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艾帕高壓變頻器在火電廠輔機(jī)的應(yīng)用

時(shí)間:2007-07-11 16:31:00來(lái)源:hanjuan

導(dǎo)語(yǔ):?本文主要論述火電廠的風(fēng)機(jī),水泵等設(shè)備采用高壓變頻調(diào)速的必要性、可行性、經(jīng)濟(jì)性和實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)
一、 概述 長(zhǎng)期以來(lái),我國(guó)政府對(duì)節(jié)能工作十分重視,我國(guó)能源節(jié)約與資源綜合利用“十五”規(guī)劃提出高壓大功率變頻調(diào)速作為重點(diǎn)發(fā)展的節(jié)電技術(shù)之一,要求大力推動(dòng)高壓大功率變頻調(diào)速示范工程。 在工業(yè)領(lǐng)域,火力發(fā)電廠的節(jié)能是非常重要的一部分。目前,在我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)中,火電約占74%(發(fā)電量占80%)。因此,如何提高和改進(jìn)火電機(jī)組及其輔助設(shè)備的節(jié)能工作十分重要。我國(guó)的電力設(shè)備中,大容量,高參數(shù)的火電機(jī)組所占的比重小,整個(gè)火電發(fā)電能耗高。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)火電廠供電煤耗在400-420 克/千瓦時(shí),比國(guó)外先進(jìn)國(guó)家高80-90克/千瓦時(shí)。火電廠的水耗也比較高,一般二次循環(huán)水的電廠,每百萬(wàn)千瓦耗水為1 立方米/秒,而國(guó)外先進(jìn)水平只有0.6-0.7 立方米/秒。此外,火電廠的送風(fēng)機(jī),引風(fēng)機(jī),給水泵,循環(huán)水泵,凝升泵,灰漿泵等設(shè)備由于種種原因造成大馬拉小車現(xiàn)象嚴(yán)重。而且發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)必須跟隨電網(wǎng)負(fù)荷需求的變化而不斷調(diào)節(jié)。因此,需要相應(yīng)地調(diào)節(jié)上述輔助設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),比如利用變頻調(diào)速技術(shù)改變?cè)O(shè)備的運(yùn)行速度,以調(diào)節(jié)給水量,給風(fēng)量的大小,可以既滿足生產(chǎn)要求,又達(dá)到節(jié)約電能,同時(shí)減少因調(diào)節(jié)擋板閥門(mén)而造成擋板閥門(mén)和管道的磨損及經(jīng)常停機(jī)檢修所造成的經(jīng)濟(jì)損失。因此,在火電廠的主要輔助設(shè)備上推廣采用變頻調(diào)速技術(shù),能提高火電廠運(yùn)行和供電的可靠性,節(jié)約大量能源,為火電廠帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。 火電廠廠用電設(shè)備主要包括:鍋爐送引風(fēng)機(jī)、鍋爐給水泵、循環(huán)水泵、磨煤機(jī)等四大輔機(jī)和其它的廠用電設(shè)備。發(fā)電能源、系統(tǒng)構(gòu)成和機(jī)組配置不同,造成廠用電率的差異。一般機(jī)組容量大,機(jī)組參數(shù)高則廠用電率低。風(fēng)機(jī)和水泵是發(fā)電廠中耗電量最多的設(shè)備,在火電廠中,風(fēng)機(jī)和水泵的耗電量約占廠用電量的65%左右。對(duì)廠用風(fēng)機(jī)、水泵等設(shè)備進(jìn)行變頻調(diào)速,可以顯著降低廠用電率。根據(jù)具體情況,風(fēng)機(jī)、水泵采用變頻調(diào)速后,節(jié)電率在30%-50%范圍內(nèi),通常1 年半到2 年左右內(nèi)可收回變頻器的設(shè)備投資。 二、 傳統(tǒng)擋板閥門(mén)調(diào)節(jié)存在的問(wèn)題 風(fēng)機(jī)水泵傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)方式是調(diào)節(jié)入口或出口的擋板閥門(mén)開(kāi)度,以此來(lái)調(diào)節(jié)流量和壓力,是一種經(jīng)濟(jì)效益差、能耗大、設(shè)備損壞嚴(yán)重、維修難度大、運(yùn)行費(fèi)用高的落后辦法。 