600MW機(jī)組脫硫增壓風(fēng)機(jī)變頻改造可行性研究與實(shí)施

李繼忠

安徽阜陽(yáng)華潤(rùn)電力有限公司 安徽 阜陽(yáng) 236158

1 變頻器原理及控制流程

目前市場(chǎng)上主流高壓變頻器多采用電壓源型多級(jí)串聯(lián)結(jié)構(gòu)，由若干個(gè)低壓PWM變頻功率單元串聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)直接高壓輸出，即6kV輸出電壓每相由6個(gè)額定電壓為570V的功率單元串聯(lián)而成，輸出相電壓3450V，線電壓達(dá)到6kV左右。原理圖如下圖1、2。

功率單元采用 “交-直-交”結(jié)構(gòu)，整體采用“高-高”結(jié)構(gòu)，輸出電壓接近正弦波。輸出電壓每個(gè)電平臺(tái)階只有單元直流母線電壓大小，所以dv/dt很小，不需要配置專(zhuān)用濾波裝置，同時(shí)輸入電流波形接近正弦波，總的諧波電流失真低于3%，輸入功率因數(shù)達(dá)0.93以上，變頻器效率高達(dá)96%。

圖1 高壓變頻器一次接線圖

圖2 高壓變頻器一次接線原理圖

脫硫增壓風(fēng)機(jī)變頻器、電機(jī)、壓力變送器組成風(fēng)壓閉環(huán)控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使原煙氣壓力穩(wěn)定在設(shè)定范圍內(nèi)，進(jìn)行恒壓控制。

圖3 增壓風(fēng)機(jī)變頻控制流程圖

2 變頻改造的可行性（節(jié)能分析）

2.1 定性分析

對(duì)工頻運(yùn)行的風(fēng)機(jī)采用調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開(kāi)度進(jìn)行流量控制，管網(wǎng)阻力大，勢(shì)必產(chǎn)生節(jié)流損耗。由流體力學(xué)原理可知，電機(jī)軸功率P與流量Q和揚(yáng)程H（風(fēng)壓）的乘積成正比。

圖4 揚(yáng)程H（風(fēng)壓）與流量Q曲線

Q－流量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)進(jìn)入風(fēng)機(jī)的氣體體積；

H－壓力：?jiǎn)挝粴怏w通過(guò)風(fēng)機(jī)后所獲得的能量；

P－驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)軸功率，P＝QH；

曲線N1，N2－風(fēng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的風(fēng)壓-風(fēng)量（H-Q）特性；

曲線R1，R2－管網(wǎng)風(fēng)阻特性（導(dǎo)葉開(kāi)度全開(kāi)）；

由于電機(jī)軸功率正比于Q×H，運(yùn)行點(diǎn)與Q－H坐標(biāo)所圍面積，即反映了風(fēng)機(jī)輸入軸功率大小，可以定性分析不同調(diào)節(jié)工況下功耗情況。

2.1.1 工頻運(yùn)行（50Hz）：風(fēng)機(jī)正常工作于A點(diǎn)，提供流量Q1、壓力H1，電機(jī)消耗功率PA∝Q1×H1/η1×η2，對(duì)應(yīng)于面積SOQ1AH1（η1、η2分別為水泵、電機(jī)效率，在定性分析中，可不予考慮）。

2.1.2 工頻運(yùn)行（50Hz），節(jié)流調(diào)節(jié)：根據(jù)機(jī)組負(fù)荷變化，當(dāng)需要減小流量至Q2，風(fēng)機(jī)提供流量Q2、壓力H2，因風(fēng)機(jī)出口導(dǎo)葉開(kāi)度減小，相當(dāng)于增加管網(wǎng)阻力，使管網(wǎng)阻力特性由R1變到曲線R2，所以系統(tǒng)由原來(lái)的工況點(diǎn)A變到新的工況點(diǎn)B運(yùn)行。電機(jī)消耗功率PB∝Q2×H2/η1×η2，對(duì)應(yīng)于面積SOQ2BH2；

