摘要：
高壓變頻器在國電烏斯太熱電廠引風機上的應用
The Application of High Voltage Inverter in lead Fan of WuSitai Thermal Power Plant

內蒙古國電能源投資有限公司烏斯太熱電廠    張寶瑞
山東新風光電子科技發(fā)展有限公司               徐長海  高昌起  郭金星
濟寧圣地電力設計院                                李利生
Zhang Baorui  Xu Changhai  Gao Changqi  Guo Jinxing  Li Lisheng

摘要：本文介紹了風光牌高壓變頻器在烏斯太熱電廠鍋爐引風變頻系統(tǒng)中的應用情況，闡述了變頻調速系統(tǒng)的實現(xiàn)機理、功能及特點，對節(jié)能效果進行了分析。從全新的角度，詮釋了高壓變頻調速系統(tǒng)與現(xiàn)場DCS系統(tǒng)的高效對接，增強了鍋爐引風系統(tǒng)的自動化性能。
關鍵詞：變頻調速系統(tǒng)  鍋爐引風系統(tǒng)  高壓變頻器  DCS

Abstract: The article introduces the application instances of FengGuang High Voltage Inverter in WuSitai Thermal Power Plant Boiler Air Systems，with a description of the Frequency Control System implementation mechanism、function and features，and the energy savings is analyzed.From a new perspective，interpretation of the high-voltage frequency control system and DCS systems in efficient docking site， and enhance the automation of the boiler air system performance quoted.
Key Words: Frequency control system   Boiler air system   High voltage inverter  DCS

1 引言
      內蒙古國電能源投資有限公司烏斯太熱電廠位于阿拉善左旗烏斯太經濟技術開發(fā)區(qū)內，在黃河、包蘭鐵路和110國道西側，距黃河直線距離約7公里處。該熱電廠I期供熱工程，總機組發(fā)電容量為2×300MW，于2008年10月26日一期兩臺300兆瓦空冷供熱發(fā)電工程1號機組一次并網成功。工程采用了空冷、煙氣脫硫、等離子點火、中水回收利用、靜電高效除塵等先進技術。該工程的建設不僅解決了當?shù)貒乐氐娜彪妴栴}，同時還可滿足700萬平方米用戶取暖。

2變頻改造項目工況介紹

      該熱電廠I期工程1#機組有兩臺引風機，風量調節(jié)為入口擋板調節(jié)方式。機組運行中，引風機的入口擋板開度最大不到85%左右。由于這樣的調節(jié)方法僅僅是改變通道的流通阻力，節(jié)流損失相當大，浪費了大量電能。其主要弊端主要表現(xiàn)為：
    （1）調節(jié)擋板前后壓差增加，工作安全特性變壞，壓力損失嚴重，造成能耗增加；
    （2）風機定速運行，擋板調整節(jié)流損失大，出口壓力高，系統(tǒng)效率低，造成能源的浪費；
    （3）風道壓力過高，威脅系統(tǒng)設備密封性能；
    （4）長期的40～70％擋板開度，加速擋板自身磨損，導致?lián)醢蹇刂铺匦宰儾睿?br />    （5）設備起動沖擊電流大，需增加配電設備容量而增加投資。
      為了解決上述問題，經過了大量的技術論證，內蒙古國電能源投資有限公司烏斯太熱電廠決定用高壓變頻器替代傳統(tǒng)的擋板調節(jié)風量、風壓的方法。風機的穩(wěn)定運轉對正常生產至關重要，對設備要求特別苛刻，因此在高壓變頻器的選用上非常謹慎。為了克服單臺引風機變頻改造造成的“搶風”現(xiàn)象發(fā)生，烏斯太熱電廠選用山東新風光電子科技發(fā)展有限公司生產的“風光牌”高壓變頻器對2臺引風機同時進行變頻改造。2臺電機和變頻器的技術參數(shù)如表1和表2：
表1 三相異步電機技術參數(shù)

型號

YKK710-8

額定電壓

6000V

額定功率

2000kW

額定頻率

50Hz

功率因數(shù)

0.85

接法

Y

額定電流

238A

額定轉速

745r/min

生產廠家

湘潭電機股份有限公司

表2 JD-BP37-2000F 高壓變頻器技術參數(shù)

