摘要：內(nèi)蒙古京海煤矸石發(fā)電有限責(zé)任公司為了提高全廠經(jīng)濟指標和節(jié)能效益，積極響應(yīng)政府節(jié)能減排的號召，現(xiàn)對電廠運行設(shè)備中一次風(fēng)機、二次風(fēng)機進行變頻改造。本文通過合康水冷型高壓變頻器在京海煤矸石發(fā)電廠的一次風(fēng)機、二次風(fēng)機變頻節(jié)能改造的應(yīng)用，詳細介紹了風(fēng)機變頻節(jié)能改造的必要性與實施方法、注意事項及經(jīng)濟效果，為風(fēng)機變頻節(jié)能改造提出新思路。

關(guān)鍵詞：高壓變頻器，變頻改造，一次風(fēng)機，二次風(fēng)機，液耦

一、引言

內(nèi)蒙古京海煤矸石發(fā)電有限責(zé)任公司成立于2006年，是京蒙兩地合作的重點項目，也是京煤集團戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移的重要舉措。該公司項目規(guī)劃建設(shè)4×330MW循環(huán)流化床空冷機組，配套建設(shè)年產(chǎn)300萬噸水泥項目用于消耗電廠的粉煤灰和爐渣，承擔(dān)著烏海市主城區(qū)60%的供熱面積。京海電廠已于2011年正式進入商業(yè)運營期。

近年來，隨著電網(wǎng)容量不斷增加，用電峰谷差也逐步增大，需要機組調(diào)峰幅度也越來越增大，京海電廠現(xiàn)場運行設(shè)備中的一次風(fēng)機與二次風(fēng)機（配備有液力耦合器），在電機固定轉(zhuǎn)速下，隨著風(fēng)機輸出轉(zhuǎn)速的降低，效率也越來越低，導(dǎo)致風(fēng)機電耗一直居高不下。由于現(xiàn)場的風(fēng)機電機功率大，啟動時對整個電網(wǎng)壓降和沖擊很大，易造成電廠中的其他設(shè)備的正常使用，從而影響全廠經(jīng)濟指標和節(jié)能效益。因此，風(fēng)機節(jié)能改造成了京海電廠迫在眉睫的事情。

二、液耦調(diào)速與變頻調(diào)速的對比

1.1液耦調(diào)速方法

圖1液偶在不同轉(zhuǎn)速時對應(yīng)的效率。效率可低至35%

通過勺管控制泵輪渦輪工作腔中工作油的充盈度，但是在勺管調(diào)節(jié)的過程中，原動側(cè)即泵輪始終工作在全速狀態(tài)，其泵上來的工作油始終沒有變化。當勺管開度最大時，工作腔油充盈度最大，這時渦輪側(cè)受到工作油的傳導(dǎo)力也會最大，這時候液偶的傳導(dǎo)功率效率最高。當勺管開度逐漸減小時，勺管的開度控制著工作腔油的充盈度，所以工作腔油也隨之越來越少（剩余的油通過勺管回流到液偶油箱中），這樣泵輪傳導(dǎo)過去的效率越來越低，轉(zhuǎn)差率也越來越大，所以負載側(cè)轉(zhuǎn)速也隨之變化。但是勺管開到一定程度時，傳導(dǎo)效率越來越低，傳導(dǎo)力矩也越來越低，液偶渦輪側(cè)無法有足夠的力矩帶動負載，所以液偶開度需有一個最低值，低于最低值則液偶無法工作。

