產(chǎn)品與解決方案/PRODUCT AND SOLUTIONS
少用電 用好電 再生電 存儲電 防爆電
解決方案
高壓變頻器在300MW火力發(fā)電廠中的應用
1引言
湖北某火力發(fā)電有限公司300MW循環(huán)流化床機組分別于2009年11月投產(chǎn)發(fā)電。鍋爐采用東方鍋爐（集團）公司生產(chǎn)的循環(huán)流化床、中間再熱自然循環(huán)汽包爐，露天布置；汽輪機采用東方汽輪機公司生產(chǎn)的C300－16.67/1.0/537/537型亞臨界中間再熱、單軸、抽凝兩用汽式汽輪機；發(fā)電機采用東方電機公司生產(chǎn)的QFSN－330－2－20型水氫冷卻發(fā)電機，勵磁系統(tǒng)為自并勵靜止勵磁。
該工程于2012年6月25日開工，改造采取總包形式，含電控、機械、土建以及水冷空調(diào)施工等工作，即由賣方完成所有供貨、安裝、調(diào)試工作，完成試運行168小時無問題后交業(yè)主。改造由新風光電子公司負責施工，并于2012年10月完成#1機組的改造，項目一次投運成功，至今運行正常。
2改造現(xiàn)場風機電機、液偶參數(shù)
表1 改造現(xiàn)場風機電機、液偶參數(shù) | ||||
名稱 | 額定電流 | 額定轉(zhuǎn)速 | 功率因數(shù) | 液偶型號及參數(shù) |
引風機 | 243A | 994 | 0.87 | Y0T01150/3500kW/1000 r/min /3% |
一次風機 | 207A | 1493 | 0.87 | Y0T0875H/2900kW/1500 r/min /3% |
圖1所示為300MW火電機組引風機性能曲線示意圖，該風機為離心式，進口導葉調(diào)節(jié)風量，圖中0o 為調(diào)節(jié)門全開位置，負值為調(diào)節(jié)門向關(guān)閉方向轉(zhuǎn)動的角度；圖中虛線為等效率線。離心式風機的最高效率在進口調(diào)節(jié)門的最大開度處，等效率線和鍋爐阻力曲線接近垂直，效率沿阻力線迅速下降。
3 風機節(jié)能原理
該機組一次風機、引風機采用離心風機，但實際運行效率并不高，其主要原因之一是風機的調(diào)速性能差，二是運行點遠離風機的最高效率點?；痣姍C組的一次風機、引風機的風量裕度分別為5%和7％左右，風壓裕度分別為10%和13％左右。這是因為在設計過程中，很難準確地計算出管網(wǎng)的阻力，并考慮到長期運行過程中可能發(fā)生的各種問題，所以把系統(tǒng)的最大風量和風壓富裕量作為選擇風機型號的設計值。但風機的型號和系列是有限的，選用不到合適的風機型號，只好往大機號上靠。這樣，機組一次風機、引風機的風量和風壓富裕度是比較大的。
該機組風機的風量與風壓的富裕度以及機組的調(diào)峰運行導致風機的運行工況點與設計高效點相偏離，從而使風機的運行效率大幅度下降。可見，一次風機、引風機的用電量中，很大一部分是因風機的型號與管網(wǎng)系統(tǒng)的參數(shù)不匹配及調(diào)節(jié)方式不當而被調(diào)節(jié)門消耗掉的。因此，改進離心風機的調(diào)節(jié)方式是提高風機效率，降低風機耗電量的有效途徑。
按照流體機械的相似定律，風機、水泵的流量Q、壓頭（揚程）H、軸功率P與轉(zhuǎn)速n之間有如下比例關(guān)系：
離心式風機在變速調(diào)節(jié)的過程中，如果不考慮管道系統(tǒng)阻力R的影響，且風壓H隨流量Q成平方規(guī)律變化，則風機的效率可在一定的范圍內(nèi)保持最高效率不變（只有在負荷率低于80％時才略有下降）。圖2示出了離心式風機不同調(diào)節(jié)方式耗電特性比較，圖3示出了采用風門調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方式時，風機的效率－流量曲線。
圖2離心式風機不同調(diào)節(jié)方式耗電特性比較 圖3不同調(diào)節(jié)方式下的風機效率
