天津華能楊柳青熱電有限責任公司 苑維軍 劉學清
東方日立（成都）電控設(shè)備有限公司 李 剛
摘要： 本文介紹了楊柳青熱電廠在鍋爐風機變頻改造中的探索和經(jīng)驗，介紹了東方日立(成都)電控設(shè)備有限公司高壓變頻裝置的技術(shù)特點。通過改造前后的對比，分析了系統(tǒng)的安全可靠性以及節(jié)能效果。
關(guān)鍵詞： 高壓變頻器 風 機 節(jié) 能
Abstract: The paper refers to the explore and experience in the reformation of high-voltage inverter for Yangliuqing Power plant Boiler fan , and introduces the technique characteristics of the High-voltage inverter made by Dong Fang Hitachi(CD) Electric Control Equipments Co.,LTD. By the contrast of different work conditions before and after the reformation, Certificate the economical result of energy and raising of safety and credibility of the system after the reformation.
Key word: High-voltage inverter Blower fan Energy saving
1 引言
天津華能楊柳青熱電有限責任公司位于天津市西郊，早期的幾臺小容量機組因為能耗高、效率低，在幾年前已經(jīng)全部停運，并先后建成4×300MW的四臺燃煤發(fā)電機組，總裝機容量達1200MW。
隨著節(jié)能降耗建設(shè)節(jié)能性社會日益深入人心，高壓大功率變頻調(diào)速技術(shù)的日益成熟，變頻調(diào)速技術(shù)在火電廠逐漸得到了廣泛應用，其中鍋爐風機上的應用比較普遍。楊柳青熱電廠之前沒有高壓變頻改造的嘗試，基本沒有這方面的經(jīng)驗。2006年楊柳青熱電廠組織專業(yè)人員對國內(nèi)外高電壓、大功率的變頻器進行了考查、論證。最后得出結(jié)論：高電壓、大功率變頻調(diào)速裝置，無論是可靠性、節(jié)能性還是調(diào)節(jié)性都優(yōu)于其它調(diào)節(jié)方式。所以公司決定對#5、#6機組共四臺引風機和四臺一次風機進行變頻改造，華能集團公司通過國際上公開招標的方式，采購了所需的8臺由東方日立（成都）電控設(shè)備有限公司生產(chǎn)的高壓變頻器。
2 變頻改造的可行性分析
楊柳青發(fā)電廠#5、#6機組為300MW燃煤發(fā)電機組,于1998年投運。鍋爐為BLK-1025液態(tài)排渣、雙燃燒室（W型火焰）、塔式直流爐。由于采用液態(tài)排渣設(shè)計，燃燒室溫度高、容積熱負荷大，造成燃燒室容積相對較小；由于是塔式爐，造成爐本體高程大，下返煙道長；由于采用二次風旋流強度可調(diào)的噴燃器，造成燃燒器的風阻大；由于以上多種原因，比一般的爐體的煙風系統(tǒng)阻力大，配置的送風機、引風機、一次風機的容量大，鍋爐風機的電耗較高。通過電機變頻調(diào)速改造，不對風機及泵的本體、風道管道部分進行更改，通過變轉(zhuǎn)速可實現(xiàn)風壓、風量、水流量的調(diào)節(jié)，機務方面不存在問題。根據(jù)現(xiàn)場條件及調(diào)研結(jié)果看，運行自動控制調(diào)整及電氣部分更改也可實現(xiàn)。以下對送風機、一次風機、引風機變頻調(diào)速前后的效果進行實際與理論分析（以#5鍋爐1列風機為例，相關(guān)參數(shù)取于風機試驗報告）：
#5爐#1送風機
機組負荷 MW 300 220 163
風機流量 m3/h 507852 384840 335268
風機全壓 Pa 4557 3626 3155
電動機輸入功率 kW 792 525.5 453.1
風機有效功率 kW 642.85599 387.6194 293.82515
變頻器及電機總效率 % 0.945 0.94 0.93
風機效率 % 0.85 0.85 0.85
變頻后電機功率 kW 800.3186928 485.1306633 371.6953194
變頻后節(jié)電功率 kW -8.31869281 40.36933667 81.40468058
#5爐#1引風機
機組負荷 MW 300 220 163
風機流量 m3/h 817793 666576 525816
風機全壓 Pa 2582 1607 998
電動機輸入功率 kW 856.7 605 534.2
風機有效功率 kW 586.5393128 297.55212 145.76788
變頻器及電機總效率 % 0.945 0.94 0.93
風機效率 % 0.85 0.85 0.85
變頻后電機功率 kW 730.2076723 372.4056571 184.3995952