1.1.1液耦耗能分析

1）、在勺管調(diào)速過程中，將泵輪泵上來的油，通過勺管回流到了液偶油箱中。

2）、由于液偶工作腔中的工作油充盈度隨著勺管開度變化，始終無法完全充滿，導(dǎo)致泵輪與渦輪在力矩傳導(dǎo)過程中效率隨著勺管開度而降低。

3）、工作油在力矩傳導(dǎo)過程中勺管開度越低，工作油發(fā)熱量越大。

1.2變頻調(diào)速方法

在拖動系統(tǒng)中,用變頻器驅(qū)動電動機的目的就是實現(xiàn)調(diào)速,讓電動機按照希望的方式運轉(zhuǎn)。但不論系統(tǒng)是否采用調(diào)速,穩(wěn)定運行是必須的,即要求系統(tǒng)在受到擾動時有自動恢復(fù)的能力。系統(tǒng)的負載特性不能依靠改變外加電氣參數(shù)來改變,只能改變電動機自身的電氣參數(shù)來實現(xiàn)。由于電動機機械特性曲線是由電動機本身多個電氣參數(shù)決定的,通過改變這些電氣參數(shù),得到不同的人為機械特性,從而使新的人為機械特性曲線與負載特性曲線形成新的穩(wěn)定交點,實現(xiàn)穩(wěn)定速度調(diào)節(jié)。實現(xiàn)變頻的方式主要有2種,即交-交變頻和交-直-交變頻。本項目采用交-直-交變頻。

1.2.1變頻改造節(jié)能點

1）、替換液耦調(diào)速方式，風(fēng)機的速度直接由變頻器調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速來完成。省去原液偶的傳動效率，減少中間損耗。

2）、直接通過調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)調(diào)節(jié)風(fēng)量的目的，降低風(fēng)機的軸功率。

3）、間接好處：減去液偶維護維修量，減少該部分支出。

1.2.2變頻調(diào)速優(yōu)勢

1）、降低了廠用電能耗：降低將近0.5%的廠用電能耗。

2）、變頻器調(diào)節(jié)頻率精度為0.01HZ，對電機可實現(xiàn)更精確的轉(zhuǎn)速控制，可實現(xiàn)1轉(zhuǎn)以內(nèi)的精準控制。提高自動化水平，同時也提高電廠發(fā)電工藝。

3）、啟動沖擊少，只有額定電流0.5倍左右（工頻啟動電流是額定電流的6-7倍），對電網(wǎng)零沖擊。

4）、電機為軟啟動，對電機機械部分以及線苞無沖擊，可實現(xiàn)頻繁啟動。

三、京海煤矸石發(fā)電廠工程概況

2.1現(xiàn)場設(shè)備參數(shù)表

京海煤矸石發(fā)電廠運行的設(shè)備中一次風(fēng)機有4臺，二次風(fēng)機有4臺，均為液偶調(diào)速。具體參數(shù)如下：

2.2一次風(fēng)機、二次風(fēng)機高壓變頻器主回路方案

圖2一次風(fēng)機、二次風(fēng)機高壓變頻器主回路原理圖

此系統(tǒng)由高壓開關(guān)柜、自動旁路柜、高壓變頻器、高壓電機組成。

旁路柜主要配置：三個真空接觸器（KM1、KM2、KM3）和兩個隔離開關(guān)QS1、QS2（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）。KM2與KM3實現(xiàn)電氣互鎖，當KM1、KM2閉合，KM3斷開時，電機變頻運行；當KM1、KM2斷開，KM3閉合時，電機工頻運行。另外，KM1閉合時，QS1操作手柄被鎖死，不能操作；KM2閉合時，QS2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KM1、KM2分閘狀態(tài)下，將隔離刀閘QS1和QS2斷開。

1)合閘閉鎖：將變頻器“合閘允許”信號串聯(lián)于KM1、KM2合閘回路。在變頻器故障或不就緒時，真空接觸器KM1、KM2合閘不允許；在KM1、KM2合閘狀態(tài)下，若變頻器出現(xiàn)故障，則“合閘允許”斷開，KM1、KM2跳閘，分斷變頻器高壓輸入電源。

2)旁路投入：將變頻器“旁路自動投入”信號并聯(lián)于KM3合閘回路。變頻運行狀態(tài)下，若變頻器出現(xiàn)故障且自動投入允許，系統(tǒng)將首先分斷變頻器高壓輸入、輸出開關(guān)KM1和KM2，經(jīng)過一定延時后，“旁路自動投入”信號閉合，即工頻旁路開關(guān)KM3合閘，電機投入電網(wǎng)工頻運行。

3)保護：保持原有對電機的保護及其整定值不變。

2.3現(xiàn)場施工方案

將現(xiàn)場風(fēng)機原有的液耦調(diào)速更改為電機直驅(qū)。即拆除液偶，將一次風(fēng)機、二次風(fēng)電機基礎(chǔ)前移至液偶位置，在液偶基礎(chǔ)上加固以固定電機，拆除液偶外置工作油泵、潤滑油泵。每臺電機新增加稀油站。

