科陸CL2700高壓變頻器在發電廠送風機上的應用

　　西北某發電廠，始建于1969年。#3機組（200MW）于1983年二期擴建時投產。由于調峰任務重，常帶140-180MW負荷運行。該機組配置兩臺AL-R252離心式送風機，靠調節送風機擋板來控制鍋爐進風量，以適應機組負荷變化的需要。當機組在額定負荷下運行時，風機效率較為理想，但當機組降負荷運行時，一部分功率被消耗在擋板上，且機組負荷越低，消耗在擋板上的功率越大，從而使風機效率隨機組負荷降低而迅速下降。

　　該系統在運行過程中還存在一些其他問題：

　　（1）擋板動作遲緩，手動時運行人員操作不靈活，如操作不當還會造成送風機振動。投自動運行時，很難滿足最佳調節品質。

　　（2）送風機擋板執行機構故障較多，不能適應長期頻繁調節，使送風機調節系統一直不能正常投入自動運行。

　　（3）送風機電機在啟動時，采用直接啟動方式，啟動電流為額定電流的5-7倍，電機受到的機械，電氣沖擊較大，經常發生轉子籠條斷裂事故。

　　（4）電機容量比送風機額定出力大，多余容量不能利用，降低了效率，浪費了電能。

　　（5）擋板受沖擊，磨損較嚴重。

　　為了解決上述問題，決定對甲側送風機控制系統進行改造，利用電機變頻調速方法實現送風量調節，達到節能和實現穩定控制的目的。

2. 變頻改造方案簡介

　　#3爐甲側送風機為普通國產電機，主要參數如下：型號為YKK630-6，額定功率為1250kW，6極，額定電壓為6 kV，額定電流為145A，額定頻率為50Hz，額定轉速為985r/min，絕緣等級為F級。

　　2007年3月初完成了#3爐甲側送風機變頻改造項目，在電機與開關之間增加了一套高壓變頻裝置，并保留了原有工頻回路作為旁路。改造后系統由四大部分組成：高壓變頻器、隔離變壓器、電機和開關，電氣接線圖如圖1所示。

圖1 #3爐甲側送風機電氣接線圖

　　送風機高壓變頻調速系統采用深圳市科陸變頻器有限公司生產的CL2700型高壓變頻器，CL2700型高壓變頻器具有以下性能特點：

　　1.高效率、無污染、高功率因數

　　CL2700系列高壓變頻調速系統采用的是功率單元串聯的高-高方案，采用了多繞組高壓移相變壓器，二次側繞組中流過的電流在變壓器一次側疊加時，形成非常逼近正弦波的電流波形。經過實際測試，50Hz運行時，網側電流諧波 < 2%，電機側輸出電壓諧波 < 1.5%（即使在40Hz時，仍然 < 2%），成套裝置的效率 > 97%，功率因數 > 96%。完全滿足了IEEE 519-1992對電壓、電流諧波含量的要求。

　　另外，通過采用自主開發的專用PWM控制方法，比同類的其它方法還可進一步降低輸出電壓諧波1～2%

　　2.先進的故障單元旁路運行（專業核心技術）

　　為了提高系統的可靠性，整個變頻調速系統中考慮了一定的輸出電壓余量，并在各功率單元中增加了旁路電路。當某個功率單元出現故障時，可以自動監測故障并啟動旁路電路，使得該單元不再投入運行，同時程序會自動進行運算，調整算法，使得輸出的三相線電壓仍然完全對稱，電機的運行不受任何影響。這種控制方法處于國際先進，國內領先的水平，它將大大提高系統的可靠性和運行的穩定性。

　　3.高性能的控制技術

　　CL2700系列高壓變頻調速系統率先實現了簡易矢量控制技術，可以實現恒轉矩快速動態響應，并且具有加、減速自適應功能，即可根據運行工況參數的實際變化，自動調整加、減速時間，在不超過最大允許電流的情況下，快速達到設定轉速;同時，系統可以自動識別電機轉速，用戶可以不考慮電機目前的運行狀態，電機不需要停止運行就可直接實現電動機的啟動、加速、減速或停車操作。

　　CL2700系列高壓變頻調速系統還可以實現反饋能量自動限制功能。

　　4.高可靠性

　　控制電源可實現外部380V供電和高壓電源輔助供電雙路電源自動切換，即使兩路電源都出現故障時，控制系統仍然可以工作足夠長的時間，控制整個系統安全停機，發出報警，并記錄故障時的所有狀態參數。

　　采用高速光纖通信，可有效避免電磁干擾。

　　當單元故障數目超過設定值時，系統可自動切換到工頻運行。

　　整流變壓器有完善的溫度監控功能。

　　獨特設計的功率柜風道，主要發熱元器件都靠近或處于風道中，散熱效果好，保證了系統的過載能力。

　　抗電網電壓波動能力強，當電網電壓在-15%～+15%范圍內波動時，系統可以正常工作;對于功率單元，在電壓-25%～20%范圍內變化時，都可正常工作。

3 送風機變頻改造效益分析

　　交流電動機的調速方法，可從以下公式分析：

　　n=60f（l-S）/P

　　式中：n-電動機轉速;

　　f-電動機定子供電頻率;

　　p-電動機極對數;

　　s-電動機轉差率。

　　由上式可知，如果均勻地改變電動機定子供電頻率，可以平滑地改變電動機的同步轉速。實際上，在改變供電頻率的同時，還需要維持電機磁通恒定，即保持電動機的輸出力矩不變。因此，在電動機調速過程中，應保持定子供電電壓和頻率的比值v/f為一定值。改變頻率的調速屬于轉差率基本不變、同步轉速和電動機理想轉速同步變化條件下的調速，所以變頻調速的調速精度、功率因數和效率都較高，容易實現閉環自動控制。

