摘要：本文介紹了永煤集團(tuán)熱電廠鍋爐引風(fēng)機(jī)高壓變頻的改造情況，詳細(xì)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(xiàng)目中一臺(tái)高壓變壓器同時(shí)拖動(dòng)并列的兩臺(tái)電機(jī)的應(yīng)用提供了一定的理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。
1.變頻改造工程基本情況
永煤集團(tuán)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(gè)鍋爐。裝機(jī)容量4*25MW，擔(dān)負(fù)著發(fā)電和向永城市供熱的雙重任務(wù)。其中3#鍋爐兩臺(tái)引風(fēng)機(jī)功率均為400kW，2#鍋爐兩臺(tái)引風(fēng)機(jī)功率均為355kW。電壓等級(jí)為6kV,均為雙機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，采用入口擋板方式進(jìn)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(yùn)行效率低，而且在負(fù)荷經(jīng)常變化時(shí)調(diào)節(jié)不及時(shí)等多方面原因?qū)е吕速M(fèi)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(jìn)行變頻改造。通過對(duì)國內(nèi)外變頻廠家的比較，最終選用技術(shù)成熟先進(jìn)、性能穩(wěn)定、售后服務(wù)完善的北京動(dòng)力源公司HINV系列高壓變頻調(diào)速裝置，在2006年對(duì)4#爐送風(fēng)機(jī)（1400kW）進(jìn)行了變頻改造后，節(jié)能效果顯著并且運(yùn)行可靠性高。于2007年先后通過立項(xiàng)和考察，進(jìn)行了多次研討決定對(duì)2#、3#爐引風(fēng)機(jī)進(jìn)行了變頻一拖二并列同時(shí)運(yùn)行的立項(xiàng)改造。
2、變頻改造方案分析
系統(tǒng)當(dāng)前采用的是風(fēng)機(jī)擋板調(diào)節(jié),不論工況如何變化,電機(jī)均要運(yùn)行在較高額定轉(zhuǎn)速,通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)擋板滿足實(shí)際工況需要的風(fēng)量，這樣雖然滿足了實(shí)際工況的風(fēng)量需要，但是擋板調(diào)節(jié)時(shí)在節(jié)流裝置上產(chǎn)生了很大的節(jié)流損失，浪費(fèi)了大量的能量，同時(shí)設(shè)備的啟、停對(duì)電網(wǎng)和設(shè)備的沖擊，還會(huì)影響設(shè)備的使用壽命。
根據(jù)泵與風(fēng)機(jī)學(xué)的知識(shí)，在風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載變流量、變壓力的運(yùn)行狀況中，流量、揚(yáng)程和消耗的能量之間有下面的關(guān)系：
風(fēng)機(jī)/水泵的流量和電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比；
風(fēng)機(jī)/水泵的全壓/揚(yáng)程和電機(jī)轉(zhuǎn)速的平方成正比；
風(fēng)機(jī)/水泵消耗的軸功率跟電機(jī)轉(zhuǎn)速的立方成正比；
由電機(jī)學(xué)的原理：電機(jī)轉(zhuǎn)速公式為n＝60f/p（1—s），式中n、f、s、p分別表示電機(jī)轉(zhuǎn)速、輸入頻率、電機(jī)轉(zhuǎn)差率、電機(jī)磁極對(duì)數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)采用變頻調(diào)節(jié)時(shí)，直接通過改變頻率來改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來滿足不同工況的需求。此時(shí)電機(jī)消耗的能量將會(huì)以與電機(jī)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(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中，每個(gè)鍋爐均配備一臺(tái)送風(fēng)機(jī)和兩臺(tái)引風(fēng)機(jī)。三臺(tái)風(fēng)機(jī)同時(shí)運(yùn)行：送風(fēng)機(jī)給爐膛鼓風(fēng)保證燃燒完全，引風(fēng)機(jī)使得爐膛形成負(fù)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(shì)，決定對(duì)2#、3#爐所對(duì)應(yīng)的四臺(tái)引風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻改造，但考慮單臺(tái)引風(fēng)機(jī)功率較小，每臺(tái)引風(fēng)機(jī)配置一臺(tái)變頻裝置成本過高，改造費(fèi)用大大增加，最終經(jīng)過研討選用了動(dòng)力源HINV系列一拖二變頻調(diào)速裝置，變頻系統(tǒng)與負(fù)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(yùn)行時(shí)：斷開QS1，閉合QS2和QS3；
