產(chǎn)品與解決方案/PRODUCT AND SOLUTIONS
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解決方案
高壓變頻器在昆明鹽礦發(fā)電廠的應(yīng)用
1 引言
我國火電廠尤其是老廠主要用電設(shè)備存在較嚴(yán)重的能源浪費現(xiàn)象，一般老廠自用電占發(fā)電量的9%~10%，其中送風(fēng)又占自用電的10%，引風(fēng)機占15%，給水泵占20%。而新建電廠自用電占發(fā)電量的6%左右，可見節(jié)能降耗的潛力是很大的。為此各火電廠都把挖潛節(jié)能降耗的工作提到議事日程，從技術(shù)改造著手，尋求節(jié)能降耗的途徑和辦法。變頻調(diào)速技術(shù)無疑是電廠風(fēng)機水泵節(jié)能的重要途徑。
2高壓變頻節(jié)能原理
異步電動機的變頻調(diào)速是通過改變定子供電頻率f來改變同步轉(zhuǎn)速而實現(xiàn)調(diào)速的，在調(diào)速中從高速到低速都可以保持較小的轉(zhuǎn)差率，因而消耗轉(zhuǎn)差功率小，效率高，是異步電動機較為合理的調(diào)速方法。
由公式n＝60f/p（1-s）可以看出，若均勻地改變供電頻率f，即可平滑地改變電動機的同步轉(zhuǎn)速。異步電動機變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍寬、平滑性較高、機械特性較硬的優(yōu)點，目前，變頻調(diào)速已成為異步電動機較主要的調(diào)速方式，在很多領(lǐng)域都獲得了廣泛的應(yīng)用。
高壓變頻調(diào)速具有如下顯著的優(yōu)點：
（1）由負(fù)載檔板或閥門調(diào)節(jié)導(dǎo)致的大量節(jié)流損失，在變頻改造后不再有節(jié)流損失。
（2）網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)明顯提高。
（3）可實現(xiàn)零轉(zhuǎn)速啟動，避免啟動沖擊電流，減輕了沖擊扭振。
（4）高壓變頻器本身損耗極小，整機效率在97％以上。
對離心式風(fēng)機而言，流體力學(xué)有以下原理：輸出風(fēng)量Q與轉(zhuǎn)速n成正比；輸出壓力H與轉(zhuǎn)速n的平方成正比；輸出軸功率P與轉(zhuǎn)速n的立方成正比；即：
Q1/Q2＝n1/n2，H1/H2＝（n1/n2）2，P1/P2＝（n1/n2）3
當(dāng)風(fēng)機風(fēng)量需要改變時，如調(diào)節(jié)風(fēng)門的開度，則會使大量電能白白消耗在閥門及管路系統(tǒng)阻力上。如采用變頻調(diào)速調(diào)節(jié)風(fēng)量，可使軸功率隨流量的減小大幅度下降。變頻調(diào)速時，當(dāng)風(fēng)機低于額定轉(zhuǎn)速時，理論節(jié)電為：
E=〔1-（ n′/n）3〕×P×T （kW·h）
式中： n是額定轉(zhuǎn)速，n′是實際轉(zhuǎn)速，P是額定轉(zhuǎn)速時電機功率，T是工作時間。
可見，通過變頻對風(fēng)機進(jìn)行改造，不但節(jié)能，而且大大提高了設(shè)備運行性能。以上公式為變頻節(jié)能提供了充分的理論依據(jù)。
3風(fēng)光公司高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)特點
風(fēng)光牌JD-BP38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(shù)、功率單元串聯(lián)多電平技術(shù)，屬高-高電壓源型變頻器，其諧波指標(biāo)小于IEE519-1992的諧波國家標(biāo)準(zhǔn)，輸入功率因數(shù)高，輸出波形質(zhì)量好，不必采用輸入諧波濾波器、功率因數(shù)補償裝置和輸出濾波器；不存在諧波引起的電機附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)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。具體來說，風(fēng)光高壓變頻器除具有一般普通變頻器的性能外，還具有以下突出特點：
（1）采用高速DSP作為中央處理器，運算速度更快，控制更精準(zhǔn)。