從圖4中可看出，因節(jié)流調(diào)節(jié)后風(fēng)壓上升，PA與PB的面積差別不大，也就是電機(jī)能耗幾乎不減少，即所需流量減少后，電機(jī)能耗卻變化不大，所以節(jié)流損失很大。

2.1.3 變頻調(diào)速運(yùn)行時(shí)：當(dāng)需要減小流量至Q2時(shí)，只需要調(diào)節(jié)電機(jī)輸入頻率，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由N1降到N2，在滿(mǎn)足同樣風(fēng)量Q2的情況下，由于系統(tǒng)未節(jié)流，壓力下降至H3，風(fēng)機(jī)提供流量Q2、壓力H3，電機(jī)消耗功率PC∝Q2×H3/η1×η2，對(duì)應(yīng)于面積SOQ2CH3。

從圖4中可看出，PC與PB的面積相比大幅減小，即在滿(mǎn)足系統(tǒng)要求，提供同樣風(fēng)量的情況下，變頻調(diào)節(jié)與導(dǎo)葉調(diào)節(jié)相比，電機(jī)能耗大幅減小，節(jié)能效果（陰影部分）顯著。

2.2 定量分析

由風(fēng)機(jī)特性可知，當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)膎變到n′，風(fēng)量Q、風(fēng)壓H及軸功率P的變化關(guān)系如下：

公式說(shuō)明，風(fēng)量與轉(zhuǎn)速成正比，風(fēng)壓與轉(zhuǎn)速的二次方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。變頻調(diào)速改造后，機(jī)組低負(fù)荷工況下風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，系統(tǒng)消耗電功率將大大降低，由于電機(jī)軸功率受轉(zhuǎn)速影響過(guò)大，所以可通過(guò)轉(zhuǎn)速的變化來(lái)分析變頻調(diào)速的節(jié)能效果。

假設(shè)額定流量為Q0，額定功耗為P0，所需流量為Q1，功耗為Pg.in，由上述公式可得：

所以采用變頻器調(diào)速后，變頻器輸入功率

考慮變頻器和電機(jī)效率后，輸入功率

式中：P0－被拖動(dòng)電機(jī)軸功率

η－變頻器效率

因此可推算出，我公司增壓風(fēng)機(jī)電機(jī)（6kV 1600kW）變頻改造后，如機(jī)組負(fù)荷降低，風(fēng)機(jī)運(yùn)行在35Hz，則變頻器實(shí)際消耗功率為：

同理，如風(fēng)機(jī)運(yùn)行在40Hz，實(shí)際消耗電功率為862kW，運(yùn)行在45Hz，實(shí)際消耗電功率為1364kW，而電機(jī)的額定功率為1600kW，所以節(jié)能效果比較顯著。

3 改造實(shí)施

在風(fēng)機(jī)的各種調(diào)節(jié)方式中，變頻調(diào)節(jié)應(yīng)用較為廣泛。變頻改造的目的是節(jié)能，無(wú)論是定性分析，還是定量分析節(jié)能效果都比較顯著，因此改造是可行的。施工分三個(gè)階段進(jìn)行，第一階段房屋建造完成后進(jìn)行基礎(chǔ)制作、高壓電纜分支箱安裝、倉(cāng)庫(kù)內(nèi)電纜檢查，設(shè)備到貨后拆除包裝箱、立柜、電纜橋架制作等；第二階段完成高壓電纜敷設(shè)及試驗(yàn)、電纜頭制作、電纜接線、特種變壓器及新增斷路器高壓試驗(yàn)等；第三階段為控制電源和動(dòng)力電源送電后完成設(shè)備靜態(tài)和動(dòng)態(tài)調(diào)試。

3.1 設(shè)備參數(shù)

設(shè)備參數(shù)如表1所示。

表1 增壓風(fēng)機(jī)及電機(jī)參數(shù)表

3.2 電氣接線及系統(tǒng)圖

采用“一拖一，手動(dòng)旁路”方案，正常運(yùn)行時(shí)一臺(tái)變頻器拖動(dòng)一臺(tái)電機(jī)運(yùn)行，當(dāng)變頻器故障時(shí)，遠(yuǎn)方手動(dòng)聯(lián)啟2AQF3（2BQF3）旁路開(kāi)關(guān)運(yùn)行。

