國產高壓變頻器在電廠輔機節能改造中的應用實踐

一、引言
　　全面建設節約型企業，大力開展節能降耗，以提升企業經濟效益為目的，積極探索節能新途徑。隨著電力電子技術的不斷發展進步，利用新技術來提高企業生產設備的管理水平和節能降耗工作是企業采取的有效措施。隨著國產高壓變頻器制造技術的不斷提高，整體造價的降低，高壓變頻器在電廠輔機中的應用已較為普遍，其安全穩定性及節能性已達到或接近國外進口品牌變頻器。
二、輔機運行工況分析
1、鍋爐引風機
　　我公司#2爐為410T/H鍋爐，采用雙引風機式，風機型號為Y4-73N0.23.5F，配置功率為800kW，額定電壓為6kV的三相交流異步電動機，風門采用檔板調節，正常運行開度為50%左右，風機實際風量約為額定風量的一部分，風機遠離額定點運行，其實際運行效率很低，由于擋板的存在，形成檔板前后風壓差，造成節流損失，同時風機檔板執行機構為大力矩電動執行機構，故障較多，風機自動率較低。
2、鍋爐給水泵
　　我公司汽水系統為公用母管式，采用4臺給水泵并聯運行，正常運行工況為3臺工作，1臺備用。其中#1、#2給水泵電機的額定功率為3200KW，額定電壓為6KV，采用液力耦合器帶動給水泵；#3、#4給水泵電機的額定功率為2800KW，額定電壓6KV，為電機直接帶動給水泵運行的定速泵。由于#3或#4給水泵運行時，出口壓力高，為防止過負荷運行，導致其它兩臺液力耦合器給水泵只能提高出口壓力，使給水母管壓力達到13.5MPa，而正常運行時的汽包壓力為9.4MPa，與正常汽包壓力之間的差別約為4.0MPa。不僅浪費了大量的電能，較高的水壓還對管道、水泵葉輪和閥門造成損害。
　　為解決以上情況，我們對電廠輔機設備鍋爐引風機、給水泵進行變頻調速技術改造，已達到節約能源、降低損耗，提高設備使用壽命，優化工藝控制的目的。現就改造過程中的一些工作情況介紹如下。
三、輔機變頻改造節能分析
1、鍋爐引風機
　　利用變頻器作為風量的調節器，最直接的效益就是節能降耗。采用變頻調速的主要特點是消除或減少檔板的節流損失，節能的效果與風機的性能、運行工況、檔板的開度等有關。下面就例舉我公司#2爐引風機改造測算情況作一介紹。
1.1改造前運行參數（#2鍋爐所帶負荷為370T/h）

1.2 改造前工頻功率計算公式：


1.3 改造后功率計算公式：

1.4 #2鍋爐引風機節能計算

　　對比#2鍋爐引風機變頻調速前后的電功率：單臺引風機減少電功率180kW，節電率為33%。以上是理想條件下的節電率，在實際運用中，為了考慮變頻器故障切換為工頻運行時，風門需保留它用。變頻調節運行時風門盡管全開，還有一定的阻礙，影響計算結果，另外，各種運行工況的不同，節電效果也不一樣，所以實際節電率要比以上估算結果有一定的出入。但從以上結果來看，節電顯著，值得改造。
2、鍋爐給水泵
　　#3、4給水泵為定速運行，采用變頻調速的主要特點是消除或減少閥門調整節流損失大、出口壓力高、管損嚴重、系統效率低，造成的能源浪費。下面就例舉我公司#4給水泵改造測算情況作一介紹。
2.1改造前運行參數（#4鍋爐給水泵）

#1、2、4給水泵節能計算（正常運行3臺泵母管運行）
2.2工頻運行功率計算

2.3變頻改造后預計運行功率計算
由于汽包壓力為9.4mPa，考慮管損及其他損耗，給水泵的出口壓力應達到12mPa，單臺給水泵的流量要達到360m3/h。
#4給水泵變頻計算：

