300MW機(jī)組風(fēng)機(jī)變頻調(diào)節(jié)的應(yīng)用及改造后的節(jié)能分析

摘 要：文章敘述了龍巖發(fā)電有限責(zé)任公司300 MW機(jī)組各風(fēng)機(jī)改變頻調(diào)速后的應(yīng)用情況，介紹了風(fēng)機(jī)改造后的運(yùn)行方式和節(jié)能效果。

關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速；風(fēng)機(jī)；300 MW機(jī)組；節(jié)能減排；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TM921.51 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2012）35-0121-02

根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行的有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)程規(guī)定，我廠二期#5、6機(jī)組采用東鍋生產(chǎn)的DG1025-17.4-Ⅱ18型鍋爐是亞臨界參數(shù)國(guó)產(chǎn)化循環(huán)流化床汽包爐，自然循環(huán)，單爐膛，一次中間再熱，汽冷式旋風(fēng)分離器，平衡通風(fēng)，露天布置，燃煤，固態(tài)排渣。鍋爐風(fēng)量主要是由兩臺(tái)一次風(fēng)機(jī)和兩臺(tái)二次風(fēng)機(jī)供給。一次風(fēng)機(jī)系統(tǒng)主要用于流化床料，并為燃料提供初始燃燒空氣。二次風(fēng)機(jī)主要是為分段燃燒、控制爐溫、抑制NOx的產(chǎn)生提供空氣。兩臺(tái)引風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)爐膛壓力，以維持爐膛處于微負(fù)壓狀態(tài)。原來一、二次風(fēng)機(jī)采用液偶調(diào)節(jié)，引風(fēng)機(jī)采用入口門調(diào)節(jié)。

1 變頻原理

1.1 變頻節(jié)能原理

由流體力學(xué)可知，P（功率）=Q（流量）×H（壓力），流量Q與轉(zhuǎn)速N的一次方成正比，壓力H與轉(zhuǎn)速N的平方成正比，功率P與轉(zhuǎn)速N的立方成正比。如果水泵的效率一定，當(dāng)要求調(diào)節(jié)流量下降時(shí)，轉(zhuǎn)速N成比例下降，而此時(shí)軸輸出功率P成立方關(guān)系下降。

風(fēng)機(jī)、水泵等設(shè)備傳統(tǒng)的調(diào)速方法是通過調(diào)節(jié)入口或出口的擋板、閥門開度來調(diào)節(jié)給風(fēng)量和給水量，其輸出功率大量的能源消耗在擋板、閥門地截流過程中。

采用變頻，調(diào)節(jié)了變頻器輸出給電機(jī)的頻率降低電機(jī)轉(zhuǎn)速來控制風(fēng)量，即使將變頻器使用的損耗包括在內(nèi)也同樣省電。風(fēng)量、流量與轉(zhuǎn)速是成正比的關(guān)系，動(dòng)力和轉(zhuǎn)速成3次方正比。節(jié)能主要的體現(xiàn)就是風(fēng)機(jī)和水泵配套的電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率的減少。

高壓變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一種頻率電源控制裝置。具有調(diào)速平滑、節(jié)能、適應(yīng)面寬、運(yùn)行方式靈活等優(yōu)點(diǎn)。我廠凝結(jié)水泵、一次風(fēng)機(jī)、二次風(fēng)機(jī)及引風(fēng)機(jī)變頻器均由北京利德華福電氣技術(shù)有限公司生產(chǎn)。

1.2 變頻器結(jié)構(gòu)

我司現(xiàn)有變頻器均為高—高電壓源型變頻系統(tǒng)，通過交—直—交變換實(shí)現(xiàn)變頻輸出。變頻器分為主電路和控制電路兩部分。對(duì)電動(dòng)機(jī)提供調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部分，稱為變頻器的主電路。主電路包括手動(dòng)/自動(dòng)旁路柜、移相變壓器、功率單元。向主電路提供保護(hù)、控制及信號(hào)的電路稱為控制電路，包括主控箱、工控機(jī)及PLC系統(tǒng)。

