產(chǎn)品與解決方案/PRODUCT AND SOLUTIONS
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解決方案
高壓變頻器在熱電廠硫化床鍋爐風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用
1現(xiàn)場簡介
青島恒源熱電有限公司現(xiàn)有三臺(tái)UG-75/5.3-M19-75t/h循環(huán)硫化床鍋爐，一臺(tái)QFW-15-2被壓式汽輪發(fā)電機(jī)組，一臺(tái)QFW-12-2被壓式汽輪發(fā)電機(jī)組，是集中供熱、發(fā)電為一體的熱電聯(lián)產(chǎn)企業(yè)，負(fù)責(zé)整個(gè)黃島經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)工業(yè)熱源供應(yīng)。在75t/h循環(huán)硫化床鍋爐送風(fēng)機(jī)系統(tǒng)配置了兩臺(tái)同型號(hào)的G4-68-14D型風(fēng)機(jī)，一次風(fēng)機(jī)基本參數(shù)見下表1，二次風(fēng)機(jī)基本參數(shù)見下表2，鍋爐一次風(fēng)機(jī)、二次風(fēng)機(jī)均采用恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行，調(diào)節(jié)風(fēng)門擋板調(diào)節(jié)風(fēng)量，恒速電機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)。
表1為現(xiàn)場一次風(fēng)機(jī)基本參數(shù)，表2為現(xiàn)場二次風(fēng)機(jī)基本參數(shù)。
2 存在問題
通過鍋爐熱力試驗(yàn)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，鍋爐風(fēng)機(jī)系統(tǒng)采用擋板調(diào)節(jié)方式在實(shí)際運(yùn)用中存在以下問題：
⑴擋板式調(diào)節(jié)，對(duì)鍋爐蒸發(fā)量、溫度、壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，就要同時(shí)調(diào)整風(fēng)門，使之與負(fù)荷變化相適應(yīng)，不僅調(diào)速線度差，而且容易造成機(jī)械設(shè)備震動(dòng)大，設(shè)備損壞率高；
⑵擋板式調(diào)節(jié)拖動(dòng)鍋爐風(fēng)機(jī)電機(jī)始終以額定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，風(fēng)機(jī)單耗和電機(jī)的功率存在浪費(fèi)能源，鍋爐風(fēng)機(jī)電機(jī)長期在額定負(fù)荷30-50%狀態(tài)下運(yùn)行，存在著大量浪費(fèi)能源現(xiàn)象；
⑶風(fēng)機(jī)電機(jī)接在10kV高壓母線段，電機(jī)采用過載熱偶保護(hù)，短路采用空氣開關(guān)保護(hù)，保護(hù)性能差，容易造成開關(guān)越級(jí)跳閘；
針對(duì)上述情況公司對(duì)設(shè)備進(jìn)行變頻改造，恒源公司在節(jié)約成本的策略前提下，考慮到國產(chǎn)高壓變頻器設(shè)備水平已接近國際水平，能滿足運(yùn)行要求，公司公開招標(biāo)，進(jìn)行性價(jià)比比較，結(jié)果山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JD-BP38-250F型和JD-BP38-315F型高壓變頻調(diào)速器勝出。
3 鍋爐燃燒過程的變頻調(diào)速系統(tǒng)改造方案
經(jīng)變頻改造后新的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，一次風(fēng)機(jī)（315kW）、二次風(fēng)機(jī)（250kW）、供水水泵均采用單回路控制，風(fēng)機(jī)均采用恒壓變流量控制方式，水泵采用恒液位控制方式。風(fēng)機(jī)的控制回路均由壓力傳感器、壓力控制器、DCS及風(fēng)光高壓變頻器組成，水泵控制回路由液位傳感器、水位控制器、DCS及變頻器組成。
新的鍋爐燃燒控制系統(tǒng)只是將原系統(tǒng)的閥門開度控制信號(hào)經(jīng)DCS轉(zhuǎn)接到變頻器上，變頻器采用DCS控制。通過4-20mA模擬信號(hào)，根據(jù)爐膛負(fù)壓控制變頻器的輸出頻率，并由DCS輸出脈沖信號(hào)，控制變頻器的啟動(dòng)和停止。變頻器還可以向DCS反饋運(yùn)行、停止、準(zhǔn)備就緒、報(bào)警、故障、主電源電壓異常，變壓器超溫等信號(hào)，以及變頻器的電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速等模擬量信號(hào)。改造的工程量很小，但整體性能大幅提高。一是執(zhí)行機(jī)構(gòu)（包括變頻器、風(fēng)機(jī)、電機(jī)）的線性度得到改善；二是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的反應(yīng)速度也更加及時(shí)。這兩點(diǎn)都有利于控制精度的提高和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
