產品與解決方案/PRODUCT AND SOLUTIONS
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解決方案
高壓變頻器在電廠引風機節能改造中的應用
1 引言
廣西信發鋁電有限公司電廠有3臺155MW發電機組（汽機），4臺520t/h 鍋爐，作用有兩個：一個是發電供生產需要，另一個是供給氧化鋁廠所需蒸汽。每臺鍋爐配備兩臺離心式引風機，拖動電機選用YKK630-4型電動機，額定功率：2000kW，額定電壓：6kV，額定電流：226A，功率因素：0.89，額定轉速：1490r/min，靠改變風機風門的開度來調節風量。采用液力耦合器調速，其缺點表現在：風機的效率低，損耗大，尤其低速運行時，效率更低。由于液耦經常出現故障，所以長期基本處于恒速狀態。
電廠的發電負荷根據用電和用汽要求，通常在額定負荷的50%～100%之間進行調整、變化。發電機輸出功率的變化，鍋爐系統相關設備也要隨著負荷的變化作相應的調整。鍋爐的送風量、引風量相應變化，引風機出力調整采用通過改變風機風門的開度來調節。節流損失大，特別是在低負荷運行時，電動機輸出功率大量的能源消耗在擋板上，節流損失更大。異步電動機在啟動時啟動電流一般達到電動機額定電流的5～8倍，對電動機、動力電纜造成較大沖擊，對廠用電系統穩定運行也有一定的影響，同時強大的沖擊轉矩和沖擊電流，縮短了電動機和風機機械的使用壽命。通過大量應用表明，應用高壓變頻調速裝置來改變電機轉速，滿足不同負載的工藝要求，是解決以上矛盾的有效手段。
為了降低廠用電率，減少機組運行成本，公司電廠領導決定在3#、4#發電機組4臺引風機上采用山東新風光電子科技發展有限公司生產的4套2000kW/6kV高壓變頻器對3#、4#發電機組引風機分別進行改造。
2變頻調速節能原理
在交流調速中，交流電機的調速公式N=60f1（1-s）/p，而電機功率P′=P（N′/N）？，當電機頻率下降時，電機的轉速成比例減小，流量按（2）式比例減小，功率按（1）式大大降低，從而達到節能的目的。
其減少的功耗 △P=P0〔1-（N1/N0）？〕（1）式
減少的流量 △Q=Q0〔1-（N1/N0）〕（2）式
其中N1為改變后的轉速，N0為電機原來的轉速，P0為原電機轉速下的電機消耗功率，Q0為原電機轉速下所產生的流量。
由上式可以看出，流量與轉速成正比，壓力與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的三次方成正比，當風機轉速降低后，其軸功率隨轉速的三次方降低，驅動風機的電動機所需的電功率亦可相應降低，而當風機轉速發生變化時，其運行效率變化不大，所以調速是風機節能的重要途徑。采用變頻調速后可以實現對引風機電動機轉速的線性調節，通過改變電動機轉速使爐膛負壓、鍋爐氧量等指標與因風機風量維持一定的關系。
由于目前引風機風量調節方式不能很好地滿足鍋爐燃燒能力及穩定性運行需要，所以有必要對引風機進行節能和調節性能改造，來滿足機組整體調節性能的需要。變頻調速裝置可以優化電動機的運行狀態，大大提高風機運行效率，達到節能目的。
3 風光JD-BP37系列高壓變頻系統技術參數
山東新風光電子公司生產的風光牌JD-BP37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。
JD-BP37-2000F高壓變頻器技術參數如表1所示。
4 引風機變頻改造控制方案
4.1方案介紹
變頻調速系統本體操作方面，采用DCS控制和RS485監控，提高了系統的安全性能。通過目前電廠已有的DCS對高壓變頻器運行狀態進行控制，通過RS485通訊對高壓變頻器運行參數進行多地監控。