（2）飛車啟動功能。能夠識別電機的速度并在電機不停轉(zhuǎn)的情況下直接起動。
（3）完整的工頻/變頻自動互切技術(shù)。現(xiàn)在的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)一般設(shè)置工頻旁路切換柜，變頻器發(fā)生故障時能使高壓電機轉(zhuǎn)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，適應(yīng)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(fā)生故障后直接自動轉(zhuǎn)換至工頻運行。新風(fēng)光公司提供的自動旁路切換柜，不僅可實現(xiàn)變頻故障情況下自動由變頻轉(zhuǎn)換至工頻運行狀態(tài)，還可實現(xiàn)在變頻檢修完畢后由工頻瞬間轉(zhuǎn)換至變頻運行的功能，整個轉(zhuǎn)換過程不會對用戶設(shè)備的運行造成任何影響。
（4）旋轉(zhuǎn)中再啟動功能。運行過程中高壓瞬時掉電3s內(nèi)恢復(fù)，高壓變頻器不停機，高壓恢復(fù)后變頻自動運行到掉電前的頻率。
（5）線電壓自動均衡技術(shù)（星點漂移技術(shù)）。變頻器某相有單元故障后，為了使線電壓平衡，傳統(tǒng)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(shù)通過調(diào)整相與相之間的夾角，在相電壓輸出最大且不相等的前提下保證最大的線電壓均衡輸出。
（6）單元直流電壓檢測：實時顯示檢測系統(tǒng)的直流電壓，從而實現(xiàn)輸出電壓的優(yōu)化控制，降低諧波含量，保證輸出電壓的精度，提升系統(tǒng)控制性能，并可使保證運行維護(hù)人員實現(xiàn)對功率單元運行狀況的全面把握。
（7）單元內(nèi)電解電容因采取了公司專利技術(shù)，可以將其使用壽命提高1倍。
（8） 散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，單元串聯(lián)多重化并聯(lián)結(jié)構(gòu)，IGBT承受的電壓較低，可以有較寬的過壓范圍（≥1.15Ue），設(shè)備可靠性更高。
（9） 具備突發(fā)相間短路保護(hù)功能。如果由于設(shè)備原因及其他原因造成輸出短路，此時如果變頻器不具備相間短路保護(hù)功能，將會導(dǎo)致重大事故。變頻器在發(fā)生類似問題時能夠立即封鎖變頻器輸出，保護(hù)設(shè)備不受損害，避免事故的發(fā)生。
（10） 限流功能：當(dāng)變頻器輸出電流超過設(shè)定值，變頻器將自動限制電流輸出，避免變頻器在加減速過程中或因負(fù)載突然變化而引起的過流保護(hù)，最大限度減少停機次數(shù)。
（11） 故障自復(fù)位功能：當(dāng)變頻器由于負(fù)載突變造成單元或是整機過電流保護(hù)時，可自動復(fù)位，繼續(xù)運行。
4 高壓變頻器在昆明鹽礦電廠的應(yīng)用
昆明鹽礦1993年6月建成投產(chǎn)，是云南省較大的鹽及鹽化工原料生產(chǎn)基地，云南省第一家無磷環(huán)保型洗滌助劑生產(chǎn)企業(yè)。昆明鹽礦自備電廠45t鍋爐配用一臺送風(fēng)機配用電機功率315kW/10kV，一臺引風(fēng)機配用電機功率400kW/10kV。該廠近年來，機組壓負(fù)荷調(diào)峰和兩班制調(diào)速運行時間占機組運行小時數(shù)的60%，引、送風(fēng)機長期處在節(jié)流運行。針對上述能源浪費的現(xiàn)象，該廠在2009年機組大修，對100MW機組的引、送風(fēng)機采用山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的高壓變頻器，進(jìn)行變頻節(jié)能改造。
4.1高壓變頻器主回路控制方案
改造前：原系統(tǒng)10kV高壓開關(guān)柜至電機，電機與風(fēng)機直接連接，通過風(fēng)門擋板的開度來調(diào)節(jié)流量。
改造后：系統(tǒng)10kV高壓開關(guān)柜至風(fēng)光高壓變頻器，風(fēng)光高壓變頻器與電機相連，通過調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，電機與風(fēng)機間不用做任何改動，且變頻調(diào)節(jié)時風(fēng)門檔板可全開。