3鍋爐引風機高壓變頻調速系統(tǒng)特點
      引風機調速是由電廠操作人員通過DCS系統(tǒng)的顯示器上的模擬操作器，參照煙氣溫度、鍋爐蒸汽溫度、負壓等參數(shù)，對DCS的輸出值進行調節(jié)，此輸出值為反饋給變頻器的4～20mA標準信號，對應不同的頻率（速度）給定值，變頻器通過比較轉速輸出量與DCS速度給定之間的大小，自動調節(jié)電機的轉速，實現(xiàn)風機轉速控制，從而達到調節(jié)的目的。
　　鍋爐引風機變頻系統(tǒng)具有如下特點：鍋爐引風機變頻系統(tǒng)，既可以變頻調速運行，也可以直接投工頻運行，同時增加可靠的閉鎖回路；為變頻器提供的交流220V控制電源掉電時，由于變頻器的控制電源和主電源沒有相位及同步要求，變頻器可以使用UPS繼續(xù)運行，不會停機；在現(xiàn)場DCS速度給定信號掉線時，變頻器提供報警的同時，可按原轉速繼續(xù)運行，維持機組的工況不變；變頻器配置單元旁路功能，在局部故障時，變頻器可將故障單元旁路，降額繼續(xù)運行，減少突然停機造成的損失；保留原電機繼續(xù)使用，不改變原有風機設備任何基礎；和電廠的DCS系統(tǒng)實現(xiàn)無縫連接。
4高壓變頻器技術要求及改造方案
4.1對變頻調速系統(tǒng)的主要要求
（1）要求變頻器要有高可靠性，長期運行無故障。
（2）要求變頻器有旁路功能，一旦出現(xiàn)故障，可使電機切換到工頻運行。
（3）調速范圍要大，效率要高。
（4）有共振點跳轉設置，能使電機避開共振點運行，讓風機不喘振。
4.2變頻改造方案
      改造前：原系統(tǒng)6kV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(jié)流量。
      改造后：系統(tǒng)6kV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(jié)電機的轉速來調節(jié)流量，如圖2所示，此時電機與風機間不用做任何改動，且變頻調節(jié)時風門檔板可全開。
根據現(xiàn)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2所示。

QF為用戶原高壓開關；
    k1、k2和k3為變頻器旁路開關柜高壓隔離開關；
    BPQ為風光JD-BP37系列高壓變頻器；
    M為高壓電動機。
    變頻器控制風機為一拖一控制，旁路開關柜用于工/變頻切換。k1，k2和k3為3個高壓隔離開關，要求k2和k3不能同時閉合，在機械上實現(xiàn)互鎖的同時實現(xiàn)電磁互鎖。k2斷開，k1和k3閉合，風機變頻運行；k1和k3斷開，k2閉合，風機工頻運行。
4.3 DCS系統(tǒng)改造方案

如圖3所示，利用DCS控制系統(tǒng)的預留點，設計高壓變頻改造控制、運行監(jiān)視系統(tǒng)，系統(tǒng)包括工、變頻的運行、停止命令按鈕；轉速調節(jié)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。

如圖4所示，DCS系統(tǒng)輸出 4－20mA電流信號控制JD-BP37高壓變頻調速系統(tǒng)的運行頻率， 來控制電機的運行轉速。JD-BP37高壓變頻調速系統(tǒng)反饋4-20mA電流信號指示JD-BP37高壓變頻調速系統(tǒng)的輸出頻率、輸出電流。JD-BP37高壓變頻調速系統(tǒng)同時接收DCS控制系統(tǒng)的啟動、停止、急停、復位控制信號，調整運行狀態(tài)。
當JD-BP37高壓變頻調速系統(tǒng)故障時，系統(tǒng)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-BP37高壓變頻調速系統(tǒng)將信號發(fā)送給DCS，在DCS系統(tǒng)上顯示故障，以便于及時的排除故障。如果系統(tǒng)出現(xiàn)緊急情況，DCS監(jiān)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，并及時跳開現(xiàn)場6kV小車開關。
為保證JD-BP37高壓變頻調速系統(tǒng)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(tài)信號接入JD-BP37高壓變頻調速系統(tǒng)。 JD-BP37高壓變頻調速系統(tǒng)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(xiàn)嚴重故障時及時跳開斷路器保護JD-BP37高壓變頻調速系統(tǒng)及電機。
如圖5所示，當所有開機條件都具備后，DCS發(fā)出變頻運行命令，變頻器內置PLC發(fā)出“合閘”信號至6kV高壓柜，現(xiàn)場6kV小車開關合閘，變頻器進行軟充電，5S后充電完成，變頻器處于就緒狀態(tài)，由DCS給出4-20mA信號控制變頻器頻率來改變電機轉速。
5 現(xiàn)場調試
5.1模擬試機
現(xiàn)場拆除電機與風機之間的連接軸。DCS給出開機信號，變頻器接收到開機信號后，變頻器送出合閘信號至高壓開關柜，高壓斷路器合閘，高壓開關柜送出高壓就緒信號至變頻器，變頻器就緒5S后開始起動，在DCS側調節(jié)變頻器的頻率，得到相應的電機轉速，變頻調速系統(tǒng)運行正常。
5.2速斷值的整定
變壓器應設電流速斷保護，它與瓦斯保護配合，可快速切除變壓器高壓側及其內部的各種故障，構成變壓器主保護。變壓器速斷保護的動作電流按下列條件整定：
（1）為了保護選擇性，速斷保護的動作電流，按躲過變壓器二次側母線短路時流過保護裝置的最大短路電流整定：
  