主要存在以下問(wèn)題: 1.采用擋板閥門(mén)調(diào)節(jié)時(shí),大量的能量損耗在擋板閥門(mén)的截流過(guò)程中。對(duì)風(fēng)機(jī),水泵而言,最有效的節(jié)能措施是采用調(diào)速來(lái)調(diào)節(jié)流量。由于風(fēng)機(jī)水泵大都為平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載,軸功率則與轉(zhuǎn)速大致成立方關(guān)系,所以當(dāng)風(fēng)機(jī)水泵轉(zhuǎn)速下降時(shí),消耗的功率大大下降。圖1 表示了風(fēng)機(jī)采用各種調(diào)節(jié)方法時(shí)消耗功率與風(fēng)量關(guān)系曲線。其中曲線1 為輸出端風(fēng)門(mén)控制時(shí)電機(jī)消耗的功率,2 為輸入端風(fēng)門(mén)控制時(shí)電機(jī)消耗的功率,3 為轉(zhuǎn)差調(diào)速控制(采用滑差電機(jī),液力耦合器)時(shí)電動(dòng)機(jī)消耗的功率,4 為變頻調(diào)速控制時(shí)電動(dòng)機(jī)消耗的功率,最下面一條曲線為調(diào)速控制時(shí)風(fēng)機(jī)實(shí)際所需軸功率(即電機(jī)軸輸出功率)??梢?jiàn),在眾多的調(diào)節(jié)方式中,節(jié)能效果最好的是變頻調(diào)速。 2.介質(zhì)對(duì)擋板閥門(mén)和管道沖擊較大,設(shè)備損壞嚴(yán)重。 3.擋板閥門(mén)動(dòng)作遲緩,手動(dòng)時(shí)人員不易操作,而且操作不當(dāng)會(huì)造成風(fēng)機(jī)震動(dòng)。擋板閥門(mén)執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般為大力矩的電動(dòng)執(zhí)行器,故障較多,不能適應(yīng)長(zhǎng)期頻繁調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)線性度差,構(gòu)成閉環(huán)自動(dòng)控制較難,且動(dòng)態(tài)性能不理想。 4.異步電動(dòng)機(jī)在直接起動(dòng)時(shí)起動(dòng)電流一般達(dá)到電機(jī)額定電流的6-8 倍,對(duì)電網(wǎng)沖擊較大,也會(huì)引起電機(jī)發(fā)熱,強(qiáng)大的沖擊轉(zhuǎn)矩對(duì)電機(jī)和風(fēng)機(jī)的機(jī)械壽命存在很多不利的影響。 過(guò)去也有電廠采用液力耦合器進(jìn)行調(diào)速。液力耦合裝置缺點(diǎn)是體積大、噪聲大、調(diào)速范圍窄、效率低、油系統(tǒng)維護(hù)復(fù)雜。
三、采用變頻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn) 1.變頻調(diào)速能節(jié)約原來(lái)?yè)p耗在擋板閥門(mén)截流過(guò)程中的大量能量,大大提高了經(jīng)濟(jì)效益。 2.采用變頻調(diào)速后,可實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng),對(duì)電網(wǎng)的沖擊和機(jī)械負(fù)載的沖擊都不存在了,同時(shí)延長(zhǎng)了電機(jī)和風(fēng)機(jī)水泵的壽命。同時(shí),采用變頻調(diào)速后,電機(jī)的無(wú)功功率通過(guò)變頻器直流環(huán)節(jié)的濾波電容進(jìn)行了瞬時(shí)補(bǔ)償,變頻器的輸入功率因數(shù)可大0.95 以上。相對(duì)電機(jī)直接工頻運(yùn)行而言,功率因數(shù)大大改善,對(duì)低速電機(jī)效果尤為明顯。實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速后,風(fēng)機(jī)和水泵經(jīng)常在額定轉(zhuǎn)速以下運(yùn)行,介質(zhì)對(duì)水泵葉輪,風(fēng)機(jī)風(fēng)扇的磨損,軸承的磨損,密封的損壞都大大降低。