變頻后節(jié)電功率 kW 126.4923277 232.5943429 349.8004048
#5爐#1一次風機
機組負荷 MW 300 220 163
風機流量 m3/h 163400 132124 123037
風機全壓 Pa 8699 8415 8419
電動機輸入功率 kW 849.7 745.1 704.2
風機有效功率 kW 394.8379444 308.83985 287.7356953
變頻器及電機總效率 % 0.945 0.94 0.93
風機效率 % 0.85 0.85 0.85
變頻后電機功率 kW 491.5505066 386.5329787 363.9920244
變頻后節(jié)電功率 kW 358.1494934 358.5670213 340.2079756
綜合分析：
送風機為動葉可調(diào)軸流風機，無擋板節(jié)流損失，變頻調(diào)速節(jié)電效果不明顯，在滿負荷時還要多浪費電8.3kW，在低負荷時只能節(jié)電81.40kW。
引風機為靜葉可調(diào)軸流風機，變頻調(diào)速節(jié)電效果明顯，在滿負荷時節(jié)電126.49kW，在低負荷時節(jié)電349.8kW。
一次風機為離心式風機，入口擋板調(diào)節(jié)，變頻調(diào)速節(jié)電效果明顯，在滿負荷時節(jié)電358.149kW，在低負荷時節(jié)電340.2kW。
由此可見，引風機和一次風機的改造潛力巨大，變頻改造后能達到節(jié)能降耗的目的。
3 變頻器基本原理
DHVECTOL-DI變頻裝置采用多電平串聯(lián)技術(shù)，6kV系統(tǒng)由移相變壓器、功率單元和控制器組成。此工程的變頻裝置設(shè)計為每8個功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相，共24個功率單元，。輸入側(cè)由移相變壓器給每個單元供電，構(gòu)成48脈沖整流方式；這種多級移相疊加的整流方式可以大大改善網(wǎng)側(cè)的電流波形，使其負載下的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近1。每個功率單元結(jié)構(gòu)以及電氣性能完全一致，為交-直-交單相逆變電路，整流側(cè)為二極管三相全橋，通過對IGBT逆變橋進行正弦PWM輸出控制。通過對每個單元的PWM波形進行重組，可得到正弦PWM波形,這種波形正弦度好，dv/dt小，電機的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機械振動，減小了軸承和葉片的機械應力。
4 可靠性設(shè)計
鍋爐風機作為鍋爐的重要輔機，為了確保汽輪發(fā)電機組穩(wěn)發(fā)滿發(fā)，鍋爐機組則要保持出力穩(wěn)定，這就要求鍋爐風機保持出力穩(wěn)定。設(shè)備改造原則上應以最可靠的系統(tǒng)、最少的投入、最短的時間、帶來最好的效益。四臺變頻裝置均配置了工頻與變頻間自動切換的功能，一次回路見圖1。
4．1工頻與變頻間的自動切換的功能
為了保障了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，變頻器在切換過程通過邏輯程序與擋板調(diào)節(jié)相互配合最大限度的減小系統(tǒng)的波動，同時另一臺變頻器采用風壓閉環(huán)調(diào)節(jié)，自動、快速的調(diào)節(jié)輸出頻率，從而實現(xiàn)了系統(tǒng)在整個切換過程中的動態(tài)平衡。
變頻器正常運行中操作變切工指令或者變頻器重故障時，變頻器將啟動變切工程序，實現(xiàn)變頻運行向工頻運行的切換。切換過程中當檢測到變頻器停止輸出后，立即將擋板調(diào)節(jié)到工頻運行時需要的擋板開度，因為變頻運行時擋板是處于全開狀態(tài)的，變頻運行在不同的頻率，就對應工頻運行下的一個擋板開度；同時，另一臺風機根據(jù)當時的壓力自動調(diào)節(jié)變頻輸出，最大限度的減小了系統(tǒng)的波動。切換中對電機的沖擊電流在電機額定電流三倍左右，與設(shè)置的切換時間相關(guān)。變切工的時序圖見圖2，圖3是一臺引風機的變切工的實測圖：
風機工頻運行中操作工切變指令時，變頻器將啟動工切變程序，實現(xiàn)工頻運行向變頻運行的切換。在切換過程前需要將變頻器的給定頻升到50HZ，就能實現(xiàn)無擾切換，切換后需要將擋板慢慢打開，同時降低給定頻率，直到擋板全部打開。在工頻切變頻的過程中，當KM1接觸器合閘的瞬間會對變頻器有一個沖擊，必須保證次沖擊電流小于變頻器的過流保護定值，變頻器初期有一個“恒頻增壓”的過程，電流有一個增加到減少的過程，變頻器的過載整定值也應當大于此電流。工切變的時序圖見圖4，圖5是一臺引風機工切變的實測圖
4．2 瞬時停電再啟動功能