由圖3可知：在風機的風量由100％下降到50％時，變速調(diào)節(jié)與風門調(diào)節(jié)方式相比，風機的效率平均高出30％以上。因而，從節(jié)能的觀點來看，變速調(diào)節(jié)方式為較佳調(diào)節(jié)方式。發(fā)電廠風機采用定速驅(qū)動時，風機靠風門調(diào)節(jié)，除產(chǎn)生大量的節(jié)流損耗外，反應速度慢，導致鍋爐的燃燒自動無法投入，因而機組的協(xié)調(diào)控制無法投入，機組無法響應負荷的動態(tài)變化。風機采用調(diào)速驅(qū)動后，機組的可控性提高了，響應速度加快，控制精度也提高了。從而使整個機組的控制性能大大改善，不但改善了機組的運行狀況，還可以大大節(jié)約燃料，進一步節(jié)約能源。同時，采用變速調(diào)節(jié)以后，可以有效地減輕葉輪和軸承的磨損，延長設備使用壽命，降低噪聲，大大改善起動性能。工藝條件的改善也能夠產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。
4風機變頻改造控制方案
本工程主要是高壓變頻器的安裝、調(diào)試與運行，通過變頻器的安裝、調(diào)試記錄，來驗證變頻器使用現(xiàn)場工況的情況。#1機組主要改造的是兩臺引風機和兩臺一次風機，為保證電廠鍋爐系統(tǒng)的安全運行，變頻器采用工變頻自動轉(zhuǎn)換機型，高壓變頻器在轉(zhuǎn)換過程中1秒內(nèi)再次啟動，沖擊電流在額定的1.2倍以下。根據(jù)用戶對機組引風機、一次風機工頻生產(chǎn)的運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，風機處于輕載狀態(tài)，即使在機組300M負荷下，引風機工頻狀態(tài)電機電流僅160A左右，遠小于額定電流243A；一次風機工頻狀態(tài)120A左右，遠小于工頻電流207A，根據(jù)運行經(jīng)驗以及降低采購成本，電廠領導決定采用新風光電子科技股份有限公司生產(chǎn)的3000kW/10kV（JD-BP38系列）高壓變頻器和2200kW/10kV（JD-BP38系列）高壓變頻器分別拖動引風機和一次風機。
高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)控制系統(tǒng)具有就地監(jiān)控和遠方監(jiān)控兩種方式現(xiàn)場可選。在就地監(jiān)控方式下，通過變頻裝置上的觸摸式鍵盤和按鈕操作、控制器的LCD/LED顯示，可進行就地人工啟動、停止變頻裝置，可以調(diào)整轉(zhuǎn)速、頻率，就地控制窗口采用中文操作界面，功能設定、參數(shù)設定等均采用中文。在遠方監(jiān)控方式下，可通過自動控制系統(tǒng)（如DCS）及手動操作器進行操作，操作簡單，并具備頻率、電機電流、電壓、頻率等參數(shù)的實時顯示及開、停等故障顯示功能。
高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)具有完善的自診斷和保護功能，具有輸入過壓、欠壓、過流保護，輸出相間短路、過流、單相接地、過載、過熱、IGBT擊穿或短路、單元故障、瞬時停電保護等保護并能聯(lián)跳輸入側(cè)進線開關(guān)，保護性能符合國家有關(guān)標準的規(guī)定。變頻裝置還能提供電動機所需的過載、過流、過壓、欠壓、熱積累、缺相等保護。變頻裝置內(nèi)任何部分發(fā)生嚴重故障時，具有及時動作的保護功能，不會對電網(wǎng)和負載設備造成沖擊和損壞。
#1爐高壓變頻器共安裝調(diào)試4臺，分別為：#1爐A引風機、#1爐B引風機、#1爐A一次風機、#1爐B一次引風機。
5 風光JD-BP38系列高壓變頻系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)