同時(shí),煙氣對(duì)煙道擋板的沖擊磨損大大降低,延長(zhǎng)了煙道擋板的檢 修周期,減少了維護(hù)工作量。電機(jī)運(yùn)行的振動(dòng)和噪聲也明顯降低。 3.采用變頻調(diào)速后,可以很方便地構(gòu)成閉環(huán)控制,進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)器輸出的4-20mA 信號(hào)輸?shù)阶冾l器(或通過(guò)通信接口進(jìn)行控制),通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速,可以平穩(wěn)地調(diào)節(jié)風(fēng)量,流量,且線形度較好,動(dòng)態(tài)響應(yīng)快,使機(jī)組在更經(jīng)濟(jì)的狀態(tài)下安全穩(wěn)定運(yùn)行。 三、 艾帕高壓變頻器原理及特點(diǎn) 上海艾帕電力電子有限公司的Innovert 系列高壓變頻器(單元串聯(lián)多電平PWM 電壓源型變頻器)是一種直接高壓輸出電壓源型變頻器。它采用若干個(gè)低壓PWM 變頻功率單元串聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)直接高壓輸出。該變頻器具有對(duì)電網(wǎng)諧波污染小,輸入功率因數(shù)高,不必采用輸入諧波濾波器和功率因數(shù)補(bǔ)償裝置。輸出波形質(zhì)量好,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du/dt,共模電壓等問(wèn)題,不必設(shè)置輸出濾波器,就可以使用普通的異步電機(jī)。 Innovert 系列采用無(wú)速度傳感器矢量控制技術(shù)(國(guó)內(nèi)首創(chuàng)),全數(shù)字控制,具有起動(dòng)力矩大,轉(zhuǎn)速精度高,抗電網(wǎng)波動(dòng)和負(fù)載擾動(dòng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)。其原理如圖2 所示(以3KV 高壓變頻器為例)。 [align=center] b)功率單元結(jié)構(gòu) 圖2 單元串聯(lián)多電平變頻器原理[/align] 電網(wǎng)電壓(如6KV)經(jīng)過(guò)副邊多重化的隔離變壓器降壓后給功率單元供電,功率單元為三相輸入,單相輸出的交直交PWM 電壓源型逆變器結(jié)構(gòu),相鄰功率單元的輸出端串接起來(lái),中心點(diǎn)相聯(lián),形成Y 接結(jié)構(gòu),另外三端實(shí)現(xiàn)變壓變頻的高壓輸出,供給電動(dòng)機(jī)。3KV輸出電壓等級(jí)變頻器每相由3 個(gè)額定電壓為690V 的功率單元串聯(lián)而成。改變每相功率單元的串聯(lián)個(gè)數(shù),就可實(shí)現(xiàn)不同電壓等級(jí)的高壓輸出。6KV 變頻器每相由5 個(gè)功率單元串聯(lián)而成,10KV 變頻器每相由8 個(gè)功率單元串聯(lián)而成。 每個(gè)功率單元分別由輸入變壓器的一組副邊繞組供電,功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣。二次繞組采用延邊三角形接法,實(shí)現(xiàn)多重化,以達(dá)到降低輸入諧波電流的目的。對(duì)于6KV 電壓等級(jí)變頻器而言,給15 個(gè)功率單元供電的15 個(gè)二次繞組每3 個(gè)一組,分為5 個(gè)不同的相位組,互差12º 電角度,形成30 脈沖的整流電路結(jié)構(gòu),輸入電流波形接近正弦波,總的諧波電流失真可達(dá)到1%左右,由于輸入電流諧波失真很低,而且采用二極管整流方式,變頻器輸入的綜合功率因數(shù)可達(dá)到0.95 以上。圖3 為該變頻器的輸入電壓電流波形。 逆變器輸出采用多電平移相式PWM 技術(shù),同一相的功率單元輸出相同幅值和相位的基波電壓,但串聯(lián)各單元的載波之間互相錯(cuò)開(kāi)一定電角度,實(shí)現(xiàn)多電平PWM,輸出電壓非常接近正弦波。輸出電壓每個(gè)電平臺(tái)階只有單元直流母線電壓大小,所以du/dt 很小。功率單元采用相對(duì)較低的開(kāi)關(guān)頻率,以降低開(kāi)關(guān)損耗,提高效率,變頻器額定效率可大98.5%,考慮輸入變壓器后的總體效率仍在97%以上。