在鍋爐引風機控制系統中，變頻運行方式分為手動控制及爐膛負壓PID調節自動控制兩種。正常情況下，甲、乙變頻引風機同時投入運轉，引風控制系統將引風機風門開度為全開，由PID調節器通過控制引風機轉速穩定爐膛負壓。
當單臺變頻器故障跳閘時，系統聯跳變頻器上口的高壓開關，由引風機原有的連鎖動作邏輯實現單側引風機掉閘，鍋爐聯跳單側送風機，實現機爐自動降負荷的控制邏輯。爐膛負壓自動調節系統自動提高另一臺引風機的轉速，通過送風機的前饋信號延時關閉跳閘引風機的出口擋板，從而減小單臺引風機掉閘對爐膛負壓值產生的擾動影響。系統單側引風機跳閘后，為滿足系統的快速響應特性，爐膛負壓自動調節系統自動調整PID控制參數，從而提高單臺引風機的響應速度，保證機爐在變負荷運行時的控制品質。
4.2現場有關信號對接
山東新風光電子科技發展有限公司的高壓變頻器的控制部分由DSP、人機界面和PLC共同構成。DSP實現PWM控制和功率單元的保護。人機界面提供友好的全中文監控界面，同時可以實現遠程監控和網絡化控制。內置PLC用于柜體內開關信號的邏輯處理，可以和用戶現場靈活接口，滿足用戶的特殊需要。該高壓變頻器使用西門子S7-200系列PLC，具有較好的與DCS系統接口能力，根據風機的特性運行要求以及高壓變頻器控制的具體要求采取了相應控制方案。DCS系統與高壓變頻器之間的信號總共有12個，其中開關量信號9個，模擬量信號有3個。具體信號如下。
變頻調速系統接入發電機組現有的DCS系統。變頻器需要提供給DCS的開關量輸出包括故障報警、就緒指示、運行指示、高壓合閘允許、聯跳高壓信號、引風機旁路開關合閘信號、變頻KM1合閘信號；DCS需要提供給變頻器的開關量包括：變頻啟動（干節點，閉合時有效）、變頻停止（干節點，閉合時有效）、變頻急停（干節點，閉合時有效）；DCS需要提供給變頻器的模擬量有：1路4～20mA的電流源輸出，用于引風機頻率給定，作為變頻器的轉速給定值；用于變頻器需要提供給DCS的模擬量有：2路4～20mA的電流源輸出，模擬輸出對應的物理量為輸出頻率和輸出電流。
5 變頻改造主回路介紹
廣西信發鋁電有限公司電廠3#、4#爐引風機采用4套JD-BP37-2000F（2000kW/6kV）高壓變頻調速系統進行調速控制，將原液力耦合器拆除，采用聯軸器直接連接電機與風機。引風機系統改造主回路如圖1所示。
3#、4#爐引風機改造前采用工頻運行，對4臺引風機增設變頻調速裝置，采用一拖一加手動/自動旁路的方式。將原引風機風門調節的運行方式改為由變頻調節風機風量的運行方式。當變頻器故障或檢修，可選擇自動或手動方式切換至工頻運行。當引風機變頻運行時在DCS界面上調節風機頻率去調整風機轉速，從而達到調節引風機風量的目的。
為了保證發電機組安全運行，引風機的動力系統方案旁路方案采用手動/自動控制方式。選擇手動控制方式時，如果引風機的動力系統方案為一拖一手動旁路，通過判斷，確認單側引風機跳閘的故障點是在變頻器本體，原有引風機動力系統沒有問題的情況下，可以將引風機手動恢復工頻運行方式，然后調整風門開度。通過爐膛負壓調節系統，實現甲乙引風機的風量平衡，從而達到一臺引風機變頻調速，另一臺引風機風門調整下兩種不同的控制對象，仍然能夠實現機爐的全負荷響應的控制要求。
在旁路自動狀態下，若變頻器出現故障且自動投入允許，系統將首先分斷變頻器高壓輸入、輸出開關，經過一定延時后，工頻旁路開關合閘，電機投入電網工頻運行。同時DCS邏輯將風量調節方式轉為工頻調節方式，此時運行人員參與調節，控制風量風壓正常，確保爐膛燃燒穩定。
