蒙西發(fā)電廠二次風(fēng)機(jī)高壓電動(dòng)機(jī)變頻器節(jié)能改造

王耀龍　翟溪

摘 要： 本文以蒙西發(fā)電廠一號(hào)機(jī)組二次風(fēng)機(jī)變頻改造為例，闡述了變頻改造方案，分析比較了二次風(fēng)機(jī)采用變頻控制后的節(jié)能效果，事實(shí)證明該變頻技術(shù)在節(jié)能降耗、提高自動(dòng)化控制水平等方面具有優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞： 蒙西發(fā)電 變頻 二次風(fēng)機(jī) 節(jié)能

引言

蒙西發(fā)電廠使用2臺(tái)300MW國(guó)產(chǎn)循環(huán)流化床機(jī)組，年運(yùn)行小時(shí)數(shù)為5240.8h，長(zhǎng)期處于較低負(fù)荷運(yùn)行，平均發(fā)電功率為190MW。運(yùn)行效率低，導(dǎo)致廠用電率較高，經(jīng)濟(jì)效益差。若進(jìn)行變頻改造，則可降低廠用電率0.6左右。實(shí)際統(tǒng)計(jì)循環(huán)流化床鍋爐主要輔機(jī)：一次風(fēng)機(jī)，二次風(fēng)機(jī)，引風(fēng)機(jī)，凝結(jié)水泵，循環(huán)水泵，在水泵原設(shè)計(jì)中約占廠用電率比例30%。為充分挖掘機(jī)組潛力，降低廠用電率和提高電網(wǎng)供電能力，電廠計(jì)劃對(duì)2臺(tái)引風(fēng)機(jī)、2臺(tái)一次風(fēng)機(jī)、2臺(tái)二次風(fēng)機(jī)電機(jī)采用一拖一方式加裝變頻裝置，即每臺(tái)電機(jī)加裝一臺(tái)變頻器；對(duì)2臺(tái)凝結(jié)水泵電機(jī)采用一拖二方式加裝變頻裝置，即每臺(tái)變頻器輪流帶兩臺(tái)凝結(jié)水泵運(yùn)行，提高電廠的經(jīng)濟(jì)收益。本文以蒙西發(fā)電廠一號(hào)機(jī)組二次風(fēng)機(jī)變頻改造項(xiàng)目為例，討論變頻調(diào)速技術(shù)在二次風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用。

1.改造方案

蒙西發(fā)電廠#1、2爐型號(hào)為：SG-1057/17.4-M803型鍋爐，鍋爐為亞臨界壓力中間一次再熱、單汽包自然循環(huán)、循環(huán)流化床鍋爐。首次采用引進(jìn)法國(guó)ALSTOM技術(shù)、由上海電器電站集團(tuán)制造的300MW循環(huán)流化床鍋爐，并配套上海汽輪機(jī)廠制造的直接空冷凝汽發(fā)電機(jī)組。于2007年年底兩臺(tái)機(jī)組相繼投產(chǎn)。

該廠一號(hào)機(jī)組二次風(fēng)機(jī)變頻改造為：#1爐1A、1B二次風(fēng)機(jī)變頻器采用西門子（上海）電氣傳動(dòng)設(shè)備有限公司生產(chǎn)的空冷型完美無諧波高壓變頻器，是控制交流電機(jī)速度調(diào)節(jié)的控制裝置。#1爐1A、1B二次風(fēng)機(jī)采用的是一對(duì)一的變頻器，即每臺(tái)電機(jī)擁有自己的變頻器，可實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)風(fēng)機(jī)的變頻運(yùn)行方式。

完美無諧波變頻器的硬件主要有干式變壓器（絕緣等級(jí)H級(jí)）和功率單元及控制柜、旁路柜等。

干式變壓器的主要作用是把6kV進(jìn)線降壓為630V，每相有6個(gè)抽頭，其中每個(gè)抽頭接一個(gè)功率單元，每相的6個(gè)功率單元采用串聯(lián)方式連接。干式變壓器共有18個(gè)抽頭。