由于采用移相式PWM,電機(jī)電壓的等效開(kāi)關(guān)頻率大大提高,且輸出電平數(shù)增加,以6KV 輸出變頻器為例,輸出相電壓為11 電平,線電壓為21 電平,輸出等效開(kāi)關(guān)頻率為6KHZ,電平數(shù)和等效開(kāi)關(guān)頻率的增加有利于改善輸出波形,降低輸出諧波,由諧波引起的電機(jī)發(fā)熱,噪音和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)都大大降低,所以這種變頻器對(duì)電機(jī)沒(méi)有特殊要求,可直接用于普通異步電機(jī)。圖4 為此類變頻器的輸出電壓,電流波形。
與普通采用高壓器件直接串聯(lián)的電流源型變頻器及三電平電壓源型變頻器相比,由于采用功率單元串聯(lián),器件承受的最高電壓為單元內(nèi)直流母線的電壓,器件不必串聯(lián),不存在器件串聯(lián)引起的均壓?jiǎn)栴}。功率單元中采用常規(guī)IGBT 功率模塊,驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單,技術(shù)成熟可靠。 功率單元采用模塊化結(jié)構(gòu),同一變頻器內(nèi)的所有功率單元可以互換,維修也非常方便。由于采用功率單元串聯(lián)結(jié)構(gòu),所以可以采取功率單元旁路選件,當(dāng)功率單元故障時(shí),控制系統(tǒng)可以將故障單元自動(dòng)旁路,變頻器仍可降額繼續(xù)運(yùn)行,大大提高了系統(tǒng)的可靠性。 五、應(yīng)用實(shí)例 北方某電廠于2005 年10 月在200MW 機(jī)組鍋爐二臺(tái)1250KW/6KV 引風(fēng)機(jī)電機(jī)上采用上海艾帕電力電子有限公司生產(chǎn)的Innovert 系列高壓變頻調(diào)速裝置。到目前為止運(yùn)行良好,節(jié)能顯著。 鍋爐引風(fēng)機(jī)銘牌參數(shù):型號(hào)Y4-2X73-2 冷卻方式:水冷 風(fēng)量:723780 立米/小時(shí)風(fēng)壓:53779 Pa 葉輪直徑:2650mm 配用功率:1250KW引風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)參數(shù):型號(hào):YKK6304-8 額定功率:1250KW 頻率:50HZ 額定電壓:6000V 接線:Y 接法 額定電流:154A 轉(zhuǎn)速:743rpm 功率因數(shù):0.86 絕緣等級(jí):F防護(hù)等級(jí):IP44變頻器型號(hào):Innovert 6/6-140,額定電壓6KV,額定電流140A。用戶考慮到實(shí)際運(yùn)行負(fù)載電流不可能超過(guò)140A,為了降低投資,選擇變頻器額定電流140A。有關(guān)部門(mén)對(duì)節(jié)能效果進(jìn)行了測(cè)試考核。試驗(yàn)用雙功率表法測(cè)量有功功率,試驗(yàn)中每個(gè)工況穩(wěn)定運(yùn)行3 個(gè)小時(shí),試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。電廠在變頻器經(jīng)過(guò)一個(gè)月運(yùn)行后,將變頻改造前后的月耗電量進(jìn)行比較,見(jiàn)表2。月平均節(jié)電率達(dá)到35.93%,按照每年運(yùn)行5500 小時(shí),電價(jià)0.36 元/KWh 計(jì)算,年節(jié)電費(fèi)為47.3379/720*5500*0.36=130.2 萬(wàn)元。
安裝變頻器后,電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了軟起動(dòng),電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)牧惆凑赵O(shè)定的加速時(shí)間緩慢升速至運(yùn)行轉(zhuǎn)速,減少了沖擊力矩對(duì)電機(jī)和風(fēng)機(jī)的損害。安裝變頻器后,由于正常工作時(shí)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速比額定轉(zhuǎn)速低,當(dāng)機(jī)組負(fù)荷在200MW 時(shí),采用變頻器調(diào)速后,電機(jī)轉(zhuǎn)速比額定轉(zhuǎn)速低150rpm,大大減少了風(fēng)機(jī)葉輪的磨損。 