產(chǎn)品與解決方案/PRODUCT AND SOLUTIONS
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解決方案
高壓變頻器在電廠引風(fēng)機(jī)節(jié)能改造中的應(yīng)用
1 引言
廣西信發(fā)鋁電有限公司電廠有3臺(tái)155MW發(fā)電機(jī)組（汽機(jī)），4臺(tái)520t/h 鍋爐，作用有兩個(gè)：一個(gè)是發(fā)電供生產(chǎn)需要，另一個(gè)是供給氧化鋁廠所需蒸汽。每臺(tái)鍋爐配備兩臺(tái)離心式引風(fēng)機(jī)，拖動(dòng)電機(jī)選用YKK630-4型電動(dòng)機(jī)，額定功率：2000kW，額定電壓：6kV，額定電流：226A，功率因素：0.89，額定轉(zhuǎn)速：1490r/min，靠改變風(fēng)機(jī)風(fēng)門(mén)的開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)量。采用液力耦合器調(diào)速，其缺點(diǎn)表現(xiàn)在：風(fēng)機(jī)的效率低，損耗大，尤其低速運(yùn)行時(shí)，效率更低。由于液耦經(jīng)常出現(xiàn)故障，所以長(zhǎng)期基本處于恒速狀態(tài)。
電廠的發(fā)電負(fù)荷根據(jù)用電和用汽要求，通常在額定負(fù)荷的50%～100%之間進(jìn)行調(diào)整、變化。發(fā)電機(jī)輸出功率的變化，鍋爐系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備也要隨著負(fù)荷的變化作相應(yīng)的調(diào)整。鍋爐的送風(fēng)量、引風(fēng)量相應(yīng)變化，引風(fēng)機(jī)出力調(diào)整采用通過(guò)改變風(fēng)機(jī)風(fēng)門(mén)的開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)。節(jié)流損失大，特別是在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)輸出功率大量的能源消耗在擋板上，節(jié)流損失更大。異步電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)電流一般達(dá)到電動(dòng)機(jī)額定電流的5～8倍，對(duì)電動(dòng)機(jī)、動(dòng)力電纜造成較大沖擊，對(duì)廠用電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行也有一定的影響，同時(shí)強(qiáng)大的沖擊轉(zhuǎn)矩和沖擊電流，縮短了電動(dòng)機(jī)和風(fēng)機(jī)機(jī)械的使用壽命。通過(guò)大量應(yīng)用表明，應(yīng)用高壓變頻調(diào)速裝置來(lái)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，滿(mǎn)足不同負(fù)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(jī)組運(yùn)行成本，公司電廠領(lǐng)導(dǎo)決定在3#、4#發(fā)電機(jī)組4臺(tái)引風(fēng)機(jī)上采用山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的4套2000kW/6kV高壓變頻器對(duì)3#、4#發(fā)電機(jī)組引風(fēng)機(jī)分別進(jìn)行改造。
2變頻調(diào)速節(jié)能原理
在交流調(diào)速中，交流電機(jī)的調(diào)速公式N=60f1（1-s）/p，而電機(jī)功率P′=P（N′/N）？，當(dāng)電機(jī)頻率下降時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)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(dá)到節(jié)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(zhuǎn)速，N0為電機(jī)原來(lái)的轉(zhuǎn)速，P0為原電機(jī)轉(zhuǎn)速下的電機(jī)消耗功率，Q0為原電機(jī)轉(zhuǎn)速下所產(chǎn)生的流量。
由上式可以看出，流量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低后，其軸功率隨轉(zhuǎn)速的三次方降低，驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)所需的電功率亦可相應(yīng)降低，而當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，其運(yùn)行效率變化不大，所以調(diào)速是風(fēng)機(jī)節(jié)能的重要途徑。采用變頻調(diào)速后可以實(shí)現(xiàn)對(duì)引風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的線(xiàn)性調(diào)節(jié)，通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速使?fàn)t膛負(fù)壓、鍋爐氧量等指標(biāo)與因風(fēng)機(jī)風(fēng)量維持一定的關(guān)系。