圖5 變頻器接入一次系統(tǒng)圖

變頻器輸入電源取自電機(jī)的原電源開(kāi)關(guān)。變頻裝置具有“就地”和“遠(yuǎn)方”兩種控制方式，切換開(kāi)關(guān)位于變頻器控制柜處，可根據(jù)需要自由切換。在就地控制方式下，通過(guò)變頻器人/機(jī)界面液晶屏，可進(jìn)行就地啟動(dòng)、停止操作，可調(diào)整轉(zhuǎn)速、頻率；遠(yuǎn)方控制方式下，變頻裝置只接受脫硫DCS控制指令，并反饋?zhàn)冾l器的主要狀態(tài)和故障報(bào)警，運(yùn)行人員可通過(guò)DCS畫(huà)面進(jìn)行啟動(dòng)、停止、調(diào)速等操作；在電機(jī)旁裝有變頻器事故按鈕，突發(fā)事故時(shí)可緊急停止運(yùn)行。

3.3 變頻器啟動(dòng)控制策略（以2A增壓風(fēng)機(jī)為例）

62TL05開(kāi)關(guān)、 變頻器、2AQF1、2AQF2、2AQF3開(kāi)關(guān)柜控制電源合上→變頻器柜門(mén)上“遠(yuǎn)方/就地”開(kāi)關(guān)打到“遠(yuǎn)方”位置→合62TL05開(kāi)關(guān)→合2AQF1、2AQF2開(kāi)關(guān)→變頻器自檢后發(fā)“待機(jī)狀態(tài)”指令，反饋正常后，點(diǎn)擊DCS畫(huà)面“啟動(dòng)”指令。

3.4 變頻器停止控制策略

點(diǎn)擊DCS畫(huà)面“停止”指令→變頻器以設(shè)定速率下降到0Hz后，發(fā)“待機(jī)狀態(tài)”指令→斷開(kāi)2AQF1、2AQF2開(kāi)關(guān)（熱備用狀態(tài)時(shí)可不分?jǐn)啻碎_(kāi)關(guān)）。

3.5 變頻器緊急停止控制策略

點(diǎn)擊DCS畫(huà)面“急?！敝噶睢冾l器立即下降到0Hz后，發(fā)“待機(jī)狀態(tài)”指令→自動(dòng)斷開(kāi)2AQF1、2AQF2開(kāi)關(guān)。

3.6 變頻器跳閘

變頻器發(fā)“重故障”指令至DCS且輸出直接到0Hz→自動(dòng)分?jǐn)?AQF1、2AQF2開(kāi)關(guān)→根據(jù)當(dāng)時(shí)運(yùn)行工況，運(yùn)行人員手動(dòng)啟動(dòng)2AQF3工頻運(yùn)行；

3.7 電氣閉鎖設(shè)計(jì)

為防止變頻器反充電，2AQF1和2AQF3開(kāi)關(guān)的合閘控制回路互相閉鎖；2AQF2和2AQF3開(kāi)關(guān)的合閘控制回路互相閉鎖，2BQF1和2BQF3開(kāi)關(guān)的合閘控制回路互相閉鎖；2BQF2和2BQF3開(kāi)關(guān)的合閘控制回路互相閉鎖，同時(shí)在PLC控制邏輯中增加軟閉鎖。

3.8 變頻改造后實(shí)物圖

圖6 增壓風(fēng)機(jī)變頻器實(shí)物圖

4 節(jié)能效果

2A 2B增壓風(fēng)機(jī)變頻器投運(yùn)后，通過(guò)與未改造的1A 1B增壓風(fēng)機(jī)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，增壓風(fēng)機(jī)電機(jī)的運(yùn)行電流與其入口壓力、出口導(dǎo)葉開(kāi)度、機(jī)組負(fù)荷等因素關(guān)系密切，通過(guò)對(duì)運(yùn)行情況的跟蹤，找到3點(diǎn)上述因素相近的工況（見(jiàn)下表2），并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行對(duì)比計(jì)算節(jié)能效果。

