高壓變頻器在熱電廠引風(fēng)機(jī)電機(jī)上的應(yīng)用

王志剛

（黑龍江華電齊齊哈爾熱電有限公司，黑龍江齊齊哈爾 161001）

高壓變頻器在熱電廠引風(fēng)機(jī)電機(jī)上的應(yīng)用

王志剛

（黑龍江華電齊齊哈爾熱電有限公司，黑龍江齊齊哈爾 161001）

為降低引風(fēng)機(jī)的耗電率，以黑龍江華電齊齊哈爾熱電有限公司熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組鍋爐引風(fēng)機(jī)電機(jī)為例，對(duì)引風(fēng)機(jī)電機(jī)高壓變頻器的運(yùn)行情況進(jìn)行了分析，確定了自動(dòng)旁路的方式以及控制系統(tǒng)接口的硬件配置和軟件組態(tài)邏輯。經(jīng)濟(jì)效益分析數(shù)據(jù)證明，熱電廠主要輔機(jī)電機(jī)加裝高壓變頻器后，降低了引風(fēng)機(jī)的耗電率，節(jié)能效果良好。

引風(fēng)機(jī)；高壓大功率變頻器；組態(tài)與邏輯；節(jié)能

0 引言

在熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的鍋爐輔機(jī)中，引風(fēng)機(jī)是耗電率較大的輔機(jī)之一，機(jī)組額定負(fù)荷時(shí)引風(fēng)機(jī)的出口靜葉擋板開(kāi)度為90%左右，而實(shí)際運(yùn)行中特別是后半夜機(jī)組負(fù)荷較低時(shí)，引風(fēng)機(jī)的出口靜葉擋板開(kāi)度為50%左右，此時(shí)電機(jī)仍舊按照額定工況運(yùn)行，引風(fēng)機(jī)的出力大幅度降低了，而電機(jī)的耗電率卻降低很小，造成了電能的大量浪費(fèi)，致使機(jī)組的廠用電率很高。隨著技術(shù)的發(fā)展，高壓大功率變頻器的價(jià)格逐漸降低，應(yīng)用越來(lái)越廣泛，如果在引風(fēng)機(jī)的電機(jī)上加裝高壓變頻器，當(dāng)引風(fēng)機(jī)的出口靜葉擋板全開(kāi)時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)整引風(fēng)機(jī)的出力，以滿足機(jī)組負(fù)荷的變化，降低引風(fēng)機(jī)的耗電率，達(dá)到節(jié)能的目的。變頻器的自身保護(hù)較多，經(jīng)常會(huì)退出運(yùn)行，從而導(dǎo)致引風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行。正常運(yùn)行時(shí)，鍋爐是2臺(tái)引風(fēng)機(jī)并列運(yùn)行，如一臺(tái)引風(fēng)機(jī)退出運(yùn)行，可能導(dǎo)致另外一臺(tái)引風(fēng)機(jī)電機(jī)過(guò)負(fù)荷保護(hù)動(dòng)作，致使2臺(tái)引風(fēng)機(jī)同時(shí)退出運(yùn)行，最終導(dǎo)致鍋爐滅火保護(hù)動(dòng)作，造成非計(jì)劃停運(yùn)事故。如果采用自動(dòng)旁路方式，當(dāng)變頻器退出運(yùn)行時(shí)，直接切換到工頻運(yùn)行，可以保證引風(fēng)機(jī)的運(yùn)行，避免鍋爐滅火保護(hù)動(dòng)作，減少機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)事故。

1 變頻器節(jié)能原理的理論分析［1-5］

1.1 電機(jī)與電源輸入頻率的關(guān)系

現(xiàn)場(chǎng)使用的三相異步電機(jī)銘牌中的轉(zhuǎn)速是固定的，它是生產(chǎn)廠家根據(jù)電機(jī)的使用頻率和內(nèi)部極對(duì)數(shù)來(lái)決定的，三者之間的關(guān)系為

式中：n為電機(jī)轉(zhuǎn)速；f為電機(jī)供電頻率，我國(guó)為50 Hz；p為電機(jī)的極對(duì)數(shù)，電機(jī)出廠時(shí)已經(jīng)確定；s為電機(jī)的轉(zhuǎn)差率。