變頻器維修完成，系統恢復變頻器運行時，可以關閉引風機出口擋板，依靠單臺變頻引風機帶鍋爐50%～70%的負荷，將引風機切換至變頻運行方式，依托變頻器提供的飛車啟動功能，在引風機沒有完全停止的情況下恢復設備運行，從而大大減少機組減負荷的時間。
主回路如圖1所示，控制具體介紹如下，旁路柜在變頻器進、出線端增加了兩個隔離刀閘，以便在變頻器退出而電機運行于旁路時，能安全地進行變頻器的故障處理或維護工作。
旁路柜主要配置：三個真空斷路器（QF1、QF2、QF3）和兩個刀閘隔離開關K1、K2。QF2與QF3實現電氣互鎖，當QF1、QF2閉合，QF3斷開時，電機變頻運行；當QF1、QF2斷開，QF3閉合時，電機工頻運行。另外，QF1閉合時，K1操作手柄被鎖死，不能操作；QF2閉合時，K2操作手柄被鎖死，不能操作。
電機工頻運行時，若需對變頻器進行故障處理或維護，切記在QF1、QF2分閘狀態下，將隔離刀閘K1和K2斷開。
合閘閉鎖：將變頻器“合閘允許”信號串聯于QF1、QF2合閘回路。在變頻器故障或不就緒時，真空斷路器QF1、QF2合閘不允許；在QF1、QF2合閘狀態下，若變頻器出現故障，則“合閘允許”斷開，QF1、QF2跳閘，分斷變頻器高壓輸入電源。
以變頻轉工頻自動旁路投入為例，介紹其過程：將變頻器“旁路投入”信號并聯于QF3合閘回路。變頻運行狀態下，若變頻器出現故障且自動投入允許，系統將首先分斷變頻器高壓輸入、輸出開關QF1和QF2，經過一定延時后，“旁路投入”閉合，即工頻旁路開關QF3合閘，電機投入電網工頻運行，并把旁路狀態信號發送給DCS。同時DCS邏輯自動將引風機轉為工頻相應風門調節方式。
如變頻器發生隱患，變頻器發送“變頻器報警”信號至DCS，此時變頻器繼續運行，檢修人員可到本地根據變頻器報警信號的信息排除隱患。
6 引風機變頻改造效果
6.1節能計算
引風機變頻改造工程于2012年1月一次成功投運，改造達到了預期目的。以下是3＃機組甲、乙引風機高壓變頻器運行后，對改造前2011年4月11日至17日與改造后2012年4月11日至17日機組生產數據進行比較，負荷基本相同，改造前后3#鍋爐運行統計數據如表2所示。
通過表2數據對比，從節電率分析，3＃機組在發電負荷相同情況時，3＃機組兩臺引風機工頻運行每天平均耗電量33 753kW·h，3＃機組兩臺引風機變頻運行每天平均耗電量21 279kW·h，節約電量12 474kW·h，節電率為36.96%。
兩臺引風機節電費用，按全年運行7200小時統計，使用兩臺高壓變頻調速引風機，與工頻調節相比較，經計算，全年可以節省3 742 200 kW·h。按發電成本電價0.25元/kW·h計算，3 742 200kW·h×0.25元/ kW·h =935 550元。3＃機組與4＃機組負荷基本一致，這樣算下來，3#、4#鍋爐四臺引風機一年共節省電費約180萬元。
6.2其他效果
（1）風機變頻改造后，電機實現了軟啟動，消除了對電網和負載的沖擊，避免產生操作過電壓而損傷電機絕緣，延長了電動機和風機的使用壽命。
（2）采用變頻調節，減少了擋板節流損失，且能均勻調速，滿足生產需要，節約大量的電能。
（3）低負荷下轉速降低，減少了機械部分的磨損和振動，延長了風機大修周期，從而節省了大量的檢修費用。
（4）具有控制精度高、抗干擾能力強、諧波含量小的特點，且有完善的保護功能，有利于電動機和風機的安全運行。
7結束語
風光JD-BP37系列高壓變頻器在廣西信發鋁電有限公司電廠3#、4#機組引風機的調速改造中應用是成功的。高壓變頻器的先進性、可靠性已得到許多工業應用的證實。在各行各業，對于許多高壓大功率的風機水泵設備推廣和采用高壓變頻調速技術，不僅可以取得相當顯著的節能效果，而且也得到國家產業政策的支持。