由于目前引風(fēng)機(jī)風(fēng)量調(diào)節(jié)方式不能很好地滿(mǎn)足鍋爐燃燒能力及穩(wěn)定性運(yùn)行需要，所以有必要對(duì)引風(fēng)機(jī)進(jìn)行節(jié)能和調(diào)節(jié)性能改造，來(lái)滿(mǎn)足機(jī)組整體調(diào)節(jié)性能的需要。變頻調(diào)速裝置可以?xún)?yōu)化電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，大大提高風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率，達(dá)到節(jié)能目的。
3 風(fēng)光JD-BP37系列高壓變頻系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)
山東新風(fēng)光電子公司生產(chǎn)的風(fēng)光牌JD-BP37系列高壓變頻器以高速DSP為控制核心，采用無(wú)速度矢量控制技術(shù)、功率單元串聯(lián)多電平技術(shù)，屬高-高電壓源型變頻器，其諧波指標(biāo)小于IEE519-1992的諧波國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，輸入功率因數(shù)高，輸出波形質(zhì)量好，不必采用輸入諧波濾波器、功率因數(shù)補(bǔ)償裝置和輸出濾波器；不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問(wèn)題，可以使用普通的異步電機(jī)。
JD-BP37-2000F高壓變頻器技術(shù)參數(shù)如表1所示。
4 引風(fēng)機(jī)變頻改造控制方案
4.1方案介紹
變頻調(diào)速系統(tǒng)本體操作方面，采用DCS控制和RS485監(jiān)控，提高了系統(tǒng)的安全性能。通過(guò)目前電廠已有的DCS對(duì)高壓變頻器運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制，通過(guò)RS485通訊對(duì)高壓變頻器運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行多地監(jiān)控。
在鍋爐引風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)中，變頻運(yùn)行方式分為手動(dòng)控制及爐膛負(fù)壓PID調(diào)節(jié)自動(dòng)控制兩種。正常情況下，甲、乙變頻引風(fēng)機(jī)同時(shí)投入運(yùn)轉(zhuǎn)，引風(fēng)控制系統(tǒng)將引風(fēng)機(jī)風(fēng)門(mén)開(kāi)度為全開(kāi)，由PID調(diào)節(jié)器通過(guò)控制引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定爐膛負(fù)壓。
當(dāng)單臺(tái)變頻器故障跳閘時(shí)，系統(tǒng)聯(lián)跳變頻器上口的高壓開(kāi)關(guān)，由引風(fēng)機(jī)原有的連鎖動(dòng)作邏輯實(shí)現(xiàn)單側(cè)引風(fēng)機(jī)掉閘，鍋爐聯(lián)跳單側(cè)送風(fēng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)機(jī)爐自動(dòng)降負(fù)荷的控制邏輯。爐膛負(fù)壓自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動(dòng)提高另一臺(tái)引風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過(guò)送風(fēng)機(jī)的前饋信號(hào)延時(shí)關(guān)閉跳閘引風(fēng)機(jī)的出口擋板，從而減小單臺(tái)引風(fēng)機(jī)掉閘對(duì)爐膛負(fù)壓值產(chǎn)生的擾動(dòng)影響。系統(tǒng)單側(cè)引風(fēng)機(jī)跳閘后，為滿(mǎn)足系統(tǒng)的快速響應(yīng)特性，爐膛負(fù)壓自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整PID控制參數(shù)，從而提高單臺(tái)引風(fēng)機(jī)的響應(yīng)速度，保證機(jī)爐在變負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的控制品質(zhì)。
4.2現(xiàn)場(chǎng)有關(guān)信號(hào)對(duì)接
山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司的高壓變頻器的控制部分由DSP、人機(jī)界面和PLC共同構(gòu)成。DSP實(shí)現(xiàn)PWM控制和功率單元的保護(hù)。人機(jī)界面提供友好的全中文監(jiān)控界面，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化控制。內(nèi)置PLC用于柜體內(nèi)開(kāi)關(guān)信號(hào)的邏輯處理，可以和用戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)靈活接口，滿(mǎn)足用戶(hù)的特殊需要。該高壓變頻器使用西門(mén)子S7-200系列PLC，具有較好的與DCS系統(tǒng)接口能力，根據(jù)風(fēng)機(jī)的特性運(yùn)行要求以及高壓變頻器控制的具體要求采取了相應(yīng)控制方案。DCS系統(tǒng)與高壓變頻器之間的信號(hào)總共有12個(gè)，其中開(kāi)關(guān)量信號(hào)9個(gè)，模擬量信號(hào)有3個(gè)。具體信號(hào)如下。