從以上關(guān)系式可以看出，當(dāng)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速是固定的，即電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，但由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電源輸入的頻率是成正比的，當(dāng)電源輸入的頻率發(fā)生變化時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速也隨著變化。變頻器工作原理就是把國(guó)家電網(wǎng)50 Hz的工頻改變成0～50Hz之間的任何頻率，使電機(jī)的轉(zhuǎn)速與之對(duì)應(yīng)，從而改變電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速。

1.2 引風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與節(jié)能的關(guān)系分析

在流體力學(xué)中，引風(fēng)機(jī)的技術(shù)參數(shù)存在以下關(guān)系

式中：qV為引風(fēng)機(jī)的風(fēng)量；p為引風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓；n為引風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；T為引風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩；P為引風(fēng)機(jī)的軸功率。

從以上關(guān)系式可以看出，實(shí)際運(yùn)行時(shí)引風(fēng)機(jī)的出口風(fēng)量和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，引風(fēng)機(jī)的出口風(fēng)壓與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的2次方成正比，而電機(jī)輸入的電功率卻與電機(jī)轉(zhuǎn)速的3次方成正比。因此，改變引風(fēng)機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，就可以改變引風(fēng)機(jī)的出力。當(dāng)引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，電機(jī)輸入的軸功率卻以電機(jī)轉(zhuǎn)速的3次方的比例降低，致使引風(fēng)機(jī)電機(jī)的電功率降低，電機(jī)的耗電率隨之降低，達(dá)到節(jié)能的目的。

2 工程應(yīng)用方案［6-8］

黑龍江華電齊齊哈爾熱電有限公司（以下簡(jiǎn)稱齊熱公司）裝機(jī)容量為2×300MW供熱機(jī)組，為了響應(yīng)節(jié)能減排的號(hào)召，齊熱公司于2010年9月對(duì)＃1機(jī)組2臺(tái)引風(fēng)機(jī)的電機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造，在電機(jī)上加裝高壓大功率變頻器，實(shí)際運(yùn)行中節(jié)能效果明顯。

技術(shù)改造選用了國(guó)電南京自動(dòng)化股份公司生產(chǎn)的ASD6000S系列高壓大功率變頻器，它包括多個(gè)串聯(lián)的功率模塊，將多個(gè)低壓功率模塊的輸出疊加起來(lái)得到高壓輸出，具有較高的可靠性；同時(shí)，變頻器本身配備了完善的自我保護(hù)系統(tǒng)，降低了故障率。引風(fēng)機(jī)電機(jī)參數(shù)為：型號(hào)，YKK710-8；額定功率，1600 kW；額定電壓，6 kV；額定電流，192 A；額定轉(zhuǎn)速，740 r／min。

引風(fēng)機(jī)電機(jī)變頻改造系統(tǒng)主電氣接線如圖1所示。根據(jù)機(jī)組運(yùn)行的要求，每臺(tái)引風(fēng)機(jī)的電機(jī)加裝1臺(tái)變頻器，保留電機(jī)電源斷路器QF1的控制部分，增加自動(dòng)切換的旁路斷路器QF5，變頻器控制回路的斷路器QF3，QF4和變頻控制裝置。當(dāng)引風(fēng)機(jī)需要變頻運(yùn)行時(shí)，控制回路首先合上電源斷路器QF1，確定旁路斷路器QF5在斷開(kāi)狀態(tài)，然后合上變頻器輸入斷路器QF3及輸出斷路器QF4，由鍋爐分散控制系統(tǒng)（DCS）的操作員站發(fā)出引風(fēng)機(jī)的啟、停指令，根據(jù)鍋爐燃燒所需要的風(fēng)量，由控制回路控制變頻器的轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)節(jié)風(fēng)量的目的。當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，若引風(fēng)機(jī)和電機(jī)沒(méi)有故障，引風(fēng)機(jī)需要停止變頻運(yùn)行，轉(zhuǎn)到工頻運(yùn)行，控制回路將首先斷開(kāi)變頻器輸入斷路器QF3及輸出斷路器QF4，然后自動(dòng)合上旁路斷路器QF5，由原工頻控制回路實(shí)現(xiàn)引風(fēng)機(jī)的啟、停及控制。同時(shí)，在電源斷路器QF1與變頻器輸入斷路器QF3、輸出斷路器QF4及旁路斷路器QF5之間增加了機(jī)械閉鎖和電氣聯(lián)鎖，可以防止值班員誤操作。