考慮到原系統(tǒng)均全天運(yùn)行，為使系統(tǒng)可靠運(yùn)行，操作、維護(hù)方便。改造后一次風(fēng)機(jī)使用315kW變頻器控制，二次風(fēng)機(jī)使用250kW變頻器控制，正常運(yùn)行時(shí)采用變頻運(yùn)行，變頻故障時(shí)采用旁路工頻運(yùn)行。
根據(jù)用戶現(xiàn)場要求，此次兩臺(tái)變頻器均采用一拖一控制方案，采用手動(dòng)旁路控制，其一次電路如下圖2所示：
K0 用戶原高壓開關(guān)
K1、K2和K3 變頻器旁路開關(guān)柜高壓隔離開關(guān)
BPQ JD-BP38系列高壓變頻器
M 高壓電動(dòng)機(jī)
變頻器控制風(fēng)機(jī)為一拖一控制，旁路開關(guān)柜用于工/變頻切換。K1，K2和K3為三個(gè)高壓隔離開關(guān)，要求K2和K3不能同時(shí)閉合，在機(jī)械上實(shí)現(xiàn)互鎖的同時(shí)實(shí)現(xiàn)電磁互鎖。K3斷開，K1和K2閉合，風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行；K1和K2斷開，K3閉合，風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行。
另外，為了安全，變頻故障信號(hào)和上一級(jí)的高壓開關(guān)柜也實(shí)現(xiàn)互鎖，實(shí)現(xiàn)高壓故障連跳功能。
4 變頻器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
JD-BP38系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)見圖3，由移相變壓器、功率單元和控制器組成。變頻器共有24個(gè)功率單元，每8個(gè)功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相。
變頻器采用移相多脈沖整流變壓器，二次側(cè)所接各個(gè)單元產(chǎn)生的高次諧波電流在相位上產(chǎn)生偏移，因此在變壓器一次側(cè)互相抵消，將一次側(cè)到電網(wǎng)的電流諧波控制到最小。變頻器輸入電流諧波在不加任何濾波器的情況下也能滿足IEEE519國際標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際檢測值如圖4所示。
控制器核心由高速32位DSP和HMI協(xié)同運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)，精心設(shè)計(jì)的算法可以保證電機(jī)達(dá)到較優(yōu)的運(yùn)行性能。人機(jī)界面提供友好的全中文監(jiān)控和操作界面，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化控制。控制器用于柜體內(nèi)開關(guān)信號(hào)的邏輯處理，以及與現(xiàn)場各種操作信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)的協(xié)調(diào)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性。
每個(gè)功率單元結(jié)構(gòu)上完全一致，可以互換，為基本的交-直-交單相逆變電路，整流側(cè)為六支二極管實(shí)現(xiàn)三相全橋整流，通過對(duì)IGBT逆變橋進(jìn)行正弦PWM控制，開關(guān)器件采用1700V的IGBT。而低壓變頻技術(shù)目前已經(jīng)非常成熟，因此變頻單元的可靠性極高。
變頻器的相電壓輸出為8個(gè)單元串聯(lián)輸出，相電壓輸出17電平。每個(gè)單元的輸出都采用正弦波PWM波形調(diào)制，載波頻率為3kHz，輸出電流為正弦波，輸出電壓非常近似正弦波。相電壓的理論輸出電壓迭加波形如圖5所示。
另外，控制器與功率單元之間采用多通道光纖通訊技術(shù)，低壓部分和高壓部分完全可靠隔離，系統(tǒng)具有極高的安全性，同時(shí)具有很好的抗電磁干擾性能，并且各個(gè)功率單元的控制電源采用一個(gè)獨(dú)立于高壓系統(tǒng)的統(tǒng)一控制器，方便調(diào)試、維修、現(xiàn)場培訓(xùn)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。控制器有一套獨(dú)立于高壓電源的供電體系，在不加高壓的情況下，設(shè)備各點(diǎn)的波形與加高壓情況基本相似，在模擬調(diào)試情況下八單元串聯(lián)后輸出的線電壓如圖6所示。給整機(jī)可靠性、調(diào)試、培訓(xùn)帶來了很大方便。