新風光電子公司生產(chǎn)的風光牌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，其諧波指標小于IEEE519-1992的諧波標準，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。
JD-BP38-3000F高壓變頻器技術(shù)參數(shù)如表2所示。
表2 JD-BP38-3000F 高壓變頻器主要技術(shù)參數(shù) | |||
變頻器容量（kW） | 3000 | 模擬量輸入 | 0～5V/4～20mA，任意設定 |
適配電機功率（kW） | 3000 | 模擬量輸出 | 兩路0～5V/4～20mA可選 |
額定輸出電流（A） | 217 | 加減速時間 | 1～32000s |
輸入頻率（Hz） | 45～55 | 開關(guān)量輸入輸出 | 可按用戶要求擴展 |
額定輸入電壓（V） | 10000V（－20%～+15%） | 運行環(huán)境溫度 | 0～40℃ |
輸入功率因數(shù) | >0.95（>20%負載） | 貯存/運輸溫度 | -40～70℃ |
變頻器效率 | 額定負載下>0.96 | 冷卻方式 | 強迫風冷 |
輸出頻率范圍（Hz） | 0～120 | 環(huán)境濕度 | <90%，無凝結(jié) |
輸出變頻分辨率（Hz） | 0.01 | 安裝海拔高度 | <1000m，高海拔降額使用 |
過載能力 | 105%連續(xù)，150%允許1min。 | 防護等級 | IP20 |
JD-BP38-2200F高壓變頻器技術(shù)參數(shù)如表3所示。
表3 JD-BP38-2200F 高壓變頻器主要技術(shù)參數(shù) | |||
變頻器容量（kW） | 2200 | 模擬量輸入 | 0～5V/4～20mA，任意設定 |
適配電機功率（kW） | 2200 | 模擬量輸出 | 兩路0～5V/4～20mA可選 |
額定輸出電流（A） | 159 | 加減速時間 | 1～32000s |
輸入頻率（Hz） | 45～55 | 開關(guān)量輸入輸出 | 可按用戶要求擴展 |
額定輸入電壓（V） | 10000V（－20%～+15%） | 運行環(huán)境溫度 | 0～40℃ |
輸入功率因數(shù) | >0.95（>20%負載） | 貯存/運輸溫度 | -40～70℃ |
變頻器效率 | 額定負載下>0.96 | 冷卻方式 | 強迫風冷 |
輸出頻率范圍（Hz） | 0～120 | 環(huán)境濕度 | <90%，無凝結(jié) |
輸出變頻分辨率（Hz） | 0.01 | 安裝海拔高度 | <1000m，高海拔降額使用 |
過載能力 | 105%連續(xù)，150%允許1min。 | 防護等級 | IP20 |
6變頻改造主回路介紹
湖北某火力發(fā)電廠1#爐引風機采用2套JD-BP38-3000F（3000kW/10kV）、一次風機采用2套JD-BP38-2200F（2200kW/10kV）高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)進行調(diào)速控制，將原液力耦合器拆除，把電機位置前移，采用聯(lián)軸器直接連接電機與風機。液力耦合器改造前后的現(xiàn)場如圖4、圖5所示。
圖4 液力耦合器改造前
圖5 液力耦合器改造后
引風機、一次風機系統(tǒng)改造主回路如圖6所示。
圖6 引風機、一次風機旁路柜原理圖
1#爐引風機、一次風機改造前采用工頻運行，對4臺風機增設變頻調(diào)速裝置，采用一拖一自動旁路的方式。將原風機風門調(diào)節(jié)的運行方式改為由變頻調(diào)節(jié)風機風量的運行方式。當變頻器故障或檢修，可選擇自動方式切換至工頻運行。當風機變頻運行時在DCS界面上調(diào)節(jié)風機頻率去調(diào)整風機轉(zhuǎn)速，從而達到調(diào)節(jié)風機風量的目的。