旁路運(yùn)行時(shí)：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(jìn)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(dòng)機(jī)；6kV電源還可以經(jīng)旁路刀閘QS1直接起動(dòng)電動(dòng)機(jī)（考慮到變頻器故障情況發(fā)生，將原高壓開關(guān)柜進(jìn)行了改造，重新選型了斷路器。由增加的過流保護(hù)、微機(jī)保護(hù)裝置對(duì)電機(jī)進(jìn)行有效的動(dòng)作保護(hù)，可在變頻器故障時(shí)直啟兩引風(fēng)機(jī)。具體增設(shè)的保護(hù)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(shí)閉合。
旁路作用：
當(dāng)變頻裝置工程檢修時(shí)，可手動(dòng)操作刀閘，形成明顯斷電點(diǎn)，能夠保證人身安全；
當(dāng)變頻裝置出現(xiàn)故障時(shí)，也可手動(dòng)操作刀閘，將變頻裝置隔離，使負(fù)載在工頻電源下正常運(yùn)行，保證生產(chǎn)的安全、持續(xù)的運(yùn)行。
電廠每個(gè)鍋爐引風(fēng)機(jī)型號(hào)、極對(duì)數(shù)均相同，且所帶負(fù)荷相差不大，這就給變頻器一同時(shí)拖動(dòng)兩臺(tái)電機(jī)提供了有利條件，但要注意選變頻器的選型。動(dòng)力源公司按照兩電機(jī)額定功率之和進(jìn)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(jī)）和1000kVA（3#爐引風(fēng)機(jī)）。而且在兩臺(tái)電機(jī)前增設(shè)了相應(yīng)完善的保護(hù)措施，具體如下。
由于負(fù)荷的經(jīng)常變化，引風(fēng)機(jī)不可能處于一個(gè)開啟一個(gè)關(guān)停的狀態(tài)，因此旁路柜的設(shè)計(jì)將輸出分為兩個(gè)端口分別接至兩電機(jī)電源進(jìn)線側(cè)。為防止其中一臺(tái)電機(jī)故障造成變頻器的損壞或過負(fù)荷運(yùn)行，分別為每個(gè)鍋爐引風(fēng)機(jī)電機(jī)增加單獨(dú)硬件的過流、過負(fù)荷保護(hù)，具體實(shí)施方案及創(chuàng)新點(diǎn)如下：
過流保護(hù)柜保護(hù)原理為：
保護(hù)柜安裝在高壓變頻器旁路柜旁，保護(hù)柜裝設(shè)四個(gè)電流互感器，四個(gè)過流繼電器、一個(gè)中間繼電器公用、兩個(gè)信號(hào)繼電器。保護(hù)方式是AC兩相加裝電流互感器，電流互感器型號(hào)是LAJ-6變比是50/5，過流繼電器型號(hào)是LL-12/5，出口中間繼電器型號(hào)是DZB-214，還配有信號(hào)繼電器DX-31B。
保護(hù)原理如下：如7#引風(fēng)機(jī)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(hù)動(dòng)作，通過中間繼電器出口到高壓Ⅳ段7#8#引風(fēng)機(jī)柜133號(hào)線跳閘，與此同時(shí)通過信號(hào)繼電器發(fā)信號(hào)。若AC兩相短路則AC兩相過流繼電器同時(shí)動(dòng)作。8#引風(fēng)機(jī)保護(hù)動(dòng)作結(jié)果同樣跳7#8#引風(fēng)機(jī)柜斷路器保護(hù)。
實(shí)施效果：
1、增設(shè)了一級(jí)保護(hù)，大大提高了變頻器保護(hù)和開關(guān)柜微機(jī)保護(hù)動(dòng)作的可靠性。
2、在電機(jī)故障時(shí)實(shí)現(xiàn)速斷與過流保護(hù)動(dòng)作功能。
在熱電廠和動(dòng)力源技術(shù)人員的積極配合下，項(xiàng)目改造順利實(shí)施，在規(guī)劃時(shí)間內(nèi)完成了設(shè)備的安裝、調(diào)試、投運(yùn)工作；通過投運(yùn)前后比較，達(dá)到逾期節(jié)能改造效果的同時(shí)，引風(fēng)機(jī)電機(jī)多級(jí)保護(hù)功能也有了可靠保證。
變頻器及保護(hù)柜現(xiàn)場(chǎng)圖示
3、變頻改造節(jié)能分
項(xiàng)目改造完成后，分別將改造前后五天時(shí)間內(nèi)連續(xù)不停機(jī)測(cè)算。具體測(cè)算條件如下：
測(cè)量條件：在測(cè)試時(shí)間內(nèi)的日發(fā)電量保證在同期連續(xù)生產(chǎn)時(shí)的最大發(fā)電量，工頻、變頻兩者測(cè)量時(shí)間內(nèi)的生產(chǎn)工況盡量保持一致。
測(cè)量時(shí)間：在保證測(cè)量條件的基礎(chǔ)下，工頻/變頻各連續(xù)測(cè)量5*24小時(shí)。