當高壓6KV母線進行切換或者母線上大電機起動時會造成高壓電網(wǎng)瞬間閃動，變頻器若不具備瞬停功能，會立即停機，等待重新起動會經(jīng)過相當長的時間，會給生產(chǎn)造成重大的經(jīng)濟損失。DHVECTOL-DI變頻器具備的瞬時停電再起動功能，可以根據(jù)電源恢復時電動機自由旋轉(zhuǎn)的實際速度計算出對應的輸出頻率，以此頻率為起始頻率使電動機重新起動并加速到停電前的運行狀態(tài)，實現(xiàn)了電機的連續(xù)運行。現(xiàn)場測試瞬時停電再啟動的電流波形如圖6。
4．3 變頻器的軟勵磁技術(shù)
級聯(lián)式高壓大功率變頻器的軟勵磁技術(shù)是我公司二○○五年注冊的專利技術(shù)。軟勵磁主回路圖見圖7，變壓器在受6KV高壓電前先由一路380VAC的充電電源加到移相變壓器的三次繞阻（額定380VAC）充電，充電回路中串聯(lián)了充電電阻，充電電阻用接觸器KM20、KM21控制，從而實現(xiàn)充電電壓由小到大的控制。充電電源上并接了一個錯相保護器，可用來檢測充電電源及相序。
軟勵磁技術(shù)的實現(xiàn)大大的增強了變頻器實際能力，有效的抑制了變壓器送電時的過電壓和涌流現(xiàn)象，避免了單元在送電時的沖擊，延長了單元內(nèi)部核心器件的使用壽命。另一個方面，軟勵磁技術(shù)它能實現(xiàn)380VAC充電電源完成變頻器高壓調(diào)試的功能，簡化了變頻器的調(diào)試過程，有效的解決了調(diào)試送電難的問題；特別是變頻器使用了工頻與變頻自動互切的功能后，如果變頻器因故障切換到工頻運行，在變頻器故障排除后，由工頻運行轉(zhuǎn)為變頻運行的過程中，可以利用軟勵磁功能事先測試變頻器的恢復情況，從而降低了切換失敗的風險，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。采用軟勵磁技術(shù)后變頻器的啟動時序見圖8。
6 經(jīng)濟效益分析
6.1間接經(jīng)濟效益分析
6.1.1電機軟啟動，無沖擊電流
DHVECTOL-DI變頻器對電機進行軟啟動，根據(jù)電機的現(xiàn)場使用要求，我們可以改變電機的啟動時間和變頻點，電機啟動曲線，使得電機在帶上負載后完好地適應負載和工藝要求，可確保電機的安全運行并延長其使用壽命，節(jié)省維護費用。
6.1.2高功率因數(shù)
DHVECTOL-DI變頻器在整個調(diào)節(jié)范圍內(nèi)都可維持高功率因數(shù)，標準值達到0.95以上，負載極小時功率因數(shù)也可以達到0.9以上，電壓源型變頻調(diào)速技術(shù)相比電流源型變頻調(diào)速、串極調(diào)速等技術(shù)的功率因數(shù)都高，所以完全不需要增加功率因數(shù)補償設(shè)備。
6.1.3 輸出脈動轉(zhuǎn)矩小
DHVECTOL-DI變頻器不需要外部輸出濾器就可提供正弦輸出電壓，變頻器有較低的輸出電壓失真，幾乎不增加電動機的運轉(zhuǎn)噪音。DHVECTOL-DI變頻器大大降低了輸出的諧波電流（低于4%），避免了電動機發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動。從而減少了設(shè)備上的機械應力。
6.1.4 電機保護功能
變頻器安裝了電機保護裝置，能區(qū)分變頻器故障和電動機及電纜故障，當變頻器至電機的電纜或電動機故障后不切工頻運行，從而有效的保護了電機。
6.2 直接經(jīng)濟效益分析
由于在相同條件下風壓和流量的大小與電機電流的大小成正比所以這里只用工頻運行檔板調(diào)節(jié)時的電機電流和變頻調(diào)節(jié)時變頻器的輸入電流作一比較從而說明節(jié)電效果。（風機的功率因數(shù)為0.85 變頻器為0.96）
機組負荷
工頻擋板調(diào)節(jié)
變頻頻率調(diào)節(jié)
節(jié)電率(%)
電流(A)
功率(KW)
電流(A)
功率(KW)
引
風
機
300MW
117．0
1033
92.4
922
10.8%
260MW
94．0
830
51.5
514
38.1%
200MW
75
662
35．5
354
46.5%
一
次
風
機
300MW
115.0
1016
90.5
903
11.1%
260MW
100．5
887.7
65.4
652
26.6%
200MW
82．7
731
43.2
431
40.9%
以上只是利用電流的變化進行的比較，實際運行中不同工況的節(jié)能效果有所差異，但從結(jié)果上看節(jié)能效果非常顯著,達到了變頻改造的目的。
7 結(jié)束語
天津華能楊柳青熱電有限責任公司對5#、6#爐的鍋爐風機變頻改造雖然是初次嘗試，由于前期的數(shù)據(jù)分析充分，進行了大量的調(diào)研和論證，這次變頻改造非常成功，達到了預期的結(jié)果。隨著高壓變頻技術(shù)的發(fā)展, 以及國家產(chǎn)業(yè)政策的支持,變頻器的應用領(lǐng)域不斷的擴大,變頻技術(shù)在電力行業(yè)重要輔機設(shè)備上的推廣,收到了顯著的經(jīng)濟效益,也代表了今后更多行業(yè)節(jié)能技術(shù)的方向。
參考文獻：
1 《高壓大功率變頻器產(chǎn)品技術(shù)手冊》 東方日立(成都)電控設(shè)備有限公司
2 《鍋爐培訓教材》 天津華能楊柳青熱電有限責任公司