為了保證發(fā)電機組安全運行，風機的動力系統(tǒng)方案旁路方案采用自動控制方式。在旁路自動狀態(tài)下，若變頻器出現(xiàn)故障且自動投入允許，系統(tǒng)將首先分斷變頻器高壓輸入、輸出開關(guān)，經(jīng)過一定延時后，工頻旁路開關(guān)合閘，電機投入電網(wǎng)工頻運行。同時DCS邏輯將風量調(diào)節(jié)方式轉(zhuǎn)為工頻調(diào)節(jié)方式，此時運行人員參與調(diào)節(jié)，控制風量風壓正常，確保爐膛燃燒穩(wěn)定。
變頻器維修完成，系統(tǒng)恢復變頻器運行時，可以關(guān)閉引風機出口擋板，依靠單臺變頻風機帶鍋爐50%～70%的負荷，將風機切換至變頻運行方式，依托變頻器提供的飛車啟動功能，在風機沒有完全停止的情況下恢復設備運行，從而大大減少機組減負荷的時間。
主回路如圖6所示，控制具體介紹如下，旁路柜在變頻器進、出線端增加了兩個隔離刀閘，以便在變頻器退出而電機運行于旁路時，能安全地進行變頻器的故障處理或維護工作。
旁路柜主要配置：三個真空斷路器（QF1、QF2、QF3）和兩個刀閘隔離開關(guān)K1、K2。QF2與QF3實現(xiàn)電氣互鎖，當QF1、QF2閉合，QF3斷開時，電機變頻運行；當QF1、QF2斷開，QF3閉合時，電機工頻運行。另外，QF1閉合時，K1操作手柄被鎖死，不能操作；QF2閉合時，K2操作手柄被鎖死，不能操作?！?br/>電機工頻運行時，若需對變頻器進行故障處理或維護，切記在QF1、QF2分閘狀態(tài)下，將隔離刀閘K1和K2斷開。
合閘閉鎖：將變頻器“合閘允許”信號串聯(lián)于QF1、QF2合閘回路。在變頻器故障或不就緒時，真空斷路器QF1、QF2合閘不允許；在QF1、QF2合閘狀態(tài)下，若變頻器出現(xiàn)故障，則“合閘允許”斷開，QF1、QF2跳閘，分斷變頻器高壓輸入電源。
變頻轉(zhuǎn)工頻自動旁路投入過程：將變頻器“旁路投入”信號并聯(lián)于QF3合閘回路。變頻運行狀態(tài)下，若變頻器出現(xiàn)故障且自動投入允許，系統(tǒng)將首先分斷變頻器高壓輸入、輸出開關(guān)QF1和QF2，經(jīng)過一定延時后，“旁路投入”閉合，即工頻旁路開關(guān)QF3合閘，電機投入電網(wǎng)工頻運行，并把旁路狀態(tài)信號發(fā)送給DCS。同時DCS邏輯自動將風機轉(zhuǎn)為工頻相應風門調(diào)節(jié)方式。
如變頻器發(fā)生隱患，變頻器發(fā)送“變頻器報警”信號至DCS，此時變頻器繼續(xù)運行，檢修人員可到本地根據(jù)變頻器報警信號的信息排除隱患。
7 風機變頻改造效果
7.1節(jié)能計算
湖北某發(fā)電廠1#爐風機變頻改造工程一次成功投運，至今運行正常，改造達到了預期目的。高壓變頻器現(xiàn)場運行如圖7所示。
圖7 高壓變頻器現(xiàn)場運行
以下是1＃機組2臺引風機、2臺一次風機高壓變頻器運行后，對改造前與改造后機組各負荷生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行比較，改造前后1#鍋爐運行統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表4--表8所示。
7.1.1引風機工變頻運行數(shù)據(jù)
（1）引風機工頻運行參數(shù)（風門擋板開度100%）
表4 引風機工頻運行參數(shù) | |||||
負荷 | 風機A | 風機B | 概率 | ||
電流（A） | 轉(zhuǎn)速（r/min） | 電流（A） | 轉(zhuǎn)速（r/min） | ||
230MW | 109 | 516 | 110 | 529 | 25% |
250MW | 111 | 568 | 111 | 574 | 35% |
280MW | 139 | 642 | 143 | 672 | 30% |
300MW | 160 | 725 | 163 | 752 | 10% |