圖1 引風(fēng)機(jī)變頻改造系統(tǒng)主電氣接線

在引風(fēng)機(jī)的自動(dòng)控制邏輯中，保留了原有調(diào)節(jié)擋板的自動(dòng)調(diào)節(jié)邏輯，新增了變頻調(diào)節(jié)邏輯。變頻運(yùn)行時(shí)，變頻調(diào)節(jié)投入自動(dòng)，工頻運(yùn)行時(shí)，擋板調(diào)節(jié)投入自動(dòng)，二者不能同時(shí)投入自動(dòng)；同時(shí)，設(shè)置偏置功能，保證甲、乙兩側(cè)的風(fēng)機(jī)在變頻自動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)出力平衡。

引風(fēng)機(jī)增加了變頻順序啟動(dòng)和順序停止邏輯。

（1）啟動(dòng)步序：?jiǎn)?dòng)冷卻風(fēng)機(jī)（任選一）→關(guān)引風(fēng)機(jī)入口擋板→開(kāi)引風(fēng)機(jī)出口擋板→關(guān)引風(fēng)機(jī)可調(diào)擋板（開(kāi)度＜5%）→合QF3，QF4開(kāi)關(guān)，合6 kV開(kāi)關(guān)，延時(shí)10 s待變頻器高壓允許，啟動(dòng)變頻器→開(kāi)入口擋板，步序啟動(dòng)成功。

（2）停止步序：關(guān)可調(diào)擋板（開(kāi)度＞5%）→關(guān)引風(fēng)機(jī)入口擋板→停止變頻器，分6 kV開(kāi)關(guān)→關(guān)引風(fēng)機(jī)出口擋板，步序停止結(jié)束。

當(dāng)引風(fēng)機(jī)保護(hù)跳閘時(shí)，原邏輯甲、乙兩側(cè)風(fēng)機(jī)跳閘進(jìn)主燃料跳閘（MFT）的信號(hào)不變，信號(hào)取高壓開(kāi)關(guān)（QF1）分閘位。單側(cè)風(fēng)機(jī)跳閘，關(guān)聯(lián)的靜葉、動(dòng)葉擋板和本側(cè)相關(guān)風(fēng)機(jī)停止邏輯不變。增加了工頻旁路未投入時(shí)變頻器重故障跳閘風(fēng)機(jī)邏輯；增加了工頻旁路投入時(shí)，變頻跳閘（即QF3同時(shí)分閘）切工頻運(yùn)行，若切換不成功，發(fā)“變頻切工頻失敗”信號(hào)同時(shí)風(fēng)機(jī)跳閘的邏輯。工頻旁路切換失敗邏輯圖如圖2所示。

圖2 工頻旁路切換失敗邏輯

當(dāng)運(yùn)行中的變頻器發(fā)生重故障跳閘或檢修人員需要停運(yùn)變頻器處理缺陷時(shí)，需要將引風(fēng)機(jī)由變頻運(yùn)行方式轉(zhuǎn)換為工頻運(yùn)行方式，在引風(fēng)機(jī)停止變頻運(yùn)行啟動(dòng)工頻運(yùn)行的過(guò)程中，需要根據(jù)機(jī)組的負(fù)荷情況將該側(cè)引風(fēng)機(jī)入口調(diào)節(jié)擋板關(guān)至設(shè)定位置，然后將風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)至工頻運(yùn)行方式。為實(shí)現(xiàn)鍋爐風(fēng)壓無(wú)擾動(dòng)切換，引風(fēng)機(jī)工頻啟動(dòng)時(shí)入口擋板應(yīng)在理想位置，齊熱公司針對(duì)引風(fēng)機(jī)的變頻切換工頻做了多次試驗(yàn)，最后確定了切換時(shí)引風(fēng)機(jī)的擋板位置（如圖3所示）。引風(fēng)機(jī)變頻切工頻時(shí)，關(guān)可調(diào)擋板至60%，合QF5開(kāi)關(guān)，QF5開(kāi)關(guān)合閘成功，即為變頻切工頻成功；變頻分閘12 s后，若QF5未合閘成功，發(fā)“變頻切工頻失敗”信號(hào)，分本側(cè)引風(fēng)機(jī)6 kV開(kāi)關(guān)（QF1）。

