量不足。目前，引風機變頻狀態運行，機爐負荷只能運行在250MW左右。機爐滿負荷運行在300MW時，高壓變頻器節能效果并不明顯。
結束語
　　 隨著廠網分開，競價上網日趨激烈，各發電企業競爭日趨白日化，努力提高發電設備的健康水平，滿足系統要求；加強管理，進一步挖潛節能潛力，建立節能型企業，提高發電企業競價上網的競爭能力，是發電廠發展的方向；采用高壓變頻技術對高能耗用電設備進行技術改造，不僅能直接收到降低廠用電、降低供電煤耗、增加上網電量帶來的直接經濟效益，而且對設備的安全、可靠運行，減少設備故障等都起到了積極的作用。