2.3.1變頻外部冷卻系統(tǒng)（二次換熱站）

因現(xiàn)場開式水的水質(zhì)（主要是懸浮物）非常不好，為了保證水冷變頻器外水冷卻水的長期穩(wěn)定，不會造成水冷設(shè)備內(nèi)部換熱裝置堵塞，同時減少維護工作量，利用現(xiàn)原有的液偶的工作油和潤滑油的板式換熱器做了一個二次換熱系統(tǒng)。系統(tǒng)中板式換熱器冷卻側(cè)水源為現(xiàn)場開式水，換熱側(cè)為變頻器的冷卻水，變頻器的冷卻水作為一個閉式循環(huán)系統(tǒng)，采用三臺11KW水泵做循環(huán)，兩用一備，內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)中配置了制高排空閥、最低點排污閥、高位補水箱、進水回水聯(lián)絡(luò)閥門、過濾網(wǎng)等功能。同時高位補水箱為不銹鋼板焊接，配置自動補水系統(tǒng)、水位低報警等功能，當補水箱水位不足時，自動從閉式循環(huán)系統(tǒng)中給其補水。

2.3.2變頻器安裝方案

京海電廠項目現(xiàn)場應(yīng)用變頻器設(shè)備總長*寬*高：6250（含旁路柜1000）*1400*2450。

安裝方式如下：

變頻器采用底部進出線方式，從正面看，高壓進出線孔位于自動旁路柜后部居中的位置，二次進出線電纜孔位于自動旁路柜前部居右的位置。變頻器應(yīng)安裝在電纜溝上，見下圖。

圖3高壓變頻器安裝圖（側(cè)面）

變頻器安裝在10#槽鋼焊接的底座上，通過點焊方式將其固定在安裝槽鋼上，槽鋼需可靠接地，接地電阻不得大于4Ω。

變頻器在正面操作，二次接線室在背面。為了保證操作、維護的方便性和通風(fēng)散熱效果，變頻器正面距墻距離不小于1.5米，背面距墻距離不小于1.2米，左右和頂部距墻距離不小于0.8米。

三、合康水冷型高壓變頻器技術(shù)參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備，配備的變頻器規(guī)格為：6kV/3200kW純水冷型變頻器，設(shè)備數(shù)量：8臺。

3.1高壓變頻器的主要技術(shù)性能指標

3.2隔離變壓器

隔離變壓器是合康HIVERT-Y變頻器標準配置，為功率單元提供低壓隔離電源，其主要作用是降壓、移相。變壓器可以擬制諧波，并可降低過電壓對功率單元的影響。

3.3水冷變頻器水循環(huán)系統(tǒng)

圖4水冷變頻器水循環(huán)系統(tǒng)原理圖

水冷變頻器水循環(huán)系統(tǒng)包括內(nèi)水循環(huán)系統(tǒng)和外水循環(huán)系統(tǒng)兩部分。如圖4所示，水冷柜中板式換熱器與功率單元之間的水循環(huán)稱為內(nèi)水循環(huán)系統(tǒng)，又稱一次循環(huán)；水冷空調(diào)中換熱器和板式換熱器內(nèi)的熱量通過外面的冷源水將熱量帶出，此水循環(huán)稱為外水循環(huán)系統(tǒng)，又稱二次循環(huán)。

3.3.1水冷變頻器內(nèi)水循環(huán)系統(tǒng)

水冷柜中恒定壓力和流速的去離子水源源不斷地流經(jīng)板式換熱器進行熱交換，換熱后再進入變頻器功率單元帶走熱量，溫升水流回至主循環(huán)泵的進口，通過電動三通閥調(diào)節(jié)進入板式換熱器的流量，達到精確控制純水冷卻裝置中冷卻水溫度的目的。同時一部分水會通過離子交換器進行離子交換，以達到滿足要求的去離子水。

3.4變壓器水冷空調(diào)(內(nèi)置空水冷換熱器)

