產品與解決方案/PRODUCT AND SOLUTIONS
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解決方案
高壓變頻器在電廠脫硫系統增壓風機上的應用
1引言
兗礦科澳鋁業有限公司是兗礦集團與澳大利亞龍澳國際發展有限公司合營的大型煤-電-鋁聯產企業。南屯電廠為兗礦科澳鋁業有限公司下屬生產單位，電廠自備發電機組為燃燒低熱值燃料的綜合利用電廠，采用的生產工藝均為節能、降耗、低污染的清潔生產工藝。
兗礦科澳鋁業有限公司南屯電廠3×220t/h鍋爐煙氣脫硫（EPC）總承包工程采用洛陽天譽公司具有自主知識產權的TY-Ⅱ型氨-硫酸銨濕式煙氣脫硫脫氮工藝技術。該脫硫系統總處理煙氣量為780000m3/h，其中入口煙氣溫度為180℃，入口煙氣中SO2的濃度為1789mg/Nm3，出口煙氣中SO2的濃度小于等于100mg/Nm3，脫硫系統出口煙氣中含氨量小于等于10ppm，系統新建一套硫酸銨回收裝置，年可回收硫酸銨達近萬噸。
2增壓風機運行簡介
南屯電廠鍋爐配套煙氣脫硫項目工程中，電廠鍋爐進行脫硫系統（FGD）改造后，每套FGD裝置進口原煙氣側（高溫煙氣側）配置了兩臺增壓風機，一用一備，用于克服FGD擋板、吸收塔及內部部件引起的煙氣壓降，脫硫煙氣壓力控制系統根據原煙氣擋板前的壓力，通過PID控制增壓風機的葉片角度，來控制送入FGD系統的煙氣速度，保證原煙氣擋板前的壓力穩定在設定值，以適應鍋爐負荷的變化。脫硫系統增壓風機工藝流程圖如圖1所示。
增壓風機出力調整采用通過改變風機的葉片的角度來調節。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，特別是低負荷時節流損失更大，另由于節流調節，存在風機運行中振動、躁音等問題。同時異步電動機在啟動時啟動電流一般達到電機額定電流的6～8 倍，對廠用電形成沖擊，同時強大的沖擊轉矩對電機和風機的使用壽命存在很大的不利影響。
由于目前增壓風機風量調節方式不能很好的滿足鍋爐低負荷穩定性運行需要，所以電廠考慮對增壓風機進行調節性能和節能改造，來滿足機組整體調節性能需要。
在風機的各種調節方式中，變頻調節應用較為廣泛。當風機轉速發生變化時，其運行效率變化不大，其流量與轉速的一次方成正比，壓力與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的三次方成正比，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。故考慮采用變頻調速實現對增壓風機電機轉速的線性調節，平移風機運行特性曲線，避開失速區，同時能取得較好的節能效果。
針對上述情況，南屯電廠領導對脫硫設備增壓風機進行變頻改造，在節約成本的策略前提下，考慮到國產高壓變頻器設備水平已接近國際水平，能滿足現場工藝運行要求，進行性價比比較，通過公開招標，采用山東新風光電子科技發展有限公司生產的風光牌JD-BP37-900F型高壓變頻調速器對增壓風機進行改造，采用“一拖二”控制，改造取得了成功。現場#1、#2增壓風機完全相同，其中#1增壓風機參數如下表1所示。
3風光牌JD-BP37-900F 高壓變頻器技術參數
山東新風光是國家高新技術企業， JD-BP37系列高壓變頻器以高速DSP為控制核心，采用無速度矢量控制技術、功率單元串聯多電平技術，其諧波指標小于IEE519-1992的諧波國家標準，輸入功率因數高，輸出波形質量好，不必采用輸入諧波濾波器、功率因數補償裝置和輸出濾波器；不存在諧波引起的電機附加發熱和轉矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，可以使用普通的異步電機。
風光牌高壓變頻器為高--高電壓源型模式，由移相變壓器，功率單元和控制器組成。JD-BP37-900F高壓變頻器采用30脈沖整流，功率單元每相采用5個功率單元串接組成，三相共15個單元；輸出相電壓為11 電平，輸出線電壓 21 電平，功率單元旁路單元采用可控硅作為旁路器件。不降額運行，同一相允許1個被旁路掉的功率單元。控制器部分以高速微處理器實現控制以及與子微處理器間進行通信。風光高壓變頻器采用模塊化設計，互換性好、維修簡單。JD-BP37-900F高壓變頻器主要技術參數如下表2所示。
4 增壓風機變頻改造方案主回路
南屯電廠機組脫硫系統有兩臺增壓風機，一用一備，變頻器控制增壓風機采用一拖二控制，自動旁路方案。
4.1改造主回路
兩臺增壓風機分別由高壓變頻器拖動，一拖二自動旁路方案如下：
此方案系統由三大部分組成：高壓變頻器，隔離變壓器，兩個高壓開關柜。隔離變壓器保證不同系統間的相互隔離；輸出不需額外加濾波器，保證原電機不改動：同時變頻器發生故障，可進行自動切換至工頻旁路，保證電機的可靠運行。一拖二自動旁路主回路控制如圖2所示。其基本原理如下：