變頻調(diào)速系統(tǒng)接入發(fā)電機(jī)組現(xiàn)有的DCS系統(tǒng)。變頻器需要提供給DCS的開(kāi)關(guān)量輸出包括故障報(bào)警、就緒指示、運(yùn)行指示、高壓合閘允許、聯(lián)跳高壓信號(hào)、引風(fēng)機(jī)旁路開(kāi)關(guān)合閘信號(hào)、變頻KM1合閘信號(hào)；DCS需要提供給變頻器的開(kāi)關(guān)量包括：變頻啟動(dòng)（干節(jié)點(diǎn)，閉合時(shí)有效）、變頻停止（干節(jié)點(diǎn)，閉合時(shí)有效）、變頻急停（干節(jié)點(diǎn)，閉合時(shí)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(fēng)機(jī)頻率給定，作為變頻器的轉(zhuǎn)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(duì)應(yīng)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(fā)鋁電有限公司電廠3#、4#爐引風(fēng)機(jī)采用4套JD-BP37-2000F（2000kW/6kV）高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)速控制，將原液力耦合器拆除，采用聯(lián)軸器直接連接電機(jī)與風(fēng)機(jī)。引風(fēng)機(jī)系統(tǒng)改造主回路如圖1所示。
3#、4#爐引風(fēng)機(jī)改造前采用工頻運(yùn)行，對(duì)4臺(tái)引風(fēng)機(jī)增設(shè)變頻調(diào)速裝置，采用一拖一加手動(dòng)/自動(dòng)旁路的方式。將原引風(fēng)機(jī)風(fēng)門(mén)調(diào)節(jié)的運(yùn)行方式改為由變頻調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)風(fēng)量的運(yùn)行方式。當(dāng)變頻器故障或檢修，可選擇自動(dòng)或手動(dòng)方式切換至工頻運(yùn)行。當(dāng)引風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行時(shí)在DCS界面上調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)頻率去調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)風(fēng)量的目的。
為了保證發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行，引風(fēng)機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)方案旁路方案采用手動(dòng)/自動(dòng)控制方式。選擇手動(dòng)控制方式時(shí)，如果引風(fēng)機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)方案為一拖一手動(dòng)旁路，通過(guò)判斷，確認(rèn)單側(cè)引風(fēng)機(jī)跳閘的故障點(diǎn)是在變頻器本體，原有引風(fēng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)沒(méi)有問(wèn)題的情況下，可以將引風(fēng)機(jī)手動(dòng)恢復(fù)工頻運(yùn)行方式，然后調(diào)整風(fēng)門(mén)開(kāi)度。通過(guò)爐膛負(fù)壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)甲乙引風(fēng)機(jī)的風(fēng)量平衡，從而達(dá)到一臺(tái)引風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速，另一臺(tái)引風(fēng)機(jī)風(fēng)門(mén)調(diào)整下兩種不同的控制對(duì)象，仍然能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)爐的全負(fù)荷響應(yīng)的控制要求。
在旁路自動(dòng)狀態(tài)下，若變頻器出現(xiàn)故障且自動(dòng)投入允許，系統(tǒng)將首先分?jǐn)嘧冾l器高壓輸入、輸出開(kāi)關(guān)，經(jīng)過(guò)一定延時(shí)后，工頻旁路開(kāi)關(guān)合閘，電機(jī)投入電網(wǎng)工頻運(yùn)行。同時(shí)DCS邏輯將風(fēng)量調(diào)節(jié)方式轉(zhuǎn)為工頻調(diào)節(jié)方式，此時(shí)運(yùn)行人員參與調(diào)節(jié)，控制風(fēng)量風(fēng)壓正常，確保爐膛燃燒穩(wěn)定。
變頻器維修完成，系統(tǒng)恢復(fù)變頻器運(yùn)行時(shí)，可以關(guān)閉引風(fēng)機(jī)出口擋板，依靠單臺(tái)變頻引風(fēng)機(jī)帶鍋爐50%～70%的負(fù)荷，將引風(fēng)機(jī)切換至變頻運(yùn)行方式，依托變頻器提供的飛車(chē)啟動(dòng)功能，在引風(fēng)機(jī)沒(méi)有完全停止的情況下恢復(fù)設(shè)備運(yùn)行，從而大大減少機(jī)組減負(fù)荷的時(shí)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(jìn)、出線(xiàn)端增加了兩個(gè)隔離刀閘，以便在變頻器退出而電機(jī)運(yùn)行于旁路時(shí)，能安全地進(jìn)行變頻器的故障處理或維護(hù)工作。
旁路柜主要配置：三個(gè)真空斷路器（QF1、QF2、QF3）和兩個(gè)刀閘隔離開(kāi)關(guān)K1、K2。QF2與QF3實(shí)現(xiàn)電氣互鎖，當(dāng)QF1、QF2閉合，QF3斷開(kāi)時(shí)，電機(jī)變頻運(yùn)行；當(dāng)QF1、QF2斷開(kāi)，QF3閉合時(shí)，電機(jī)工頻運(yùn)行。另外，QF1閉合時(shí)，K1操作手柄被鎖死，不能操作；QF2閉合時(shí)，K2操作手柄被鎖死，不能操作。