六、采用變頻調(diào)速應(yīng)該注意的問(wèn)題 1.可靠性方面的考慮。電廠的性質(zhì)決定了用于電廠用的高壓變頻器需要有很高的可靠性,保證電廠的安全生產(chǎn)。Innovert 系列采用主流的功率單元串聯(lián)技術(shù)方案,而不是功率器件直接串聯(lián),避免了器件直接串聯(lián)帶來(lái)的均壓?jiǎn)栴},本質(zhì)上保證了系統(tǒng)的可靠性。同時(shí),產(chǎn)品特有的無(wú)速度傳感器矢量控制技術(shù)在提高起動(dòng)力矩和轉(zhuǎn)速精度的同時(shí),提高了抗電網(wǎng)波動(dòng)和負(fù)載擾動(dòng)能力,大大提高了可靠性。 2.變頻器輸入諧波對(duì)電力系統(tǒng)的影響。如果變頻器輸入電流諧波較大(比如傳統(tǒng)的電流源型變頻器),對(duì)火電廠的電力系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生如下危害:供電系統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)作,可能導(dǎo)致大面積停電。測(cè)量?jī)x器儀表誤差增大,影響計(jì)量精度和控制性能。影響其它電力電子裝置,電子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及通信設(shè)備的正常工作。諧波使電機(jī),變壓器和電容器等用電設(shè)備損耗增大,嚴(yán)重時(shí)會(huì)過(guò)熱或燒損。Innovert 系列高壓變頻器輸入電流諧波失真極小,對(duì)電網(wǎng)基本不產(chǎn)生諧波污染,滿足IEEE 滿足IEEE519-1992 和GB/T14549-93 標(biāo)準(zhǔn),中型火電廠自動(dòng)化水平高,大多數(shù)采用自動(dòng)化儀表和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),對(duì)用電系統(tǒng)的諧波要求很高,Innovert 變頻器在方面有很大的優(yōu)勢(shì)。 3.變頻器輸出波形對(duì)電機(jī)的影響。由于火電廠應(yīng)用變頻調(diào)速很大部分是舊有設(shè)備的改造,原有的普通電機(jī)是設(shè)計(jì)成為電網(wǎng)直接運(yùn)行的,而電網(wǎng)電壓波形基本為正弦波。如果變頻器輸出波形質(zhì)量不好的話,會(huì)對(duì)電機(jī)產(chǎn)生不良影響。變頻器輸出諧波會(huì)引起的電機(jī)附加 發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),噪音增加,輸出dv/dt 和共模電壓會(huì)影響電機(jī)的絕緣。Innovert 系列高壓變頻器由于輸出波形質(zhì)量好,不必設(shè)置輸出濾波器,就可以使用原有的普通異步電機(jī)。 七、結(jié)論 我國(guó)火電廠大多數(shù)為中、小型機(jī)組,數(shù)量多 ,單機(jī)容量小。不僅發(fā)電機(jī)組陳舊,其所屬的主要輔助設(shè)備也較落后,效率低,設(shè)備選型不當(dāng),大馬拉小車。風(fēng)機(jī)水泵的流量壓力調(diào)節(jié)方式基本為進(jìn)出口閘門(mén)的調(diào)節(jié),耗能大,經(jīng)濟(jì)效益差,設(shè)備損壞嚴(yán)重,急需采用先 進(jìn)的高壓變頻調(diào)速進(jìn)行技術(shù)改造,以降低火電廠的廠用電率,節(jié)約電能,提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。 火電廠輔機(jī)采用高壓變頻調(diào)速技術(shù),通過(guò)上海艾帕電力電子有限公司高壓變頻器的應(yīng)用實(shí)踐證明是必要的、可能的,且經(jīng)濟(jì)效益顯著。 Innovert 系列高壓變頻器可靠性高,輸入輸出波形質(zhì)量好,適合于火電廠輔機(jī)的變頻調(diào)速,能提高火電廠運(yùn)行和供電的可靠性,節(jié)約大量能源,為火電廠帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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