5 風(fēng)光高壓變頻器的主要技術(shù)特點(diǎn)
（1）采用高速DSP（TMS320F2812）作為中央處理器，運(yùn)算速度更快，讓控制更精準(zhǔn)。系統(tǒng)升級(jí)更方便。
（2）飛車啟動(dòng)功能，能夠識(shí)別電機(jī)的速度并在電機(jī)不停轉(zhuǎn)的情況下直接起動(dòng)。
（3）瞬間掉電再啟動(dòng)功能，運(yùn)行過程中高壓瞬時(shí)掉電三秒鐘內(nèi)恢復(fù)，高壓變頻器不停機(jī)，高壓恢復(fù)后變頻自動(dòng)運(yùn)行到掉電前的頻率。
（4）線電壓自動(dòng)均衡技術(shù)（采用中性點(diǎn)漂移技術(shù)），變頻器某相有單元故障后，為了使線電壓平衡，傳統(tǒng)的處理方法是將另外兩相的電壓也降至與故障相相同的電壓，而線電壓自動(dòng)均衡技術(shù)通過調(diào)整相與相之間的夾角，在相電壓輸出較大且不相等的前提下保證較大的線電壓均衡輸出。
（5）單元內(nèi)電解電容因采取了公司專利技術(shù)（專利號(hào)ZL 2003 2 0107356.2 ），可以將其使用壽命提高一倍；高壓提升機(jī)產(chǎn)品采用了更長壽命的電力電容。
（6）單元串聯(lián)多重化結(jié)構(gòu)，模塊化設(shè)計(jì)。這樣IGBT承受電壓較低，可以有較寬的過壓范圍（≥1.15Ue），設(shè)備可靠性更高。
（7）具備突發(fā)相間短路保護(hù)功能。如果由于設(shè)備原因及其他原因造成輸出短路，此時(shí)如果變頻器不具備相間短路保護(hù)功能，將會(huì)導(dǎo)致重大事故。變頻器在發(fā)生類似問題時(shí)能夠立即封鎖變頻器輸出，保護(hù)設(shè)備不受損害，避免事故的發(fā)生。
（8）限流功能：當(dāng)變頻器輸出電流超過設(shè)定值，變頻器將自動(dòng)限制電流輸出，避免變頻器在加減速過程中或因負(fù)載突然變化而引起的過流保護(hù)，最大限度減少停機(jī)次數(shù)。
（9） 故障自復(fù)位功能：當(dāng)變頻器由于負(fù)載突變造成單元或是整機(jī)過電流保護(hù)時(shí)，可自動(dòng)復(fù)位，繼續(xù)運(yùn)行。
6 應(yīng)用高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)生的效果
青島恒源熱電有限公司75t/h循環(huán)硫化床鍋爐送風(fēng)機(jī)系統(tǒng)變頻改造中，選用型號(hào)JD-BP38-315F和JD-BP38-250F風(fēng)光高壓變頻器，于2009年11月1日一次性投運(yùn)成功，至今運(yùn)行正常。變頻運(yùn)行后，風(fēng)門全部打開，運(yùn)行頻率在30-40Hz，不僅完全滿熱電廠生產(chǎn)工藝要求，而且用戶操作非常方便。變頻器運(yùn)行非常穩(wěn)定，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。
⑴節(jié)能效果明顯。
（注：年運(yùn)行時(shí)間按8個(gè)月計(jì)算，電費(fèi)為：0.5元/kW·h）
⑵變頻改造后，實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟啟動(dòng)，啟動(dòng)電流小于額定電流值，啟動(dòng)更平滑，延長電機(jī)和風(fēng)機(jī)的使用壽命。
⑶改善了工藝。投入變頻器后風(fēng)機(jī)可以非常平滑穩(wěn)定的調(diào)整風(fēng)量，運(yùn)行人員可以自如的調(diào)控，風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)得到了改善，提高了效率。
⑷減少閥門機(jī)械和風(fēng)機(jī)葉輪的磨損。安裝變頻調(diào)速后，風(fēng)機(jī)經(jīng)常工作在比原來定速時(shí)低，大大減少了風(fēng)機(jī)葉輪的磨損，減少了風(fēng)機(jī)振動(dòng)。延長風(fēng)機(jī)的大修周期，節(jié)省檢修費(fèi)用和時(shí)間。
⑸功率因數(shù)由原來的0.8左右提高到0.95以上，不僅省去了功率因數(shù)補(bǔ)償裝置，而且減少了線路損耗。
7 結(jié)語
在青島恒源熱電有限公司75t/h循環(huán)硫化床鍋爐一次風(fēng)機(jī)、二次風(fēng)機(jī)采用高壓變頻器改造后，不但改善了鍋爐的運(yùn)行狀況，增強(qiáng)了運(yùn)行的安全可靠性，操作方便，而且有明顯的節(jié)能效果。取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
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