考慮#1、2給水泵為液力耦合器拖動，其η不超過0.90，#4給水泵變頻改造后給水泵總負荷約5575KW。
2.4節電比例計算

　　對比現負荷下變頻調速前后的電功率：#4給水泵變頻改造后總給水電功率減少554kW，節電率為9.0%。從以上結果來看，節能顯著，并且能提高對工藝參數控制，值得改造。
四、高壓變頻器性能選擇
　　利用變頻調節技術無疑要在原有的回路中加裝一套變頻調速設備，也就增加了一個設備故障點,該產品性能的好壞，將直接影響著機爐的安全穩定運行，因此變頻器的性能選擇至關重要。我們在選擇時除了考慮一些常規的性能指標外，還著重注意了以下幾點:設計上是否相對有其特點，選用的元件是否穩定、成熟；產生的諧波分量是否符合有關標準；電源短時中斷恢復時對其影響程度；個別元件故障時能保持短時間的運行等功能。
　　目前，市場上高壓變頻器產品較多，變頻調節類型也有多種。一般說來，國外有的產品其元件及性能應較好，但價格較高，同時與用戶意見的交流、售后服務較為困難。
　　我們在對輔機設備調節系統改造前，收集、了解了國內一些調節裝置的資料，并進行了比較，最后選擇了廣州智光電氣股份有限公司的ZINVERT變頻調速系統。
五、輔機設備變頻器的改造控制方案簡介
　　我們此次改造應用的ZINVERT型智能高壓變頻調速系統主控制部分以新型電機控制專用雙DSP（數字信號處理器）為控制核心，輔以大規模可編程邏輯器件，實現SPWM波形控制及各種信號的檢測、分析判斷和處理。控制器和功率單元箱之間通過光纖進行信號傳輸，可有效避免電磁干擾，增強系統的可靠性。同時控制系統具有豐富的模擬、數字接口，可用于與中控DCS連接和擴展，以滿足現場運行與控制的需要。操作時可通過在控制柜上“遠程/就地”轉換開關的切換實現“就地控制”與“遠方控制”。我公司“遠方控制”與原有的DCS連接，在引風機、給水泵控制畫面中增加了變頻器畫面，與變頻器輸出接口聯接，進行數據通訊，運行人員可以通過DCS中的畫面對引風機、給水泵變頻器的工作電流、轉速以及運行、停止、故障等狀態進行實時監控。
1、 #2鍋爐IIB引風機變頻裝置與電動機連接方式

　　#2鍋爐IIB引風機電動機配套變頻型號為：ZINVERT-A6H1000/06Y，系統采用一拖一工／變頻自動旁路切換方式（見上圖）。其中QF表示6KV高壓開關（原有設備）、KM1-KM3為高壓真空接觸器、M表示電動機（原有設備）、K1-K2為高壓隔離開關；全部選用10kV開關。K1、K2與KM1、KM2聯鎖，即K1、K2斷開時，KM1、KM2無法合閘。KM3和KM2互鎖，KM3和KM1不互鎖。KM3和KM2不能同時合閘。
　　自動變頻切換工頻過程：電機變頻運行時，變頻器接收到“變頻切工頻”的信號后，自動斷KM1、KM2，然后合KM3，電機工頻運行。自動工頻切換變頻過程：電機工頻運行時，變頻器接收到“變頻切工頻”的信號后，自動斷開KM3，然后合上KM1，最后合KM2，啟動電機變頻運行。在變頻器出現嚴重故障時（除負載故障外），負載能夠自動轉入工頻電網中，切開變頻調速系統，并且負載不用停機；另外在工頻旁路運行的情況下可以通過斷開K1和K2檢修變頻器。
2、 #4給水泵變頻裝置與電動機的連接方式