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

3.1 直接經(jīng)濟(jì)效益

將＃1機(jī)組的2臺(tái)引風(fēng)機(jī)改造后的耗電量和改造前同期的耗電量進(jìn)行比較分析（改造前選取2008年11月到2009年2月的數(shù)據(jù)，改造后選取2009年11月到2010年2月的數(shù)據(jù)）：改造前的4個(gè)月中，＃1機(jī)組的發(fā)電量為487.8060GW·h，＃1引風(fēng)機(jī)電機(jī)的耗電量為2.3624GW·h，＃2引風(fēng)機(jī)電機(jī)的耗電量為1.576 5GW·h，2臺(tái)引風(fēng)機(jī)的耗電量為3.938 9 GW·h，占廠用電率的0.807%，機(jī)組的負(fù)荷率為56.46%；改造后的4個(gè)月中，＃1機(jī)組的發(fā)電量為537.0660GW·h，＃1引風(fēng)機(jī)電機(jī)的耗電量為2.2131 GW·h，＃2引風(fēng)機(jī)電機(jī)的耗電量為1.4945GW·h，2臺(tái)引風(fēng)機(jī)的耗電量為3.70757GW·h，占廠用電率的0.690%，機(jī)組的負(fù)荷率為62.16%?？梢钥闯觯脑旌蟮膹S用電率比改造前降低了0.117百分點(diǎn)，節(jié)電率達(dá)到了14.5%。機(jī)組廠用電率每降低1百分點(diǎn)，機(jī)組供電煤耗可降低3.7000 g／（kW·h），因此引風(fēng)機(jī)電機(jī)加裝變頻器后，機(jī)組的供電煤耗降低了0.4366 g／（kW·h），節(jié)能效果明顯。

圖3 變頻切換工頻時(shí)擋板開(kāi)度

3.2 間接經(jīng)濟(jì)效益

引風(fēng)機(jī)電機(jī)加裝變頻器后，不僅達(dá)到了節(jié)能的目的，同時(shí)也優(yōu)化了電機(jī)的運(yùn)行方式，取得了間接的經(jīng)濟(jì)效益。

（1）引風(fēng)機(jī)電機(jī)變頻啟動(dòng)實(shí)際是軟啟動(dòng)，電機(jī)啟動(dòng)電流較小，避免了工頻啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)電流對(duì)電機(jī)繞組的沖擊，減少了設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用，可以延長(zhǎng)引風(fēng)機(jī)電機(jī)的使用壽命。

（2）機(jī)組負(fù)荷低時(shí)，引風(fēng)機(jī)低速運(yùn)行，引風(fēng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，降低了引風(fēng)機(jī)的故障率，提高了設(shè)備的可靠性。

（3）引風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行時(shí)，引風(fēng)機(jī)入口擋板全開(kāi)，減輕了入口擋板的磨損，減少了擋板的維護(hù)量。

（4）根據(jù)鍋爐燃燒的需要來(lái)調(diào)整引風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)了引風(fēng)機(jī)風(fēng)量調(diào)節(jié)的自動(dòng)控制。

4 結(jié)束語(yǔ)

齊熱公司引風(fēng)機(jī)電機(jī)加裝變頻器后，節(jié)能效果明顯，可降低設(shè)備單耗、降低廠用電量及機(jī)組供電煤耗，直接經(jīng)濟(jì)效益和間接經(jīng)濟(jì)效益顯著，因此，高壓大功率變頻器在熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的節(jié)能技術(shù)改造上將有較好的發(fā)展前景。

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（本文責(zé)編：劉芳）

TK 223.26；TN 773

B

1674-1951（2015）08-0053-03

王志剛（1966—），男，吉林梨樹(shù)人，設(shè)備管理部副主任，高級(jí)工程師，從事電廠設(shè)備管理方面的工作（E-mail：abc10604＠163.com）。

2015-04-16；

2015-07-20