測(cè)算結(jié)果如下表所示：
在節(jié)能測(cè)算階段，從用戶實(shí)際利益出發(fā)基本以最大負(fù)荷運(yùn)行，采用兩臺(tái)風(fēng)機(jī)同時(shí)變頻運(yùn)行時(shí)節(jié)電率均在20%以上，在無需供熱或負(fù)荷較低時(shí)節(jié)電率均在30%以上。電廠年運(yùn)行時(shí)間按330天、電價(jià)按0.5元計(jì)算，2#爐和3#爐引風(fēng)機(jī)變頻改造后每年可節(jié)約電量為2550240度，合計(jì)電費(fèi)為1275120元。所有投資在一年半以下便保全部收回。
上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)也驗(yàn)證了鍋爐引風(fēng)機(jī)并列運(yùn)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(yùn)行的風(fēng)機(jī)/水泵變頻改造項(xiàng)目提供了理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。
設(shè)備自2008年11月份投運(yùn)以來一直運(yùn)行穩(wěn)定，節(jié)能效果顯著。理論和實(shí)踐證明了應(yīng)用高壓變頻調(diào)速裝置的突出優(yōu)勢(shì)：
（1）工頻運(yùn)行時(shí)由于設(shè)備設(shè)計(jì)余量而導(dǎo)致“大馬拉小車”的現(xiàn)象，因電機(jī)定速旋轉(zhuǎn)不可調(diào)節(jié)，這樣運(yùn)行自然浪費(fèi)很大。而變頻調(diào)節(jié)后徹底解決了這一問題；
（2）由負(fù)載檔板或閥門調(diào)節(jié)導(dǎo)致的大量節(jié)流損失，在變頻改造后不再存在；
（3）某些工況負(fù)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(shí)容易出現(xiàn)電機(jī)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(duì)電機(jī)無沖擊式的無級(jí)調(diào)速方式徹底解決了以上問題；
（4）異步電動(dòng)機(jī)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(fù)載以上時(shí)）；
（5）可實(shí)現(xiàn)零轉(zhuǎn)速啟動(dòng)，無啟動(dòng)沖擊電流，從而降低了啟動(dòng)負(fù)載，減輕了沖擊扭振。而且高壓變頻器本身損耗極小，整機(jī)效率在97％以上。
（6）可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工藝要求進(jìn)行不同配置，技術(shù)成熟先進(jìn)，運(yùn)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(diǎn)爐或停爐時(shí)出現(xiàn)熄火及結(jié)焦事故。
(2)延長(zhǎng)電機(jī)和風(fēng)機(jī)的使用壽命。一般風(fēng)機(jī)均為離心式風(fēng)機(jī)，啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，啟動(dòng)電流大（約6～7倍額定電流，即使有水阻柜軟啟動(dòng)裝置啟動(dòng)電流也在3倍額定電流），對(duì)電機(jī)和風(fēng)機(jī)的機(jī)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(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)（帶負(fù)荷下啟動(dòng)電流不超過額定電流）幾乎不產(chǎn)生沖擊，可大大延長(zhǎng)機(jī)械的使用壽命。
(3)減少擋板機(jī)械、風(fēng)機(jī)風(fēng)葉和電機(jī)振動(dòng)、軸承磨損，延長(zhǎng)電機(jī)風(fēng)機(jī)的大修周期，節(jié)省檢修費(fèi)用和時(shí)間。
(4)現(xiàn)場(chǎng)噪音大大降低，極大改善電廠的運(yùn)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(dòng)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(dòng)化水平。
5、結(jié)束語
永煤集團(tuán)熱電廠鍋爐引風(fēng)的變頻改造的成功實(shí)施運(yùn)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(dòng)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(yùn)行項(xiàng)目的順利實(shí)施，大大擴(kuò)展了變頻技術(shù)作為當(dāng)今節(jié)能改造的靈活性，也驗(yàn)證了國產(chǎn)高壓變頻器性能的成熟可靠性。
參考文獻(xiàn)
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