產品與解決方案/PRODUCT AND SOLUTIONS
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解決方案
高壓變頻器在昆明鹽礦發電廠的應用
1 引言
我國火電廠尤其是老廠主要用電設備存在較嚴重的能源浪費現象，一般老廠自用電占發電量的9%~10%，其中送風又占自用電的10%，引風機占15%，給水泵占20%。而新建電廠自用電占發電量的6%左右，可見節能降耗的潛力是很大的。為此各火電廠都把挖潛節能降耗的工作提到議事日程，從技術改造著手，尋求節能降耗的途徑和辦法。變頻調速技術無疑是電廠風機水泵節能的重要途徑。
2高壓變頻節能原理
異步電動機的變頻調速是通過改變定子供電頻率f來改變同步轉速而實現調速的，在調速中從高速到低速都可以保持較小的轉差率，因而消耗轉差功率小，效率高，是異步電動機較為合理的調速方法。
由公式n＝60f/p（1-s）可以看出，若均勻地改變供電頻率f，即可平滑地改變電動機的同步轉速。異步電動機變頻調速具有調速范圍寬、平滑性較高、機械特性較硬的優點，目前，變頻調速已成為異步電動機較主要的調速方式，在很多領域都獲得了廣泛的應用。
高壓變頻調速具有如下顯著的優點：
（1）由負載檔板或閥門調節導致的大量節流損失，在變頻改造后不再有節流損失。
（2）網側功率因數明顯提高。
（3）可實現零轉速啟動，避免啟動沖擊電流，減輕了沖擊扭振。
（4）高壓變頻器本身損耗極小，整機效率在97％以上。
對離心式風機而言，流體力學有以下原理：輸出風量Q與轉速n成正比；輸出壓力H與轉速n的平方成正比；輸出軸功率P與轉速n的立方成正比；即：
Q1/Q2＝n1/n2，H1/H2＝（n1/n2）2，P1/P2＝（n1/n2）3
當風機風量需要改變時，如調節風門的開度，則會使大量電能白白消耗在閥門及管路系統阻力上。如采用變頻調速調節風量，可使軸功率隨流量的減小大幅度下降。變頻調速時，當風機低于額定轉速時，理論節電為：
E=〔1-（ n′/n）3〕×P×T （kW·h）
式中： n是額定轉速，n′是實際轉速，P是額定轉速時電機功率，T是工作時間。
可見，通過變頻對風機進行改造，不但節能，而且大大提高了設備運行性能。以上公式為變頻節能提供了充分的理論依據。
3風光公司高壓變頻調速系統技術特點
風光牌JD-BP38系列高壓變頻器以高速DSP為控制核心，采用無速度矢量控制技術、功率單元串聯多電平技術，屬高-高電壓源型變頻器，其諧波指標小于IEE519-1992的諧波國家標準，輸入功率因數高，輸出波形質量好，不必采用輸入諧波濾波器、功率因數補償裝置和輸出濾波器；不存在諧波引起的電機附加發熱和轉矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，可以使用普通的異步電機。具體來說，風光高壓變頻器除具有一般普通變頻器的性能外，還具有以下突出特點：
（1）采用高速DSP作為中央處理器，運算速度更快，控制更精準。
（2）飛車啟動功能。能夠識別電機的速度并在電機不停轉的情況下直接起動。
（3）完整的工頻/變頻自動互切技術。現在的高壓變頻調速系統一般設置工頻旁路切換柜，變頻器發生故障時能使高壓電機轉至工頻運行，旁路切換有手動旁路和自動旁路切換兩種型式，手動旁路需人工操作，適應于無備用裝置或不重要的運行工況，自動旁路可在變頻器發生故障后直接自動轉換至工頻運行。新風光公司提供的自動旁路切換柜，不僅可實現變頻故障情況下自動由變頻轉換至工頻運行狀態，還可實現在變頻檢修完畢后由工頻瞬間轉換至變頻運行的功能，整個轉換過程不會對用戶設備的運行造成任何影響。
（4）旋轉中再啟動功能。運行過程中高壓瞬時掉電3s內恢復，高壓變頻器不停機，高壓恢復后變頻自動運行到掉電前的頻率。