循環(huán)工作原理

一側(cè)是變壓器柜內(nèi)的熱空氣，經(jīng)冷卻風(fēng)機提供動力，通過熱交換器進行熱量交換，冷卻后空氣返回到變壓器柜；另一側(cè)為外發(fā)面低溫冷源水進入熱交換器，換熱后流出。冷源水流經(jīng)管路設(shè)有儀表，以便檢測流體流量，判斷流體狀態(tài)。熱換熱器頂部最高處配有排氣閥，底部最低處配備排水閥，方便排水、加水。

圖5變壓器水冷空調(diào)原理圖

3.5水冷變頻器外水循環(huán)系統(tǒng)

現(xiàn)場提供滿足條件的外水水質(zhì)及溫度要求如表7所示：

系統(tǒng)外水第一次加水運行30分鐘，停止泵運轉(zhuǎn)。關(guān)閉水冷柜內(nèi)外源水過濾器前后端的閥門，拆卸過濾器，清理濾芯，排出臟物。裝上后切換為冗余過濾器繼續(xù)運行系統(tǒng)30分鐘，重復(fù)以上步驟，直到系統(tǒng)壓力穩(wěn)定且過濾網(wǎng)中沒有雜質(zhì)，沖洗完成。

如果現(xiàn)場外水水質(zhì)渾濁，在外水進水閥前需要增加過濾器，過濾器精度為200μm（目數(shù)為80目），水冷柜內(nèi)部外源水過濾器與柜外過濾器都具有旁路功能，根據(jù)現(xiàn)場水質(zhì)情況需要定期清理4個外水管道過濾器。

3.6水冷變頻器室空調(diào)配置

由于水冷變頻器單元柜內(nèi)除了水冷板上主要電子器件發(fā)熱通過循環(huán)水冷卻外，柜內(nèi)還有電解電容、連接銅排等其他發(fā)熱器件產(chǎn)生熱量，因此單元柜頂部配置了冷卻風(fēng)機，將單元柜內(nèi)的熱空氣抽到環(huán)境中，故水冷變頻器放置房間需要配置安裝空調(diào)，空調(diào)制冷量為變頻器額定功率的0.5%。

四、變頻改造后風(fēng)機節(jié)能分析

風(fēng)機長期在額定轉(zhuǎn)速下運行,所以,根據(jù)運行電流可求出電動機工頻運行時，實際消耗的有功功率：

P實際=1.732*I2*U2*cosφ*n（電機功率因素下降系數(shù)）

安裝變頻器后,我們將液偶勺管開度調(diào)整為100%，改為調(diào)節(jié)風(fēng)機的電機運行頻率，改變電機的速度來達到調(diào)節(jié)的目的。

根據(jù)流量、壓力、軸功率與其轉(zhuǎn)速的關(guān)系

用文字表述為：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)速的立方成正比。

lQ2/Q1=n2/n1

lH2/H1=(n2/n1)2

lP2/P1=(n2/n1)3

節(jié)電率計算：

安裝變頻器的運行功率：

P變頻/P額定=(Q2/Q1)3=(n2/n1)3

n1=風(fēng)機額定轉(zhuǎn)速=1494rpm

n2=風(fēng)機轉(zhuǎn)速

P變頻功率=P變頻/（傳動效率*變頻器效率）

傳動效率=液偶傳動效率=0.95

變頻器效率=0.98

節(jié)能量=P實際功率-P變頻運行功率

節(jié)能效率=（P實際-P變頻運行功率）/P實際

4.1一次風(fēng)機運行情況分析及節(jié)能分析

一次風(fēng)機運行時需2臺全部運行，不論任何負荷，調(diào)節(jié)量不是很大。根據(jù)現(xiàn)場提供的數(shù)據(jù)，按照全年（2014.10-2015.9）計算，可知：

1#機組累計發(fā)電時間：6850小時、1#機組累計發(fā)電量：1569525MW、1#機組年平均負荷：229MW

2#機組累計發(fā)電時間：6320小時、2#機組累計發(fā)電量：1368206MW、2#機組年平均負荷:216MW

2015年1#機組2#機組預(yù)計發(fā)電量29億千瓦時，按照往年的發(fā)電時間大概為6500小時（1#機組6850小時，2#機組6320小時），則兩個機組年平均發(fā)電負荷為223MW，年平均節(jié)電率為27%。