根據(jù)現(xiàn)場要求，此次2臺變頻器采用一拖一手動旁路控制方案，其一次電路如圖1所示。
圖1旁路柜中，共有3個高壓隔離開關(guān)，為了確保不向變頻器輸出端反送電，K2與K3采用電磁互鎖操動機構(gòu)，實現(xiàn)電磁互鎖。當(dāng)K1、K3閉合，K2斷開時，電機變頻運行；當(dāng)K1、K3斷開，K2閉合時，電機工頻運行，此時變頻器從高壓中隔離出來，便于檢修、維護(hù)和調(diào)試。
旁路柜必須與上級高壓斷路器DL連鎖， DL合閘時，絕對不允許操作旁路隔離開關(guān)與變頻輸出隔離開關(guān)，以防止出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象，確保操作人員和設(shè)備的安全。
故障分閘：將變頻器“高壓分?jǐn)唷毙盘柵c旁路柜“變頻投入”信號串聯(lián)后，并聯(lián)于高壓開關(guān)分閘回路。在變頻投入狀態(tài)下，當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時，分?jǐn)嘧冾l器高壓輸入；旁路投入狀態(tài)下，變頻器故障分閘無效。
保護(hù)：保持原有對電機的保護(hù)及其整定值不變。
4.2高壓變頻器控制邏輯
利用DCS控制系統(tǒng)的預(yù)留點，設(shè)計高壓變頻改造控制、運行監(jiān)視系統(tǒng)，系統(tǒng)包括工、變頻的運行、停止命令按鈕；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)按鈕；變頻器復(fù)位按鈕、緊急停止按鈕；變頻器運行電流、電機轉(zhuǎn)速顯示；高壓柜以及變頻合閘顯示；變頻器故障報警顯示。
DCS系統(tǒng)輸出 4~20mA電流信號控制JD-BP38高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的運行頻率， 來控制電機的運行轉(zhuǎn)速。JD-BP38高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)反饋4~20mA電流信號指示JD-BP38高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的輸出頻率、輸出電流。JD-BP38高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)同時接收DCS控制系統(tǒng)的啟動、停止、急停、復(fù)位控制信號，調(diào)整運行狀態(tài)。
當(dāng)JD-BP38高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)故障時，系統(tǒng)輸出故障停機和報警信息，用于提示用戶啟動故障處理措施，同時JD-BP38高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)將信號發(fā)送給DCS，在DCS系統(tǒng)上顯示故障，以便于及時的排除故障。如果系統(tǒng)出現(xiàn)緊急情況，DCS監(jiān)視人員立即點擊變頻器緊急停止按鈕，此時變頻器立即封鎖輸出，并及時跳開高壓斷路器開關(guān)。
為保證JD-BP38高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)操作的安全性，需從改造電機的進(jìn)線開關(guān)柜把斷路器的狀態(tài)信號接入JD-BP38高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。JD-BP38高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)輸出的故障跳閘信號接入斷路器的分閘回路，連跳高壓信號接入安全回路，當(dāng)出現(xiàn)嚴(yán)重故障時及時跳開斷路器，保護(hù)JD-BP38高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)及電機。