自動(dòng)/手動(dòng)旁路柜的作用是變頻器故障或維修時(shí)電動(dòng)機(jī)自動(dòng)或手動(dòng)切換到工頻運(yùn)行，減少變頻器退出運(yùn)行對(duì)機(jī)組負(fù)荷的影響。

移相整流變壓器將6 kV電源變換為多組低壓電源，各副邊繞組在繞制時(shí)采用三角接法，相互之間有固定的相位差，形成多脈沖整流方式，使得變壓器副邊各繞組（即功率單元輸入）的諧波電流相互抵消，不反映到高壓側(cè)，改善電源側(cè)電流波形，消除變頻器對(duì)電源的諧波污染。變壓器的每個(gè)副邊低壓繞組相互獨(dú)立，并單獨(dú)為一個(gè)功率單元供電，每個(gè)功率單元的主回路相對(duì)獨(dú)立，并工作在低壓狀態(tài)。一期移相變輸出21組副邊，共計(jì)7組21個(gè)功率模塊；二期移相變輸出15個(gè)副邊，共計(jì)5組15個(gè)功率模塊。

每個(gè)模塊為基本的低壓交-直-交單相逆變電路，由三相整流，慮波、IGBT逆變橋及旁路回路構(gòu)成。整流橋?yàn)槎O管三相全橋。IGBT逆變橋進(jìn)行輸出波形控制。旁路回路是當(dāng)任一單元內(nèi)模塊故障，50 ms內(nèi)將本模塊自動(dòng)旁路，不影響其它單元工作，但變頻器將降額持續(xù)運(yùn)行。

每相由5個(gè)/7個(gè)功率模塊輸出端按星型接法串聯(lián)組成功率單元，通過對(duì)每個(gè)單元的輸出PWM波形進(jìn)行疊加重組，得到右圖階梯PWM波形。波形正弦度好，dv/dt小，無須輸出濾波器，可直接用于原有電機(jī)及電纜設(shè)備。

由于輸出模塊旁路后輸出波形將產(chǎn)生畸變，引起機(jī)械振動(dòng)，因此，只允許一個(gè)旁路，當(dāng)?shù)诙K故障旁路后變頻器將自動(dòng)停機(jī)。旁路一個(gè)功率模塊，將自動(dòng)退出一組功率模塊，變頻器輸出電壓將降低1/7，即電壓為85.7%（一期）。

移相變壓器、功率單元均采用風(fēng)冷方式散熱，冷卻風(fēng)扇按照100%散熱容量一運(yùn)一備配置，當(dāng)運(yùn)行風(fēng)扇故障后自動(dòng)切換到備用風(fēng)扇。變頻器柜設(shè)計(jì)有進(jìn)出風(fēng)口，散熱風(fēng)扇的出風(fēng)經(jīng)風(fēng)道引至房間外經(jīng)水冷器返回變頻小室。變頻器風(fēng)口采用無紡濾布進(jìn)行隔離灰塵。為提高冷卻效率，冷卻系統(tǒng)還配置增壓風(fēng)機(jī)及專門冷卻空氣的冷卻器，冷卻水取爐側(cè)工業(yè)水。

1.3 變頻控制原理

交—直—交變頻控制技術(shù)的發(fā)展過程，經(jīng)歷了VVVF、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制方式。我司現(xiàn)有變頻器風(fēng)機(jī)為矢量控制方式，凝泵為VVVF控制方式。

VVVF變頻器的控制相對(duì)簡(jiǎn)單，機(jī)械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動(dòng)的平滑調(diào)速要求，得到廣泛應(yīng)用。但是，低頻時(shí)由于輸出電壓較小，造成輸出最大轉(zhuǎn)矩減小。動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩能力和靜態(tài)調(diào)速性能都還不盡如人意，研究出矢量控制變頻調(diào)速。

矢量控制變頻調(diào)速：控制原理是將交流電機(jī)模擬成直流電機(jī)進(jìn)行控制，以轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向采用矢量變換的方法實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和磁鏈控制的完全解耦。將異步電動(dòng)機(jī)在三相坐標(biāo)系下的定子交流電流Ia、Ib、Ic、通過三相—二相變換，等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流Ia1Ib1，再通過按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流I m1、I t1（I m1相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流；I t1相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流），然后模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制方法，求得直流電動(dòng)機(jī)的控制量，經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的控制。