4.1 取三種工況分別計(jì)算節(jié)電率及節(jié)約有功功率

4.1.1 工況1（39萬(wàn)負(fù)荷）

1A/1B電機(jī)有功總損耗P1=1.732UIcosφ=1.732×6.3×（124.2+123.6）×0.65=1757.5kW

2A/2B電機(jī)有功總損耗P2=1.732UIcosφ=1.732×6.3×（16.9+29.2）×0.95=477.9kW

節(jié)約有功1=（P1-P2）=1757.5-477.9=1279.6kW

節(jié)電率1=（P1-P2）/P1=（1757.5-477.9）/1757.5=72.8%

4.1.2 工況2（42萬(wàn)負(fù)荷）

1A/1B電機(jī)有功總損耗P1=1.732UIcosφ=1.732×6.3×（127.1+127.2）×0.65=1803.6kW

2A/2B電機(jī)有功總損耗P2=1.732UIcosφ=1.732×6.3×（32.1+52.7）×0.95=879kW

節(jié)約有功2=（P1-P2）=1803.6-879=924.6kW

表2 改造前后數(shù)據(jù)對(duì)比表

節(jié) 電 率 2=（P1-P2）/P1=（1803.6-879）/1803.6=51.3%

4.1.3 工況3（44萬(wàn)負(fù)荷）

1A/1B電機(jī)有功總損耗P1=1.732UIcosφ=1.732×6.3×（128.7+125.7）×0.65=1804.3kW

2A/2B電機(jī)有功總損耗P2=1.732UIcosφ=1.732×6.3×（40.4+50.2）×0.95=939.2kW

節(jié)約有功3=（P1-P2）=1804.3-939.2=865.1kW

節(jié)電率3=（P1-P2）/P1=（1804.3-939.2）/1804.3=47.9%

4.2 節(jié)電率及節(jié)約費(fèi)用

為使節(jié)能效果計(jì)算更精確，取上述節(jié)電率的平均數(shù)作為最終節(jié)電率值：

=（節(jié)電率1+節(jié)電率2+節(jié)電率3）/3×100%=（72.8%+51.3%+47.9%）/3×100%=57.3%

節(jié)約有功功率（取平均值）：

=（節(jié)約有功1+節(jié)約有功2+節(jié)約有功3）/3=（1279.6+924.6+865.1）/3=1023.1kW

年節(jié)約電量=320天×24小時(shí)×1023.1kW=7857408度；

年節(jié)約費(fèi)用=7857408度×0.39元=306.4萬(wàn)元；

5 經(jīng)驗(yàn)分享

5.1 高壓電機(jī)變頻改造后，轉(zhuǎn)速將會(huì)在0至額定轉(zhuǎn)速之間平滑變化，電機(jī)拖動(dòng)風(fēng)機(jī)變速轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中常會(huì)出現(xiàn)1或2個(gè)共振點(diǎn)，應(yīng)在變頻器投運(yùn)前手動(dòng)控制變頻器頻率，使電機(jī)和風(fēng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)并測(cè)試振動(dòng)，當(dāng)振動(dòng)超標(biāo)時(shí)，應(yīng)記錄下頻率值并在變頻器中將其屏蔽（本次變頻改造，經(jīng)測(cè)試均無(wú)共振點(diǎn)）。

5.2 變頻器旁路開(kāi)關(guān)和出線開(kāi)關(guān)之間必須設(shè)置閉鎖，并在PLC中增加軟閉鎖，防止誤操作造成兩臺(tái)斷路器同時(shí)合閘，不同頻率的電源并聯(lián)將會(huì)造成變頻器損壞。

5.3 變頻器瞬停保護(hù)設(shè)計(jì)

由于6kV廠用母線帶有給水泵電機(jī)，600MW機(jī)組給水泵電機(jī)功率為8500kW，在給水泵聯(lián)鎖啟動(dòng)時(shí)，母線電壓均跌落至80%以下，根據(jù)泵啟動(dòng)后帶負(fù)荷的情況，電壓跌落持續(xù)時(shí)間可能維持10~15s，因此變頻器瞬停保護(hù)對(duì)保證風(fēng)機(jī)的持續(xù)運(yùn)行非常重要。