（5）線電壓自動均衡技術（星點漂移技術）。變頻器某相有單元故障后，為了使線電壓平衡，傳統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，而線電壓自動均衡技術通過調整相與相之間的夾角，在相電壓輸出最大且不相等的前提下保證最大的線電壓均衡輸出。
（6）單元直流電壓檢測：實時顯示檢測系統的直流電壓，從而實現輸出電壓的優化控制，降低諧波含量，保證輸出電壓的精度，提升系統控制性能，并可使保證運行維護人員實現對功率單元運行狀況的全面把握。
（7）單元內電解電容因采取了公司專利技術，可以將其使用壽命提高1倍。
（8） 散熱結構設計合理，單元串聯多重化并聯結構，IGBT承受的電壓較低，可以有較寬的過壓范圍（≥1.15Ue），設備可靠性更高。
（9） 具備突發相間短路保護功能。如果由于設備原因及其他原因造成輸出短路，此時如果變頻器不具備相間短路保護功能，將會導致重大事故。變頻器在發生類似問題時能夠立即封鎖變頻器輸出，保護設備不受損害，避免事故的發生。
（10） 限流功能：當變頻器輸出電流超過設定值，變頻器將自動限制電流輸出，避免變頻器在加減速過程中或因負載突然變化而引起的過流保護，最大限度減少停機次數。
（11） 故障自復位功能：當變頻器由于負載突變造成單元或是整機過電流保護時，可自動復位，繼續運行。
4 高壓變頻器在昆明鹽礦電廠的應用
昆明鹽礦1993年6月建成投產，是云南省較大的鹽及鹽化工原料生產基地，云南省第一家無磷環保型洗滌助劑生產企業。昆明鹽礦自備電廠45t鍋爐配用一臺送風機配用電機功率315kW/10kV，一臺引風機配用電機功率400kW/10kV。該廠近年來，機組壓負荷調峰和兩班制調速運行時間占機組運行小時數的60%，引、送風機長期處在節流運行。針對上述能源浪費的現象，該廠在2009年機組大修，對100MW機組的引、送風機采用山東新風光電子科技發展有限公司生產的高壓變頻器，進行變頻節能改造。
4.1高壓變頻器主回路控制方案
改造前：原系統10kV高壓開關柜至電機，電機與風機直接連接，通過風門擋板的開度來調節流量。
改造后：系統10kV高壓開關柜至風光高壓變頻器，風光高壓變頻器與電機相連，通過調節電機的轉速來調節流量，電機與風機間不用做任何改動，且變頻調節時風門檔板可全開。
根據現場要求，此次2臺變頻器采用一拖一手動旁路控制方案，其一次電路如圖1所示。
圖1旁路柜中，共有3個高壓隔離開關，為了確保不向變頻器輸出端反送電，K2與K3采用電磁互鎖操動機構，實現電磁互鎖。當K1、K3閉合，K2斷開時，電機變頻運行；當K1、K3斷開，K2閉合時，電機工頻運行，此時變頻器從高壓中隔離出來，便于檢修、維護和調試。
旁路柜必須與上級高壓斷路器DL連鎖， DL合閘時，絕對不允許操作旁路隔離開關與變頻輸出隔離開關，以防止出現拉弧現象，確保操作人員和設備的安全。
故障分閘：將變頻器“高壓分斷”信號與旁路柜“變頻投入”信號串聯后，并聯于高壓開關分閘回路。在變頻投入狀態下，當變頻器出現故障時，分斷變頻器高壓輸入；旁路投入狀態下，變頻器故障分閘無效。
保護：保持原有對電機的保護及其整定值不變。
4.2高壓變頻器控制邏輯
利用DCS控制系統的預留點，設計高壓變頻改造控制、運行監視系統，系統包括工、變頻的運行、停止命令按鈕；轉速調節按鈕；變頻器復位按鈕、緊急停止按鈕；變頻器運行電流、電機轉速顯示；高壓柜以及變頻合閘顯示；變頻器故障報警顯示。
DCS系統輸出 4~20mA電流信號控制JD-BP38高壓變頻調速系統的運行頻率， 來控制電機的運行轉速。JD-BP38高壓變頻調速系統反饋4~20mA電流信號指示JD-BP38高壓變頻調速系統的輸出頻率、輸出電流。JD-BP38高壓變頻調速系統同時接收DCS控制系統的啟動、停止、急停、復位控制信號，調整運行狀態。
