摘要：本文介紹了永煤集團熱電廠鍋爐引風(fēng)機高壓變頻的改造情況，詳細分析了高壓變頻器一拖二的技改方案和節(jié)能效果，為高壓變頻器在電廠或其它行業(yè)類似的變頻改造項目中一臺高壓變壓器同時拖動并列的兩臺電機的應(yīng)用提供了一定的理論和實踐經(jīng)驗。
1.變頻改造工程基本情況
永煤集團熱電廠位于商丘永城市，廠區(qū)占地面積330余畝，現(xiàn)有四個鍋爐。裝機容量4*25MW，擔(dān)負著發(fā)電和向永城市供熱的雙重任務(wù)。其中3#鍋爐兩臺引風(fēng)機功率均為400kW，2#鍋爐兩臺引風(fēng)機功率均為355kW。電壓等級為6kV,均為雙機并聯(lián)運行，采用入口擋板方式進行風(fēng)量調(diào)節(jié)，擋板在40％－75％之間變化。
由于擋板節(jié)流損失大，運行效率低，而且在負荷經(jīng)常變化時調(diào)節(jié)不及時等多方面原因?qū)е吕速M了大量電能。為了提高廠用電率降低煤耗，永煤熱電廠于2006年開始進行變頻改造。通過對國內(nèi)外變頻廠家的比較，最終選用技術(shù)成熟先進、性能穩(wěn)定、售后服務(wù)完善的北京動力源公司HINV系列高壓變頻調(diào)速裝置，在2006年對4#爐送風(fēng)機（1400kW）進行了變頻改造后，節(jié)能效果顯著并且運行可靠性高。于2007年先后通過立項和考察，進行了多次研討決定對2#、3#爐引風(fēng)機進行了變頻一拖二并列同時運行的立項改造。
2、變頻改造方案分析
系統(tǒng)當(dāng)前采用的是風(fēng)機擋板調(diào)節(jié),不論工況如何變化,電機均要運行在較高額定轉(zhuǎn)速,通過調(diào)節(jié)風(fēng)機擋板滿足實際工況需要的風(fēng)量，這樣雖然滿足了實際工況的風(fēng)量需要，但是擋板調(diào)節(jié)時在節(jié)流裝置上產(chǎn)生了很大的節(jié)流損失，浪費了大量的能量，同時設(shè)備的啟、停對電網(wǎng)和設(shè)備的沖擊，還會影響設(shè)備的使用壽命。
根據(jù)泵與風(fēng)機學(xué)的知識，在風(fēng)機、水泵類負載變流量、變壓力的運行狀況中，流量、揚程和消耗的能量之間有下面的關(guān)系：
風(fēng)機/水泵的流量和電機轉(zhuǎn)速成正比；
風(fēng)機/水泵的全壓/揚程和電機轉(zhuǎn)速的平方成正比；
風(fēng)機/水泵消耗的軸功率跟電機轉(zhuǎn)速的立方成正比；
由電機學(xué)的原理：電機轉(zhuǎn)速公式為n＝60f/p（1—s），式中n、f、s、p分別表示電機轉(zhuǎn)速、輸入頻率、電機轉(zhuǎn)差率、電機磁極對數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)采用變頻調(diào)節(jié)時，直接通過改變頻率來改變電動機的轉(zhuǎn)速來滿足不同工況的需求。此時電機消耗的能量將會以與電機轉(zhuǎn)速立方的關(guān)系下降，因此變頻調(diào)速的節(jié)電效果非常顯著。
電廠2#、3#爐實際生產(chǎn)運行中，每個鍋爐均配備一臺送風(fēng)機和兩臺引風(fēng)機。三臺風(fēng)機同時運行：送風(fēng)機給爐膛鼓風(fēng)保證燃燒完全，引風(fēng)機使得爐膛形成負壓吸走廢氣煤灰。熱電廠相關(guān)部門根據(jù)以上變頻節(jié)能的種種優(yōu)勢，決定對2#、3#爐所對應(yīng)的四臺引風(fēng)機進行變頻改造，但考慮單臺引風(fēng)機功率較小，每臺引風(fēng)機配置一臺變頻裝置成本過高，改造費用大大增加，最終經(jīng)過研討選用了動力源HINV系列一拖二變頻調(diào)速裝置，變頻系統(tǒng)與負載的一次電氣主接線原理圖如下：