 試中， 為可靠性系數(shù)，對于DL型繼電器，取1.3-1.4，對于GL型繼電器，取1.5-1.6； 為最大運行方式下，變壓器二次側母線發(fā)生短路時，折算到一次側的次暫態(tài)電流。
（2）電流速斷保護的動作電流還應躲過變壓器空載投入時的勵磁涌流（通常取3-5倍的變壓器額定電流）

（3）取上述條件中的較大數(shù)值作為速斷保護的一次動作電流。
在調試過程中，首先按躲過5倍變壓器額定電流整定，在合閘過程中出現(xiàn)2次電流速斷跳閘；而按7倍變壓器額定電流整定后，多次合閘均未出現(xiàn)合閘時電流速斷跳閘情況。因此，高壓變頻器中移相變壓器的繼電保護速斷值應按下式整定：
 
   5.3 過流值的整定
因移相變壓器二次側只有連接線及功率單元，很難按電力變壓器整定原則中提到的方法整定。當功率單元出現(xiàn)故障時，應由變壓器內部保護進行排除。為防止變壓器低壓側出現(xiàn)故障時，主保護未發(fā)生作用，在高壓側設置如下過流保護定值：
 
它可以作為斷路器對變頻器系統(tǒng)保護的后備保護，整定后系統(tǒng)運行正常。
    本臺變頻器一次性投運成功，引風機變頻改造及時順利完成。
6節(jié)能效果 
6.1變頻啟動后的差動保護
    本系統(tǒng)主回路設有對電機有差動保護功能，在電機封星點處接入電流互感器檢查電機運行過程中的差動電流作為電機保護的一種后備保護。由于變頻器在啟動時頻率給定由0Hz到設定的頻率，在低頻啟動時交流磁場建立的初期會產生不平衡電流，將引起差動保護動作，隨著頻率的上升不平衡電流逐漸減小降低，這樣由于差動保護電流采集發(fā)生了變化導致差動回路不能正常運行，所以只能選擇在變頻運行時退出差動保護；所以在對電機要求有差動保護只能投到電機工頻運行中。在變頻方式工作時，此功能取消，通過對綜保的設置來實現(xiàn)，否則在變頻器啟動時引起差動保護跳閘動作。
6.2設備改造投運后在不同負荷下，對單臺引風機在工頻與變頻運行工況下進行了對比如下：
工頻運行時平均負荷在：
200MW時，每日用電量大約為19872kWh。占廠用電率0.42%
250MW時, 每日用電量大約為21924kWh。占廠用電率0.37%
300MW時，每日用電量大約為33048kWh。占廠用電率0.46%
變頻運行時平均負荷在：
200MW時，每日用電量大約為9612kWh。 占廠用電率0.2%
250MW時，每日用電量大約為18360kWh。占廠用電率0.31%
300MW時，每日用電量大約為30240kWh。占廠用電率0.42%
經過上述統(tǒng)計可看出，在相同負荷下，每日可節(jié)省電量：
200MW時，每日節(jié)電大約為10260kWh。  每小時節(jié)電427.5kWh。
250MW時，每日節(jié)電大約為3564kWh。   每小時節(jié)電148.5kWh。
300MW時，每日節(jié)電大約為2808kWh。   每小時節(jié)電117kWh。
       經上述分析可看出，在將引風機改為變頻運行時，電機耗電量在低負荷情況下最明顯，廠用電率大約可降低0.22%，在高負荷下每小時大約也可節(jié)約117kWh。在兩臺變頻設備同時投入運行后 ，效益更加可觀。
7結束語
      山東新風光電子科技發(fā)展有限公司型號為JD-BP37-2000F的高壓變頻器在烏斯太熱電廠運行4個月來，其性能穩(wěn)定、節(jié)能效果明顯，可以根據鍋爐的燃燒情況進行風量調節(jié)，大大提高鍋爐的穩(wěn)定性，并且節(jié)煤效果很好，提高了運行的經濟性。
      在鍋爐引送風的燃燒系統(tǒng)中應用高壓變頻器節(jié)能降耗，是國家大力提倡節(jié)能降耗政策不可缺少的技術手段。除此之外，變頻器對鍋爐的穩(wěn)定運行也起著決定性的作用。高壓變頻器越來越廣泛地應用在電力、冶金、石化、水泥、礦山等高壓電機驅動的各個行業(yè)。