旁路柜內(nèi)有三只隔離開關(guān)，分別是QS1（連接6kV進(jìn)線至變頻器）、QS2（變頻器出口）、QS3（工頻）。主要是用于工頻、變頻方式的倒換。QS1和QS2全部合入、QS3斷開實(shí)現(xiàn)變頻方式。將QS1和QS2斷開，再合上QS3就可以實(shí)現(xiàn)工頻方式。但是使用工頻方式時(shí)（也就是QS3合閘狀態(tài)）絕對(duì)不允許將QS1和QS2合入，否則上電時(shí)會(huì)對(duì)變頻器造成損壞，而且QS2和QS3之間也帶有機(jī)械閉鎖功能。

圖1 二次風(fēng)機(jī)變頻器一次圖

Fig.1Electricalcircuitoffrequencyinverter

2.完美無諧波NBH系列高壓變頻器

完美無諧波高壓變頻器采用若干個(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。完美無諧波變頻器系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：提供純凈的輸入特性，提供高功率因數(shù)，提供幾近完美的正弦波輸出。完美無諧波變頻器符合最嚴(yán)格的電壓、電流諧波畸變標(biāo)準(zhǔn)的要求，即使在輸入容量不大于變頻器額定容量的情況下也能滿足。該變頻器能保護(hù)其他在線設(shè)備（如計(jì)算機(jī)、電話、電子鎮(zhèn)流器等）免受諧波干擾，同時(shí)能防止與其他調(diào)速裝置發(fā)生串?dāng)_。功率因數(shù)是有功功率占總視在功率的比值，完美無諧波系列變頻器獲取幾近完美的正弦波輸入電流，使得其功率因數(shù)在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)，無須使用外部功率因數(shù)補(bǔ)償電容即可超過95%。完美無諧波變頻器的設(shè)計(jì)使得變頻器本身提供正弦波輸出，無須使用外部輸出濾波器。這意味著變頻器只產(chǎn)生極少的失真電壓波形，其產(chǎn)生的電機(jī)噪聲根本感覺不到。事實(shí)上，完美無諧波變頻器消除了變頻器引發(fā)的使電機(jī)發(fā)熱的有害諧波。同時(shí)，變頻器引發(fā)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)也被消除（即使在低速范圍），因此降低了機(jī)械設(shè)備的應(yīng)力，共模電壓和dV/dt產(chǎn)生的應(yīng)力也減至最小。

對(duì)于6kV電壓等級(jí)完美無諧波變頻器而言，每單元個(gè)數(shù)6，線電（VAC）6600V，變頻器總單元數(shù)18，分立的功率單元安裝在單元部分。所有功率單元的機(jī)械和電氣參數(shù)均相同，所以它們可以方便地進(jìn)行互換。每個(gè)單元包含自己的控制板用來與主控系統(tǒng)通過光纖進(jìn)行通訊，該通訊是單元與控制柜內(nèi)的主控部分之間的唯一連接，因而每個(gè)單元與主控系統(tǒng)完全電氣隔離。

圖2 功率單元結(jié)構(gòu)

Fig.2Structurediagramofpowerunit

功率單元旁路（選件）作為選件，系統(tǒng)內(nèi)的每個(gè)功率單元配備一只旁路接觸器。如果功率單元發(fā)生故障，則變頻器主控板自動(dòng)接通對(duì)應(yīng)的接觸器。一旦該接觸器得電，損壞的功率單元就不再作為系統(tǒng)電氣的一部分，因而變頻器可繼續(xù)工作。一旦功率單元發(fā)生故障并被旁路，系統(tǒng)控制自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償（中心點(diǎn)漂移）以保持電機(jī)電壓平衡。為了補(bǔ)償?shù)涞碾妷?，每相最多?個(gè)功率單元的系統(tǒng)可為每相配備一個(gè)額外的功率單元（選件）。該3個(gè)備用功率單元用來補(bǔ)償?shù)涞碾妷骸Ｈ绻麤]有配備備用功率單元，則變頻器將工作在稍低的輸出電壓，但是仍然提供全部額定電流。功率單元旁路系統(tǒng)包括每個(gè)功率單元一個(gè)旁路接觸器，一個(gè)接觸器控制板（安裝在功率單元柜內(nèi)）及主控系統(tǒng)與接觸器控制板之間的光纖連接。