注：TF為用戶圖中等效高壓變頻系統(tǒng)。
變頻系統(tǒng)旁路方案說明：
變頻運行時：斷開QS1，閉合QS2和QS3；
旁路運行時：斷開QS2和QS3，閉合QS1；
6kV電源經(jīng)用戶輸入真空開關(guān)QF1，通過變頻裝置進線刀閘QS2到高壓變頻調(diào)速裝置，變頻裝置輸出經(jīng)出線刀閘QS3送至電動機；6kV電源還可以經(jīng)旁路刀閘QS1直接起動電動機（考慮到變頻器故障情況發(fā)生，將原高壓開關(guān)柜進行了改造，重新選型了斷路器。由增加的過流保護、微機保護裝置對電機進行有效的動作保護，可在變頻器故障時直啟兩引風(fēng)機。具體增設(shè)的保護如下所述）。變頻裝置的輸出刀閘QS3和旁路刀閘QS1互相閉鎖，即QS2和QS1不能同時閉合。
旁路作用：
當(dāng)變頻裝置工程檢修時，可手動操作刀閘，形成明顯斷電點，能夠保證人身安全；
當(dāng)變頻裝置出現(xiàn)故障時，也可手動操作刀閘，將變頻裝置隔離，使負載在工頻電源下正常運行，保證生產(chǎn)的安全、持續(xù)的運行。
電廠每個鍋爐引風(fēng)機型號、極對數(shù)均相同，且所帶負荷相差不大，這就給變頻器一同時拖動兩臺電機提供了有利條件，但要注意選變頻器的選型。動力源公司按照兩電機額定功率之和進行選配，并留有裕量，變頻裝置內(nèi)的移相變壓器容量選配為900kVA（2#爐引風(fēng)機）和1000kVA（3#爐引風(fēng)機）。而且在兩臺電機前增設(shè)了相應(yīng)完善的保護措施，具體如下。
由于負荷的經(jīng)常變化，引風(fēng)機不可能處于一個開啟一個關(guān)停的狀態(tài)，因此旁路柜的設(shè)計將輸出分為兩個端口分別接至兩電機電源進線側(cè)。為防止其中一臺電機故障造成變頻器的損壞或過負荷運行，分別為每個鍋爐引風(fēng)機電機增加單獨硬件的過流、過負荷保護，具體實施方案及創(chuàng)新點如下：
過流保護柜保護原理為：
保護柜安裝在高壓變頻器旁路柜旁，保護柜裝設(shè)四個電流互感器，四個過流繼電器、一個中間繼電器公用、兩個信號繼電器。保護方式是AC兩相加裝電流互感器，電流互感器型號是LAJ-6變比是50/5，過流繼電器型號是LL-12/5，出口中間繼電器型號是DZB-214，還配有信號繼電器DX-31B。
保護原理如下：如7#引風(fēng)機AB兩相短路，短路電流反映到A相電流互感器，A相過流繼電器保護動作，通過中間繼電器出口到高壓Ⅳ段7#8#引風(fēng)機柜133號線跳閘，與此同時通過信號繼電器發(fā)信號。若AC兩相短路則AC兩相過流繼電器同時動作。8#引風(fēng)機保護動作結(jié)果同樣跳7#8#引風(fēng)機柜斷路器保護。
實施效果：
1、增設(shè)了一級保護，大大提高了變頻器保護和開關(guān)柜微機保護動作的可靠性。
2、在電機故障時實現(xiàn)速斷與過流保護動作功能。
在熱電廠和動力源技術(shù)人員的積極配合下，項目改造順利實施，在規(guī)劃時間內(nèi)完成了設(shè)備的安裝、調(diào)試、投運工作；通過投運前后比較，達到逾期節(jié)能改造效果的同時，引風(fēng)機電機多級保護功能也有了可靠保證。
變頻器及保護柜現(xiàn)場圖示
3、變頻改造節(jié)能分
項目改造完成后，分別將改造前后五天時間內(nèi)連續(xù)不停機測算。具體測算條件如下：
測量條件：在測試時間內(nèi)的日發(fā)電量保證在同期連續(xù)生產(chǎn)時的最大發(fā)電量，工頻、變頻兩者測量時間內(nèi)的生產(chǎn)工況盡量保持一致。
測量時間：在保證測量條件的基礎(chǔ)下，工頻/變頻各連續(xù)測量5*24小時。
測算結(jié)果如下表所示：