QS1與QS2間進行互鎖，QS3與QS4間進行互鎖，當#1電機變頻時合QS1、QS3，斷QS2、QS4、QS6；當#2電機變頻時合QS2、QS4，斷QS1、QS3、QS8。為了維修KM5、KM6方便，在KM5、KM6兩端加了兩個刀閘。
如果#1機工作在變頻狀態，#2機可以工作在工頻狀態或備用狀態；相反如果#2 工作在變頻狀態，則#1 可以工作在工頻狀態或備用狀態；如果檢修變頻器，斷開QS1-QS4，兩臺負載#1、#2都可以工頻運行。該接線方案無論#1機或#2機工作都能實現變頻－>工頻或工頻－>變頻的切換。運行中，若變頻增壓風機電機發生故障（6kV斷路器保護跳閘或變頻器故障停機），能夠在變頻器退出運行后，自動投入工頻，由現有系統的“備自投”開關選擇“自動”或“手動”。
4.2變頻器I/O接口配置
現場DCS與高壓變頻器控制輸入輸出連接如下表3所示
4.3高壓變頻器幾個控制功能
（1）變頻器瞬停保護設計
由于機組6kV廠用母線均帶有給水泵電機，大機組給水泵電機功率相當大，在給水泵聯鎖啟動時，母線電壓均跌落至80%以下，根據泵啟動后帶負荷的情況，電壓跌落持續時間可能維持10～20S，因此變頻器瞬停保護對保證風機的持續運行非常重要。風光高壓變頻器具有掉電3S不停機功能，在高壓變頻器高壓失電3S內，高壓變頻器自動減速繼續運行，3S內恢復高壓變頻器從最后運行頻率開始恢復運行，3S內高壓未恢復變頻器停機，30S（可設置）內高壓恢復變頻器自動執行飛車啟動。
（2）飛車啟動功能
對于脫硫項目除塵風道采用兩個增壓風機引風，一用一備。在停止一臺風機時，另一臺增壓風機自然旋轉，變頻器要想啟動另一臺風機，如果變頻器沒有此功能，則會出現過流保護，必須等待電機完全靜止后再啟動，而這勢必會耽誤調試或生產時間。風光牌JD-BP37系列高壓變頻器能夠識別電機的速度及轉向并在電機不停轉的情況下直接起動。為了適應國內電網波動大，在電網電壓波動不超過＋15～－35％U0情況下，變頻系統保持正常運行，在超過上述范圍時，能夠提供有效過、欠壓保護；并在電網恢復正常后，自動搜索跟蹤電動機轉速及轉向按照設定曲線恢復正常運行狀態，保證生產設備較大限度安全運行。為了滿足不同現場對飛車啟動功能的需求，系統提供完備的參數設定功能，真正適應現場運行工況要求。
（3）完整的工頻/變頻自動互切技術
現在的高壓變頻器一般設置工頻旁路切換柜，變頻器發生故障時能使高壓電機轉至工頻運行，旁路切換有手動旁路和自動旁路切換兩種型式，手動旁路需人工操作，時間較長，適應于無備用裝置或不重要的運行工況，自動旁路可在變頻器發生故障后直接自動轉換至工頻運行。本項目中公司提供自動旁路切換柜，不僅可實現變頻故障情況下自動由變頻轉換至工頻運行狀態，還可實現在變頻檢修完畢后由工頻瞬間轉換至變頻的功能，整個轉換過程不會對用戶設備的運行造成任何影響。用戶采用哪種切換方式可選擇。
（4）線電壓自動均衡技術（星點漂移技術）
變頻器某相有單元故障后，為了使線電壓平衡，傳統的處理方法是將另外兩相的電壓也降至與故障相相同的電壓，而線電壓自動均衡技術通過調整相與相之間的夾角，在相電壓輸出較大且不相等的前提下保證較大的線電壓均衡輸出。在運行中，如果有任意三個單元以內出現故障，變頻器本身會自動旁路該單元，同時變頻器主控系統具有星點漂移功能，使三相輸出線電壓保持平衡，不會對電動機造成不利影響。
5增壓風機變頻改造的節能效益
本脫硫項目增壓風機變頻改造項目于2010年6月1日正式投入運行。至今運行正常，用戶非常滿意。南屯電廠節能服務中心對增壓風機正常運行時參數實際測量如下：機組負荷100MW，增壓風機工頻運行，母線電壓6.15kV，電流91.8A，功率因數為0.8，電機實際功率782kW；增壓風機變頻運行，運行頻率為35.7Hz，靜葉檔板開度為100%，母線電壓6.15kV，輸入電流38.8A，輸出電流65.9A，功率因數為0.97，電機實際功率401kW；電機功率減小381kW。按照增壓風機年運行小時數為7000h，節省電量大約為2667000kW·h，電價按照0.30元/ kW·h計，則一臺增壓風機變頻改造的收益約為80萬元。
另外變頻器實現電機軟啟動，減小電機啟動沖擊；控制方便、靈活；降低風機維護費用，延長設備使用壽命；具有過壓、過熱、過載、短路及外圍聯鎖保護等多項保護功能，改造間接效益無法估量。
6結束語
南屯電廠脫硫項目增壓風機高壓變頻器運行4個月來，其性能穩定、節能效果明顯，可以根據鍋爐的脫硫增壓風機工況情況進行風量調節，大大提高鍋爐脫硫系統運行的穩定性，提高了機組運行的經濟性。在鍋爐風機的燃燒系統中應用高壓變頻器節能降耗，是國家大力提倡節能降耗政策不可缺少的技術手段。高壓變頻器越來越在電力、冶金、石化、水泥、礦山等高壓電機驅動的各個行業會大顯身手。