　　#4給水泵電動機配套變頻型號為：ZINVERT-A7H3750/06Y，系統采用一拖一工／變頻手動旁路切換方式。它是由1個單刀單擲隔離刀閘K1和1個單刀雙擲刀閘開關K2組成（見上圖），其中QF表示6KV高壓開關（原有設備），變頻與工頻旁路間切換，可以通過K1、K2刀閘切換完成，刀閘K2采用單刀雙擲刀閘，保證避免變頻輸出與工頻輸入短接閉鎖功能。
　　6kV電源經變頻裝置輸入刀閘K1到高壓變頻裝置，變頻裝置輸出經刀閘K2送至電動機；電源還可經刀閘K2切換工頻位置至電機，直接起動電動機。一旦變頻裝置出現故障，可馬上依次斷開輸入側進線開關QF及進線刀閘K1，切換刀閘K2至工頻位置，將變頻裝置隔離，然后合輸入側進線開關QF在工頻電源下起動電機運行。刀閘K1、刀閘K2操作與進線開關位置之間具有閉鎖和防止誤操作功能。刀閘技術絕緣耐壓、動穩、熱穩、機械壽命、電氣壽命等參數滿足回路要求及相關標準。
六、輔機設備變頻器系統調試
　　變頻器安裝后，投入系統運行前還需進行必要的調試，其目的主要是檢查所選擇的變頻器其性能、功能是否達到設計要求以及滿足實際生產需要。主要內容有:
1、具備條件:
a) 相關變頻器工作的一、二次設備安裝、組態完畢；
b) 變頻器柜內變壓器耐壓試驗、直流電阻測量合格；
c) 6kV電纜、變頻器柜內開關、支持瓷瓶、避雷器等試驗合格；
d) 檢查各接線正確、緊固；
e) 變頻器參數設置正確；
f) 輔機等機務設備具備試車條件。
2、試驗項目:
a) 開關閉鎖功能試驗:主要檢查出線刀閘和旁路刀閘的機械閉鎖功能、“高壓允許合閘”閉鎖功能、防止帶負荷拉合刀閘功能。
b) 靜態調試:將變頻器控制電源送上，開關處于試驗狀態。檢查“接地控制”(控制柜控制)、“遠方控制”(DCS控制)時的開關動作狀態及變頻器面板、DCS畫面上的各種狀態顯示是否正確對應。
c) 動態調試:開關、變頻器柜將正式通電。分別檢查“工頻旁路”狀態以及“變頻控制”狀態下，在DCS上或變頻器控制柜上操作引風機、變頻器的啟、停、調是否正常，轉速、電流是否正確；在“工頻旁路”狀態時與“變頻控制”狀態時的轉向是否正確；在“變頻控制”時人為模擬故障保護動作、信號是否正確。
d) 帶負荷試驗:主要了解正常運行工況下變頻器的風量、流量、電流、轉速(頻率)；檢查變頻器額定輸出電流時的電機轉速、變頻器頻率。以便確定變頻器的“始動頻率”值以及是否投用限流功能。
e) 動力電源切換試驗:變頻器在正常運行時,電源發生短時波動或工作廠用電中斷備用電切換成功,這時變頻器應不發生跳機。
七、輔機設備變頻改造后的效果
1、#2鍋爐IIB引風機變頻改造后效益分析
改造前#2爐負荷為370T/h（表一）

由表一的統計數據可知，變頻器改造前的日平均日耗電量為25806.6KWh
改造后#2爐負荷為370T/h（表二）

由表二的統計數據可知，改造后經過計算#2鍋爐兩臺引風機每天的平均電量約為18370.67KWh
每天的節約電量為：25806.6-18370.67=7435.93KWh，實際節電率為28.8%。
2、#4給水泵變頻改造后效益分析（根據鍋爐的上水量與產汽量進行統計）
改造前, #1、#2、#4給水泵運行統計（表一）

由表一的統計數據可知，變頻器改造前的日平均日耗電量為169002KWh
改造后, #1、#2、#4給水泵運行統計（表二）

由表二的統計數據可知，變頻器改造后的日平均日耗電量為157417KWh
　　每天的節約電量為：169002-157417=11585KWh，實際節電率為6.9%。
由以上統計數據的計算分析可以看出，采用變頻調速運行后，僅僅節電每年帶來的經濟效益十分明顯，并且通過測算引風機、給水泵變頻改造投資在一年內全部收回。另外變頻改造的附加優勢：
a)電源側的功率因數可提高到0.95以上，大大的減少無功功率的吸收，進一步節約上游設備的運行費用。
b)采用變頻調節后，通過調節電機轉速實現節能；轉速降低，主設備及相應輔助設備如軸承等磨損較前減輕，維護周期、設備運行壽命延長；變頻改造后風門開度可達100％，運行中不承受壓力，可顯著減少風門的維護量。在使用變頻器過程中，只需定期對變頻器除塵，不用停機，保證了生產的連續性。從實際改造情況看，采用變頻調速后，運行與維護費用大大降低。
c) 采用高壓變頻改造后，電機實現軟啟軟停，啟動電流不超過電機額定電流的1.2倍，對電網無任何沖擊，電機使用壽命延長。在整個運行范圍內，電機可保證運行平穩，損耗減小，溫升正常，無任何附加的異常振動和噪音。
d) 智能高壓變頻調速系統適應電網電壓波動能力強，電壓工作范圍寬，電網電壓在-35%～+15%之間波動時，系統均可正常運行。
八、結束語
　　綜上所述，ZINVERT變頻器在我公司輔機設備中應用是相當成功的，不僅可以取得相當顯著的節能效果，是電廠節能降耗的一個有效的途徑，同時也改善了輔機設備的使用壽命和自動控制水平，而且也得到國家產業政策的支持，代表了今后電力行業節能技改的發展方向。