在節(jié)能測算階段，從用戶實際利益出發(fā)基本以最大負荷運行，采用兩臺風(fēng)機同時變頻運行時節(jié)電率均在20%以上，在無需供熱或負荷較低時節(jié)電率均在30%以上。電廠年運行時間按330天、電價按0.5元計算，2#爐和3#爐引風(fēng)機變頻改造后每年可節(jié)約電量為2550240度，合計電費為1275120元。所有投資在一年半以下便保全部收回。
上述試驗數(shù)據(jù)也驗證了鍋爐引風(fēng)機并列運行的理論基礎(chǔ)，證明了高壓變頻器在配備方面具有很大的靈活性，為大功率并列運行的風(fēng)機/水泵變頻改造項目提供了理論和實踐基礎(chǔ)。
設(shè)備自2008年11月份投運以來一直運行穩(wěn)定，節(jié)能效果顯著。理論和實踐證明了應(yīng)用高壓變頻調(diào)速裝置的突出優(yōu)勢：
（1）工頻運行時由于設(shè)備設(shè)計余量而導(dǎo)致“大馬拉小車”的現(xiàn)象，因電機定速旋轉(zhuǎn)不可調(diào)節(jié)，這樣運行自然浪費很大。而變頻調(diào)節(jié)后徹底解決了這一問題；
（2）由負載檔板或閥門調(diào)節(jié)導(dǎo)致的大量節(jié)流損失，在變頻改造后不再存在；
（3）某些工況負載需頻繁調(diào)節(jié)，而檔板及液耦等方式調(diào)節(jié)線性太差跟不上工況變化速度，并且在調(diào)節(jié)時容易出現(xiàn)電機過載現(xiàn)象，故能耗很高。而變頻調(diào)節(jié)響應(yīng)極快，基本與工況變化同步，對電機無沖擊式的無級調(diào)速方式徹底解決了以上問題；
（4）異步電動機功率因數(shù)由變頻前的0.8左右提高到變頻后的0.95以上（20%負載以上時）；
（5）可實現(xiàn)零轉(zhuǎn)速啟動，無啟動沖擊電流，從而降低了啟動負載，減輕了沖擊扭振。而且高壓變頻器本身損耗極小，整機效率在97％以上。
（6）可根據(jù)現(xiàn)場工藝要求進行不同配置，技術(shù)成熟先進，運行穩(wěn)定可靠。
4、改造后其他附加收益：
(1)改善了工藝。投入變頻器后可以平滑穩(wěn)定地調(diào)整風(fēng)量，避免點爐或停爐時出現(xiàn)熄火及結(jié)焦事故。
(2)延長電機和風(fēng)機的使用壽命。一般風(fēng)機均為離心式風(fēng)機，啟動時間長，啟動電流大（約6～7倍額定電流，即使有水阻柜軟啟動裝置啟動電流也在3倍額定電流），對電機和風(fēng)機的機械沖擊力很大，嚴(yán)重影響其使用壽命。而采用變頻調(diào)速后，可以實現(xiàn)軟起動（帶負荷下啟動電流不超過額定電流）幾乎不產(chǎn)生沖擊，可大大延長機械的使用壽命。
(3)減少擋板機械、風(fēng)機風(fēng)葉和電機振動、軸承磨損，延長電機風(fēng)機的大修周期，節(jié)省檢修費用和時間。
(4)現(xiàn)場噪音大大降低，極大改善電廠的運行環(huán)境。
(5)HINV高壓變頻裝置很方便的同電廠主控室DCS聯(lián)接，避免了傳統(tǒng)電動執(zhí)行裝置易損壞及開度指示不準(zhǔn)的現(xiàn)象，提高了電廠自動化水平。
5、結(jié)束語
永煤集團熱電廠鍋爐引風(fēng)的變頻改造的成功實施運行，不僅體現(xiàn)出了變頻技術(shù)的廣泛應(yīng)用前景，更體現(xiàn)了北京動力源科技股份有限公司在高壓變頻綜合改造上的技術(shù)解決能力，高壓變頻一拖二并列運行項目的順利實施，大大擴展了變頻技術(shù)作為當(dāng)今節(jié)能改造的靈活性，也驗證了國產(chǎn)高壓變頻器性能的成熟可靠性。
參考文獻
[1]泵與風(fēng)機（第三版），郭立君，何川，北京，中國電力出版社。
[2]HINV高壓變頻裝置培訓(xùn)教材，北京，北京動力源科技股份有限公司。
[3]永煤集團熱電廠變頻改造資料，河南，河南永煤集團熱電廠
[4]電力系統(tǒng)繼電保護與自動化設(shè)備手冊中國電力出版社