電壓型變頻器功率單元由于有大容量的高壓電容器（有儲(chǔ)能作用）作為整流濾波環(huán)節(jié)，在輸入完全掉電情況下能夠維持輸出一段時(shí)間，在裝置內(nèi)濾波電容越大、負(fù)荷運(yùn)行頻率越低、輸出功率越小則可維持的時(shí)間越長(zhǎng)。一般變頻器可承受-30%電源電壓下降和5個(gè)周期電源喪失。具體瞬停（低電壓）時(shí)間根據(jù)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子的參數(shù)頻率特性、電機(jī)最低運(yùn)行頻率來(lái)計(jì)算確定。

變頻器動(dòng)力電源瞬時(shí)斷電再上電一般有兩種情況，如果斷電時(shí)間在100ms（即5個(gè)周波）之內(nèi)，沒(méi)有任何影響，變頻裝置連續(xù)運(yùn)行;如果斷電時(shí)間在100ms～“瞬停（低電壓）時(shí)間”之內(nèi)，變頻器發(fā)“輕故障”信號(hào)，執(zhí)行瞬停重啟過(guò)程。如果斷電時(shí)間超過(guò)瞬停（低電壓）時(shí)間，變頻器發(fā)“重故障”信號(hào)，風(fēng)機(jī)停運(yùn)。

5.4 增壓風(fēng)機(jī)、電機(jī)軸承潤(rùn)滑

變頻器最低頻率限制應(yīng)根據(jù)風(fēng)機(jī)、電機(jī)軸承低轉(zhuǎn)速情況下軸承潤(rùn)滑能力來(lái)確定。我公司電機(jī)采用油環(huán)自潤(rùn)滑方式，電機(jī)轉(zhuǎn)速降低，油環(huán)帶油情況變差，可能會(huì)使軸承無(wú)法良好潤(rùn)滑，因此將最低頻率定在20HZ。

5.5 電源開(kāi)關(guān)62TL05、62TL06綜合保護(hù)裝置應(yīng)能實(shí)現(xiàn)變壓器和電動(dòng)機(jī)兩種保護(hù)方式。

5.6 變頻器功率單元內(nèi)有眾多電子元件，受環(huán)境溫度及空氣潔凈度等因素影響較大，運(yùn)行中易發(fā)生故障跳閘，因此運(yùn)行環(huán)境要求較高，需設(shè)置專(zhuān)用房屋，采用空調(diào)內(nèi)循環(huán)冷卻，空氣與外界隔離。

5.7 從改造初期的分析、考察、方案制定到中期的設(shè)備招標(biāo)、施工監(jiān)督、房屋建造到后期的高壓試驗(yàn)、高壓送電、靜態(tài)調(diào)試、動(dòng)態(tài)調(diào)試、控制完善、投入運(yùn)行等，均需要細(xì)致、深入的考慮和全程跟蹤。

5.8 設(shè)備到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后，除進(jìn)行必要的高壓試驗(yàn)外，還需對(duì)設(shè)備的外觀、連接可靠性等情況進(jìn)行細(xì)致檢查，不能認(rèn)為出廠檢驗(yàn)合格的產(chǎn)品就一定是優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。

5.9 變頻器的跳閘或被迫退出對(duì)系統(tǒng)影響很大，因此對(duì)變頻器的質(zhì)量要求較高，設(shè)備選型時(shí)應(yīng)選擇品牌知名度高、市場(chǎng)占有率大、售后服務(wù)比較好的產(chǎn)品。

6 結(jié)束語(yǔ)

從我公司增壓風(fēng)機(jī)變頻改造的應(yīng)用來(lái)看，初期的可行性分析是準(zhǔn)確的，改造中遇到的難題也能較為合理的解決，改造后優(yōu)越的調(diào)速性能和顯著的節(jié)能效果已經(jīng)得驗(yàn)證和認(rèn)可。

[1] 梁昊.最新變頻器國(guó)家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施與設(shè)計(jì)選型使用技術(shù)手冊(cè)[S].天津：天津電子出版社，2005.

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[3] 周慶貴.電氣控制技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.