當JD-BP38高壓變頻調速系統故障時，系統輸出故障停機和報警信息，用于提示用戶啟動故障處理措施，同時JD-BP38高壓變頻調速系統將信號發送給DCS，在DCS系統上顯示故障，以便于及時的排除故障。如果系統出現緊急情況，DCS監視人員立即點擊變頻器緊急停止按鈕，此時變頻器立即封鎖輸出，并及時跳開高壓斷路器開關。
為保證JD-BP38高壓變頻調速系統操作的安全性，需從改造電機的進線開關柜把斷路器的狀態信號接入JD-BP38高壓變頻調速系統。JD-BP38高壓變頻調速系統輸出的故障跳閘信號接入斷路器的分閘回路，連跳高壓信號接入安全回路，當出現嚴重故障時及時跳開斷路器，保護JD-BP38高壓變頻調速系統及電機。
如圖2所示，當所有開機條件都具備后，DCS發出變頻運行命令，變頻器內置PLC發出“合閘”信號至10kV高壓柜，高壓斷路器開關合閘，變頻器進行軟充電，5S后充電完成，變頻器處于就緒狀態，由DCS給出4~20mA信號控制變頻器頻率來改變電機轉速。
4.3高壓變頻器運行及試驗測試
改造后，對高壓變頻器進行模擬調試、空載調試、帶負荷調試都達到了設計要求。測試項目及結果是：
（1） 功率因數測試：引、送風電機功率因數均在0.97~0.99。
（2） 變頻器效率測試：兩臺變頻器效率均在97%~98%。
（3） 變頻器對公用電網的諧波影響測試：測試10kV電網系統總畸變率1.48%~1.84%，符合國家標準小于4%的規定，測試110kV、220kV電網系統總畸變率1.02%~1.42%，符合國家標準小于2%的規定。
（4） 用變頻和工頻啟動電流比較：變頻啟動電流小，電流平滑上升，工頻啟動電流則是額定電流的6~7倍，啟動時沖擊電流大，直接威脅電機安全運行和使用壽命縮短。
（5） 變頻器頻率范圍和精度測試：變頻器頻率調節的范圍0~50Hz，調節范圍寬、調節靈活，達到設計要求的±3%。
4.4變頻改造節能情況
2009年12月23日，變頻器正式投入運行，至今運行良好。變頻器使用方便，可靠穩定，維護量小。改造達到了預期目的。
（1）直接經濟效益分析
引風機、送風機長期在低負荷運行（60～100MW）時，電機頻率一般為30~47Hz范圍，并且長時間運行在40Hz左右，昆明鹽礦發電廠節能服務中心對風機正常運行時參數實際測量：測試結果為315kW/10kV節電率為38%，400 kW/10kV節電率為40%。
根據上面的測試結果，一臺機組按照每年運行5500小時計算，
每臺機組每年可節約電量=引送風機容量×機組年運行小時數×變頻器平均節電率
=（315kW×38%+400kW×40%）×5500h=1538350kW?h；
增加上網電價收入=年節約電量×上網電價=1538350kW?h×0.25元/kW?h=384587.5元；
年節約標煤量=年節約電量×供電煤耗=1538350kW?h×0.42kg/kW?h=646107kg；
年節約煤碳購置費用=年節約標煤量×標煤單價=646.107t×800元/t=516885.6元。
采用變頻調速的經濟效益是可觀的。
（2） 間接經濟效益分析
用變頻器啟動電機，對電機、電纜、開關等無沖擊電流（用工頻啟動時，啟動電流是電機額定電流的6~7倍，經常造成電機、電纜、開關損壞，機組被迫減負荷或停機）。設備隨生產工藝變負荷運行，大大降低了設備負荷率，延長了風機、電機等設備的使用壽命。減少設備維護費用和違約電量造成的經濟損失。這部分隱形的間接效益也是可觀的，每年節約50~100萬元左右。
5 結束語
隨著廠網分開，競價上網日趨激烈，如何降低發電成本，提高發電企業競價上網的競爭能力，加強內部管理，挖潛節能是電廠必須認真研究的一件大事，采用高壓變頻器對電廠高能耗用電設備如送風機、引風機、給水泵、循環水泵等進行技術改造，不僅能收到直接的降低廠用電、降低供電煤耗，增大上網電量帶來的直接經濟效益，而且設備乃至機組的安全可靠性提高，減少機組故障帶來的隱形經濟效益。高壓變頻器技術在發電廠有值得推廣應用的廣闊空間。