（2）引風機變頻運行參數(shù)（風門擋板開度100%）
表5 引風機變頻運行參數(shù) | |||||
負荷 | 風機A | 風機B | 概率 | ||
電流（A） | 頻率（Hz） | 電流（A） | 頻率(Hz) | ||
230MW | 62.5 | 39.26 | 57.8 | 39.88 | 35% |
250MW | 64.1 | 39.77 | 56.4 | 37.87 | 45% |
280MW | 86.1 | 42.08 | 89.2 | 43.9 | 20% |
7.1.2一次風機工變頻運行數(shù)據(jù)
（1）一次風機工頻運行參數(shù)（風門擋板開度100%）
表6 一次風機工頻運行參數(shù) | |||||
負荷 | A風機 | B風機 | 概率 | ||
電流（A） | 轉(zhuǎn)速(r/min) | 電流（A） | 轉(zhuǎn)速(r/min) | ||
230MW | 110 | 1059 | 111 | 1037 | 25% |
250MW | 111 | 1049 | 111 | 1022 | 35% |
280MW | 112 | 1052 | 113 | 1018 | 30% |
300MW | 117 | 1074 | 113 | 1013 | 10% |
（2）一次風機變頻頻運行參數(shù)（風門擋板開度100%）
表7 一次風機變頻運行參數(shù) | |||||
負荷 | 風機A | 風機B | 概率 | ||
電流（A） | 頻率（Hz） | 電流（A） | 頻率(Hz) | ||
230MW | 88.5 | 32.43 | 88.7 | 32.81 | 35% |
250MW | 98.2 | 36.4 | 96.3 | 35.44 | 45% |
280MW | 100.1 | 37.61 | 98.1 | 36.71 | 20% |
直接經(jīng)濟效益（按電價0.478元/ kW?h）
表8 節(jié)能效益計算 | ||||
序號 | 設備名稱 | 單臺設備年(8000h)節(jié)電萬kW?h | 單臺設備年節(jié)約電費（萬元） | 年節(jié)約電費（萬元）總計 |
1 | 2套引風機 3000kW | 217.2 | 103.8 | 207.6 |
2 | 2套一次風機2200kW | 187.8 | 89.8 | 179.6 |
總計 | 387.2 | |||
使用4臺高壓變頻調(diào)速引風機、一次風機，與工頻調(diào)節(jié)相比較，經(jīng)計算，引風機單臺變頻器全年可以節(jié)省2172000kW?h，一次風機單臺變頻器全年可以節(jié)省1878000kW?h，按發(fā)電價0.478元/kW?h計算，4臺變頻器全年共節(jié)約387.2萬元。
7.2其他效果
（1）風機變頻改造后，電機實現(xiàn)了軟啟動，消除了對電網(wǎng)和負載的沖擊，避免產(chǎn)生操作過電壓而損傷電機絕緣，延長了電動機和風機的使用壽命。
（2）采用變頻調(diào)節(jié)，減少了擋板節(jié)流損失，且能均勻調(diào)速，滿足生產(chǎn)需要，節(jié)約大量的電能。
（3）低負荷下轉(zhuǎn)速降低，減少了機械部分的磨損和振動，延長了風機大修周期，從而節(jié)省了大量的檢修費用。
（4）具有控制精度高、抗干擾能力強、諧波含量小的特點，且有完善的保護功能，有利于電動機和風機的安全運行。
8結(jié)束語
風光JD-BP38系列高壓變頻器在湖北某火力發(fā)電廠1#機組風機的調(diào)速改造中應用是成功的。高壓變頻器的先進性、可靠性已得到許多工業(yè)應用的證實。在各行各業(yè)，對于許多高壓大功率的風機水泵設備推廣和采用高壓變頻調(diào)速技術(shù)，不僅可以取得相當顯著的節(jié)能效果，而且也得到國家產(chǎn)業(yè)政策的支持。
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