　　根據風機相似定律：N/Nb=（ng/nb）3，功率與電機轉速的立方成正比，風機的風量與轉速成正比，當轉速降低時，風機所消耗的電功率按3次方比例關系下降。在機組低負荷情況下，對風量的需求相對較少，例如，要求風量在80%的情況下，采用變頻控制時，電機消耗的功率=（80%）3≈50%;而采用擋板調節風量時，電機消耗的功率約為90%，能量流失嚴重。由此可見，采用變頻調節后，入口擋板全開，幾乎消除了擋板節流阻力，節能效果明顯。

　　3.1理論計算

　　主要技術數據如下：電機功率為1250kW，電機效率為95%，cosφ=0.85，變頻系統（含隔離變壓器，PF7000變頻器）效率不低于96.5%，在滿負荷時，變頻系統功率因數≥0.96。根據西北電網火電機組的實際運行情況（調峰力度大，機組年運行小時數低），設年運行小時數為5000h，電價0.3元/度。

　　下面在風門開度分別為90%、80%、70%和60%的情況下進行效益分析。

　　（1）擋板控制風量時

　　①風門開度為90%時，根據運行經驗，電流為120A左右;

　　②風門開度為80%時，根據運行經驗，電流為113A左右;

　　③風門開度為70%時，根據運行經驗，電流為109A左右;

　　④風門開度為60%時，根據運行經驗，電流為107A左右;

　　P90=UIcosφ/η=1.732×6×120×0.85/0.95=1116kW

　　P80=UI cosφ/η=1.732×6×113×0.85/0.95=1051kW

　　P70=UI cosφ/η=1.732×6×109×0.85/0.95=1013kW

　　P60=UI cosφ/η=1.732×6×107×0.85/0.95=995kW

　　（2）變頻調速控制風量時

　　P90=Pχ×（Q%）³ηMV=1250×（0.9）³/0.965=944kW

　　P80=Pχ×（Q%）³ηMV=1250×（0.8）³/0.965=663kW

　　P70=Pχ×（Q%）³ηMV=1250×（0.7）³/0.965=443kW

　　P60=Pχ×（Q%）³ηMV=1250×（0.6）³/0.965=280kW

　　（3）每年效益

　　P90=（1116-944）×5000×0.3=25.8萬元

　　P80=（1051-663）×5000×0.3=58.2萬元

　　P70=（1013-443）×5000×0.3=85.5萬元

　　P60=（995-280）×5000×0.3=107.25萬元

　　（4）投資回收年限計算

　　投資回報年限可按以下公式計算：

　　A=P×i×（1+i）ⁿ/[（1+i） ⁿ-1]

　　式中：A為每年收益，P為總投資，n為回收年限，i為利率。

　　假設每年收益按70萬元計算，總投資按180萬元計算，利率按5.5%計算，通過計算可得n=2.84，即該項目投資回收年限為2.84年。

　　3.2 實測數據

　　3.3 改造前后送風單耗比較

　　2007年9月，#3爐送風機單耗為2.02kW·h/t汽，在甲側送風機變頻改造前的相同工況下，送風單耗為3.33kW·h/t汽，鍋爐累計蒸發量251460t汽，全月節電量為251460×（3.33-2.02）=329412.6kW·h，#209機組實際運行時間為20天，平均負荷為175.8MW，平均節電量為1.647萬度/天。#209機組按每年運行5000h（約208天）計算，每度電按0.30元計算，每年可產生經濟效益102.77萬元。

　　甲側送風機變頻改造后，乙側送風機運行時擋板一直保持全開，鍋爐進風量主要靠甲側風機變轉速調節，乙側風機的效率總是保持在較高水平，這樣，兩臺送風機的總體效率大大提高了。通過理論計算、實測數據和送風單耗三種方式進行分析，雖然結果有所差異，但從總體上可以看出該項目的節能效果非常明顯。

4. 結 論

　　該項目的最大意義是節能，采用變頻器控制進行驅動后，與原檔板調節風量的方式相比，風機效率穩定在一個較理想的范圍內，電動機的能耗大大降低，特別是機組在低負荷運行時，效果更顯著。采用變頻調速后，提高了機組自動裝置的穩定性，為優化燃燒、提高鍋爐效率提供了可靠保證。

　　高壓變頻器由于節能效果顯著，在電力系統中已廣泛應用，采用變頻調速后，還改善了電機的啟動性能，電機實現軟啟動，有效地減少了轉子籠條斷裂故障，延長電機，特別是轉子鼠籠條的壽命。這是因為電機直接啟動的電流約為額定電流的5-7倍，啟動時間約為10s，對電機的沖擊很大。另外，變頻調速時擋板全開，可減少風道振動與磨損，提高機械壽命。總之，高壓變頻裝置節能效果好、技術先進、使用成熟、性能可靠，是理想的節能改造設備。