因?yàn)橥昝罒o諧波變頻器每相中的單元是串聯(lián)的，所以將故障單元旁路不影響變頻器的電流容量，但電壓容量將下降。通常所要求的電機(jī)電壓大致與速度成比例，所以變頻器能滿足應(yīng)用要求的最大速度也將下降。在一個(gè)或多個(gè)單元發(fā)生故障后使電機(jī)有效電壓最大是十分重要的。

（A） （B）

圖3 電壓疊加原理

Fig.3Voltagesuperpositionprinciple

如上圖（A）每相5個(gè)功率單元串聯(lián)，正常運(yùn)行。為15單元變頻器中沒有單元被旁路，100%的單元在使用，提供100%的電壓。A相電壓指令相對(duì)B相電壓指令有120°的位移，相對(duì)C相的位移為120°。

在上圖（B）中，通過調(diào)整相位角（中性點(diǎn)漂移）使變頻器輸出恢復(fù)平衡，15單元變頻器僅A相旁路2個(gè)單元，余下87%的正常單元在使用，可提供80%的輸出電壓。單元電壓的相位角被調(diào)整，因而，A相與B相及C相的相位差為132.5°，而不是通常120°這種方法等效于在單元電壓指令矢量中引進(jìn)零序成分。

3.節(jié)能分析

變頻器節(jié)能分析理論計(jì)算

根據(jù)蒙西電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行情況，蒙西發(fā)電廠其年平均利用小時(shí)數(shù)約為5240.8小時(shí)，電價(jià)按0.35元/KWh計(jì)算，變頻系統(tǒng)效率不低于95%。

二次風(fēng)機(jī)電機(jī)參數(shù)：功率：1800kW，電壓：6kV，電流：206A，功率因素：0.88，轉(zhuǎn)速：1490rpm，電機(jī)類型：三相異步電動(dòng)機(jī)，型號(hào)：YFKK630-4W。

當(dāng)#1機(jī)組負(fù)荷為150MW時(shí)，風(fēng)門開度為50%，電動(dòng)機(jī)電流為110A。

工頻運(yùn)行時(shí)的耗電功率P=UIcosφ/η

=1.732×6000×110×0.88/0.95

=1058890W=1058.89kW

變頻運(yùn)行時(shí)的耗電功率P=P（Q%）/η式中，P為變頻調(diào)速后的電動(dòng)機(jī)功率，P為電動(dòng)機(jī)的額定功率，Q%為機(jī)組固定負(fù)荷時(shí)風(fēng)機(jī)運(yùn)行功率與額定功率的比值轉(zhuǎn)差率，η為變頻系統(tǒng)效率。

則當(dāng)#1機(jī)組負(fù)荷為150MW時(shí)，風(fēng)門開度為50%，變頻運(yùn)行時(shí)的耗電功率為

P=P（Q%）/η

=1800×0.5/0.95

≈236.84kW

加裝變頻裝置后，每年節(jié)省費(fèi)用計(jì)算

D=（P-P）×H×A

=（1058.89-236.84）×5240.8×0.35

=1507869.874元≈150萬元

結(jié)語

根據(jù)節(jié)能分析，二次風(fēng)機(jī)在兩年內(nèi)可收回成本。蒙西發(fā)電廠1號(hào)鍋爐二次風(fēng)機(jī)改為變頻調(diào)速控制后，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益，也提高了機(jī)組運(yùn)行的安全可靠性。另外，采用變頻調(diào)速后，二次風(fēng)機(jī)不僅可以實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，延長(zhǎng)電機(jī)的使用壽命，改善電機(jī)的運(yùn)行條件，而且二次風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，可減少阻力，降低噪音，可見變頻調(diào)速技術(shù)在節(jié)能降耗、提高自動(dòng)化控制水平方面具有很大的優(yōu)勢(shì)，值得推廣應(yīng)用。

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