一次風(fēng)機節(jié)電量及節(jié)能效益

一次風(fēng)機節(jié)電量=（工頻運行功率-變頻運行功率-輔機冷卻功率）*風(fēng)機運行時間=（1411.78-1029.67-10）*6500=241.87萬千瓦時。

單機組兩臺一次風(fēng)機的節(jié)電量=482.74萬千瓦時

輔機冷卻功率=空水冷機組功率=10kW（單臺）

4.2二次風(fēng)機運行情況分析及節(jié)能分析

二次風(fēng)機運行時與電泵的運行情況是一樣的，當負荷超過23萬時二次風(fēng)運行，23萬負荷一下單二次風(fēng)運行。因二次風(fēng)機的運行特性與電動給水泵一致，所以按照電泵給水泵的運行情況分析：

年平均節(jié)電率說明：

2015年1#機組2#機組預(yù)計發(fā)電量29億千瓦時，按照往年的發(fā)電時間大概為6500小時（1#機組6850小時，2#機組6320小時），則兩個機組年平均發(fā)電負荷為223MW。二次風(fēng)機平均節(jié)電率為33.55%（單風(fēng)機運行）.

根據(jù)根據(jù)2014年10月-2015年9月的運行情況分析：1#機組年平均負荷：229MW，2#機組年平均負荷:216MW。

二次風(fēng)機年節(jié)電量說明：

根據(jù)2014年10月-2015年9月的運行情況分析，二次風(fēng)機是在單機與雙機相互交換間替的狀態(tài)下運行，單機運行時間1#機組4170小時，2#機組4041小時。雙機運行時間1#機組2680小時，2#機組2278小時。

根據(jù)現(xiàn)場雙機運行的原則（230MW左右啟雙機），可以將二次風(fēng)機分兩種運行條件下運行。

1）、單機運行時機組平均負荷197MW，單泵運行時間以4100小時核算，此時單臺機組節(jié)電量：

單泵運行下單臺機組節(jié)電量=單泵節(jié)電量

單機節(jié)電量=（工頻運行功率-變頻運行功率-輔機功率）*單機運行時間=（2064-1323.84-10）*4100=299.36萬千瓦時。

輔機冷卻功率=空水冷機組功率=10KW（單臺）

2）、雙機運行時機組平均負荷256MW，雙機運行時間以2400小時核算，此時單臺機組節(jié)電量：

雙機運行下單臺機組節(jié)電量=二次風(fēng)機單機節(jié)電量*2

二次風(fēng)機單機節(jié)電量=（工頻運行功率-變頻運行功率-輔機功率）*電泵運行時間=（1544-1058.82-10）*2400=114.04萬千瓦時。

雙機運行下單臺機組節(jié)電量=二次風(fēng)機單機節(jié)電量*2=228.08萬千瓦時

3）、單臺機組二次風(fēng)機年節(jié)電量=299.36+228.08=527.44萬千瓦時

4.3現(xiàn)場運行情況及年節(jié)電收益說明：

2#機組從2016年10月份開始運行至今，運行良好，水冷散熱效果非常明顯，節(jié)能效果非常顯著，運行中的4臺設(shè)備平均節(jié)能率在35%左右，節(jié)電收益如下：

單機組一次二次風(fēng)機總節(jié)電量為：482.74+527.44=1010.18萬千瓦時

按照結(jié)算電價：0.25元計算，

單臺機組年年節(jié)電收益為252.545萬元。

兩臺機組年節(jié)電收益為505.09萬元。

五、結(jié)論

京海煤矸石發(fā)電廠一次風(fēng)機、二次風(fēng)機變頻改造完成后，可實現(xiàn)風(fēng)機在不同工作方式組合運行，保證風(fēng)機自動均能正常投入。通過將液耦調(diào)速改造為變頻調(diào)速后，節(jié)流損失明顯減小，獲得了顯著的節(jié)能效果，特別是在低負荷運行情況下，節(jié)電效果十分顯著，減少了發(fā)電成本，提高了機組運行的經(jīng)濟性。