電機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)，若需對(duì)變頻器進(jìn)行故障處理或維護(hù)，切記在QF1、QF2分閘狀態(tài)下，將隔離刀閘K1和K2斷開(kāi)。
合閘閉鎖：將變頻器“合閘允許”信號(hào)串聯(lián)于QF1、QF2合閘回路。在變頻器故障或不就緒時(shí)，真空斷路器QF1、QF2合閘不允許；在QF1、QF2合閘狀態(tài)下，若變頻器出現(xiàn)故障，則“合閘允許”斷開(kāi)，QF1、QF2跳閘，分?jǐn)嘧冾l器高壓輸入電源。
以變頻轉(zhuǎn)工頻自動(dòng)旁路投入為例，介紹其過(guò)程：將變頻器“旁路投入”信號(hào)并聯(lián)于QF3合閘回路。變頻運(yùn)行狀態(tài)下，若變頻器出現(xiàn)故障且自動(dòng)投入允許，系統(tǒng)將首先分?jǐn)嘧冾l器高壓輸入、輸出開(kāi)關(guān)QF1和QF2，經(jīng)過(guò)一定延時(shí)后，“旁路投入”閉合，即工頻旁路開(kāi)關(guān)QF3合閘，電機(jī)投入電網(wǎng)工頻運(yùn)行，并把旁路狀態(tài)信號(hào)發(fā)送給DCS。同時(shí)DCS邏輯自動(dòng)將引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)為工頻相應(yīng)風(fēng)門(mén)調(diào)節(jié)方式。
如變頻器發(fā)生隱患，變頻器發(fā)送“變頻器報(bào)警”信號(hào)至DCS，此時(shí)變頻器繼續(xù)運(yùn)行，檢修人員可到本地根據(jù)變頻器報(bào)警信號(hào)的信息排除隱患。
6 引風(fēng)機(jī)變頻改造效果
6.1節(jié)能計(jì)算
引風(fēng)機(jī)變頻改造工程于2012年1月一次成功投運(yùn)，改造達(dá)到了預(yù)期目的。以下是3＃機(jī)組甲、乙引風(fēng)機(jī)高壓變頻器運(yùn)行后，對(duì)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(jī)組生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，負(fù)荷基本相同，改造前后3#鍋爐運(yùn)行統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表2所示。
通過(guò)表2數(shù)據(jù)對(duì)比，從節(jié)電率分析，3＃機(jī)組在發(fā)電負(fù)荷相同情況時(shí)，3＃機(jī)組兩臺(tái)引風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行每天平均耗電量33 753kW·h，3＃機(jī)組兩臺(tái)引風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行每天平均耗電量21 279kW·h，節(jié)約電量12 474kW·h，節(jié)電率為36.96%。
兩臺(tái)引風(fēng)機(jī)節(jié)電費(fèi)用，按全年運(yùn)行7200小時(shí)統(tǒng)計(jì)，使用兩臺(tái)高壓變頻調(diào)速引風(fēng)機(jī)，與工頻調(diào)節(jié)相比較，經(jīng)計(jì)算，全年可以節(jié)省3 742 200 kW·h。按發(fā)電成本電價(jià)0.25元/kW·h計(jì)算，3 742 200kW·h×0.25元/ kW·h =935 550元。3＃機(jī)組與4＃機(jī)組負(fù)荷基本一致，這樣算下來(lái)，3#、4#鍋爐四臺(tái)引風(fēng)機(jī)一年共節(jié)省電費(fèi)約180萬(wàn)元。
6.2其他效果
（1）風(fēng)機(jī)變頻改造后，電機(jī)實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)，消除了對(duì)電網(wǎng)和負(fù)載的沖擊，避免產(chǎn)生操作過(guò)電壓而損傷電機(jī)絕緣，延長(zhǎng)了電動(dòng)機(jī)和風(fēng)機(jī)的使用壽命。
?。?）采用變頻調(diào)節(jié)，減少了擋板節(jié)流損失，且能均勻調(diào)速，滿(mǎn)足生產(chǎn)需要，節(jié)約大量的電能。
?。?）低負(fù)荷下轉(zhuǎn)速降低，減少了機(jī)械部分的磨損和振動(dòng)，延長(zhǎng)了風(fēng)機(jī)大修周期，從而節(jié)省了大量的檢修費(fèi)用。
?。?）具有控制精度高、抗干擾能力強(qiáng)、諧波含量小的特點(diǎn)，且有完善的保護(hù)功能，有利于電動(dòng)機(jī)和風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行。
7結(jié)束語(yǔ)
風(fēng)光JD-BP37系列高壓變頻器在廣西信發(fā)鋁電有限公司電廠3#、4#機(jī)組引風(fēng)機(jī)的調(diào)速改造中應(yīng)用是成功的。高壓變頻器的先進(jìn)性、可靠性已得到許多工業(yè)應(yīng)用的證實(shí)。在各行各業(yè)，對(duì)于許多高壓大功率的風(fēng)機(jī)水泵設(shè)備推廣和采用高壓變頻調(diào)速技術(shù)，不僅可以取得相當(dāng)顯著的節(jié)能效果，而且也得到國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策的支持。
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