矢量控制技術(shù)調(diào)速精度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，在高速和低速都有比較好的控制性能。矢量控制技術(shù)對(duì)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)觀測(cè)的準(zhǔn)確性受電機(jī)參數(shù)影響較大，需要準(zhǔn)確的電機(jī)參數(shù)，參數(shù)不能隨意更改。

直接轉(zhuǎn)矩控制：直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。不需要將交流電動(dòng)機(jī)化成等效直流電動(dòng)機(jī)，因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復(fù)雜計(jì)算。

2 變頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

自動(dòng)/手動(dòng)一拖一方式：每臺(tái)電機(jī)配備一套變頻調(diào)整系統(tǒng)。

QF為6kV電源側(cè)開關(guān)，U為變頻調(diào)速裝置，QS1-QS2和KM1-KM3為隔離開關(guān)和真空接觸器，M為電機(jī)。除變頻器外，配套有散熱風(fēng)道及空水冷卻器。

KM1、KM2不能和KM3同時(shí)閉合，在電氣上實(shí)現(xiàn)互鎖，保證系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。

運(yùn)行方式為：變頻運(yùn)行時(shí)，KM1和KM2閉合，KM3斷開，由變頻器帶電機(jī)運(yùn)行；工頻運(yùn)行時(shí)，KM3閉合，KM1和KM2斷開，直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

當(dāng)變頻運(yùn)行出現(xiàn)嚴(yán)重故障時(shí)，自動(dòng)切開KM1、KM2，停用變頻器，同時(shí)合上KM3，自動(dòng)切工頻運(yùn)行，并且負(fù)載不用停機(jī)；在工頻運(yùn)行情況下，可經(jīng)操作自動(dòng)切變頻方式運(yùn)行；在旁路運(yùn)行方式下，可斷開QS1和QS2檢修變頻器，保證安全。

3 風(fēng)機(jī)變頻系統(tǒng)改造后效益分析

為了確定風(fēng)機(jī)改造為變頻調(diào)節(jié)后的經(jīng)濟(jì)性，分別在300 MW、270 MW、240 MW、180 MW、150 MW等負(fù)荷下對(duì)風(fēng)機(jī)性能進(jìn)行試驗(yàn)，表1為#5機(jī)組風(fēng)機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

從以上數(shù)據(jù)可以看出風(fēng)機(jī)采用高壓變頻調(diào)節(jié)后可以大大降低風(fēng)機(jī)的功耗，特別是低負(fù)荷時(shí)（二次風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)特別明顯）。風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)節(jié)后，按2012年福建發(fā)電平均利用3 239 h計(jì)算，180 MW負(fù)荷時(shí)，風(fēng)機(jī)可節(jié)平均每小時(shí)可節(jié)省6 884 KWh，年即可節(jié)省22 297 276 kWh，上網(wǎng)電價(jià)按0.36元計(jì)算，每年可約為民幣為802.7萬元?？傊?，風(fēng)機(jī)采用高壓變頻調(diào)節(jié)后平均可節(jié)電率0.597%。

4 結(jié) 語

當(dāng)前發(fā)電企業(yè)成為獨(dú)立市場(chǎng)經(jīng)營(yíng)者，主觀上企業(yè)要不斷追求經(jīng)濟(jì)效益最大化，客觀上我國(guó)電網(wǎng)的迅速發(fā)展又要求企業(yè)必須不斷降低發(fā)電成本，以適應(yīng)電價(jià)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制的需要，此次變頻改造后的顯著效果和良好控制品質(zhì)充分說明，在發(fā)電企業(yè)主輔機(jī)設(shè)備中，采用變頻技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，推廣變頻技術(shù)不僅是當(dāng)前企業(yè)節(jié)能降耗的重要手段，也是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式轉(zhuǎn)變的必然要求，同時(shí)保證機(jī)組安全，穩(wěn)定運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

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