如圖2所示，當(dāng)所有開機條件都具備后，DCS發(fā)出變頻運行命令，變頻器內(nèi)置PLC發(fā)出“合閘”信號至10kV高壓柜，高壓斷路器開關(guān)合閘，變頻器進(jìn)行軟充電，5S后充電完成，變頻器處于就緒狀態(tài)，由DCS給出4~20mA信號控制變頻器頻率來改變電機轉(zhuǎn)速。
4.3高壓變頻器運行及試驗測試
改造后，對高壓變頻器進(jìn)行模擬調(diào)試、空載調(diào)試、帶負(fù)荷調(diào)試都達(dá)到了設(shè)計要求。測試項目及結(jié)果是：
（1） 功率因數(shù)測試：引、送風(fēng)電機功率因數(shù)均在0.97~0.99。
（2） 變頻器效率測試：兩臺變頻器效率均在97%~98%。
（3） 變頻器對公用電網(wǎng)的諧波影響測試：測試10kV電網(wǎng)系統(tǒng)總畸變率1.48%~1.84%，符合國家標(biāo)準(zhǔn)小于4%的規(guī)定，測試110kV、220kV電網(wǎng)系統(tǒng)總畸變率1.02%~1.42%，符合國家標(biāo)準(zhǔn)小于2%的規(guī)定。
（4） 用變頻和工頻啟動電流比較：變頻啟動電流小，電流平滑上升，工頻啟動電流則是額定電流的6~7倍，啟動時沖擊電流大，直接威脅電機安全運行和使用壽命縮短。
（5） 變頻器頻率范圍和精度測試：變頻器頻率調(diào)節(jié)的范圍0~50Hz，調(diào)節(jié)范圍寬、調(diào)節(jié)靈活，達(dá)到設(shè)計要求的±3%。
4.4變頻改造節(jié)能情況
2009年12月23日，變頻器正式投入運行，至今運行良好。變頻器使用方便，可靠穩(wěn)定，維護(hù)量小。改造達(dá)到了預(yù)期目的。
（1）直接經(jīng)濟效益分析
引風(fēng)機、送風(fēng)機長期在低負(fù)荷運行（60～100MW）時，電機頻率一般為30~47Hz范圍，并且長時間運行在40Hz左右，昆明鹽礦發(fā)電廠節(jié)能服務(wù)中心對風(fēng)機正常運行時參數(shù)實際測量：測試結(jié)果為315kW/10kV節(jié)電率為38%，400 kW/10kV節(jié)電率為40%。
根據(jù)上面的測試結(jié)果，一臺機組按照每年運行5500小時計算，
每臺機組每年可節(jié)約電量=引送風(fēng)機容量×機組年運行小時數(shù)×變頻器平均節(jié)電率
=（315kW×38%+400kW×40%）×5500h=1538350kW?h；
增加上網(wǎng)電價收入=年節(jié)約電量×上網(wǎng)電價=1538350kW?h×0.25元/kW?h=384587.5元；
年節(jié)約標(biāo)煤量=年節(jié)約電量×供電煤耗=1538350kW?h×0.42kg/kW?h=646107kg；
年節(jié)約煤碳購置費用=年節(jié)約標(biāo)煤量×標(biāo)煤單價=646.107t×800元/t=516885.6元。
采用變頻調(diào)速的經(jīng)濟效益是可觀的。
（2） 間接經(jīng)濟效益分析
用變頻器啟動電機，對電機、電纜、開關(guān)等無沖擊電流（用工頻啟動時，啟動電流是電機額定電流的6~7倍，經(jīng)常造成電機、電纜、開關(guān)損壞，機組被迫減負(fù)荷或停機）。設(shè)備隨生產(chǎn)工藝變負(fù)荷運行，大大降低了設(shè)備負(fù)荷率，延長了風(fēng)機、電機等設(shè)備的使用壽命。減少設(shè)備維護(hù)費用和違約電量造成的經(jīng)濟損失。這部分隱形的間接效益也是可觀的，每年節(jié)約50~100萬元左右。
5 結(jié)束語
隨著廠網(wǎng)分開，競價上網(wǎng)日趨激烈，如何降低發(fā)電成本，提高發(fā)電企業(yè)競價上網(wǎng)的競爭能力，加強內(nèi)部管理，挖潛節(jié)能是電廠必須認(rèn)真研究的一件大事，采用高壓變頻器對電廠高能耗用電設(shè)備如送風(fēng)機、引風(fēng)機、給水泵、循環(huán)水泵等進(jìn)行技術(shù)改造，不僅能收到直接的降低廠用電、降低供電煤耗，增大上網(wǎng)電量帶來的直接經(jīng)濟效益，而且設(shè)備乃至機組的安全可靠性提高，減少機組故障帶來的隱形經(jīng)濟效益。高壓變頻器技術(shù)在發(fā)電廠有值得推廣應(yīng)用的廣闊空間。
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