摘要：
高壓變頻器在國(guó)電烏斯太熱電廠引風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用
The Application of High Voltage Inverter in lead Fan of WuSitai Thermal Power Plant

內(nèi)蒙古國(guó)電能源投資有限公司烏斯太熱電廠    張寶瑞
山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司               徐長(zhǎng)海  高昌起  郭金星
濟(jì)寧圣地電力設(shè)計(jì)院                                李利生
Zhang Baorui  Xu Changhai  Gao Changqi  Guo Jinxing  Li Lisheng

摘要：本文介紹了風(fēng)光牌高壓變頻器在烏斯太熱電廠鍋爐引風(fēng)變頻系統(tǒng)中的應(yīng)用情況，闡述了變頻調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)機(jī)理、功能及特點(diǎn)，對(duì)節(jié)能效果進(jìn)行了分析。從全新的角度，詮釋了高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)DCS系統(tǒng)的高效對(duì)接，增強(qiáng)了鍋爐引風(fēng)系統(tǒng)的自動(dòng)化性能。
關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速系統(tǒng)  鍋爐引風(fēng)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(nèi)蒙古國(guó)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(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)內(nèi)，在黃河、包蘭鐵路和110國(guó)道西側(cè)，距黃河直線距離約7公里處。該熱電廠I期供熱工程，總機(jī)組發(fā)電容量為2×300MW，于2008年10月26日一期兩臺(tái)300兆瓦空冷供熱發(fā)電工程1號(hào)機(jī)組一次并網(wǎng)成功。工程采用了空冷、煙氣脫硫、等離子點(diǎn)火、中水回收利用、靜電高效除塵等先進(jìn)技術(shù)。該工程的建設(shè)不僅解決了當(dāng)?shù)貒?yán)重的缺電問(wèn)題，同時(shí)還可滿足700萬(wàn)平方米用戶取暖。

2變頻改造項(xiàng)目工況介紹

      該熱電廠I期工程1#機(jī)組有兩臺(tái)引風(fēng)機(jī)，風(fēng)量調(diào)節(jié)為入口擋板調(diào)節(jié)方式。機(jī)組運(yùn)行中，引風(fēng)機(jī)的入口擋板開(kāi)度最大不到85%左右。由于這樣的調(diào)節(jié)方法僅僅是改變通道的流通阻力，節(jié)流損失相當(dāng)大，浪費(fèi)了大量電能。其主要弊端主要表現(xiàn)為：
    （1）調(diào)節(jié)擋板前后壓差增加，工作安全特性變壞，壓力損失嚴(yán)重，造成能耗增加；
    （2）風(fēng)機(jī)定速運(yùn)行，擋板調(diào)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(fèi)；
    （3）風(fēng)道壓力過(guò)高，威脅系統(tǒng)設(shè)備密封性能；
    （4）長(zhǎng)期的40～70％擋板開(kāi)度，加速擋板自身磨損，導(dǎo)致?lián)醢蹇刂铺匦宰儾睿?br />    （5）設(shè)備起動(dòng)沖擊電流大，需增加配電設(shè)備容量而增加投資。
      為了解決上述問(wèn)題，經(jīng)過(guò)了大量的技術(shù)論證，內(nèi)蒙古國(guó)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(diào)節(jié)風(fēng)量、風(fēng)壓的方法。風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)正常生產(chǎn)至關(guān)重要，對(duì)設(shè)備要求特別苛刻，因此在高壓變頻器的選用上非常謹(jǐn)慎。為了克服單臺(tái)引風(fēng)機(jī)變頻改造造成的“搶風(fēng)”現(xiàn)象發(fā)生，烏斯太熱電廠選用山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的“風(fēng)光牌”高壓變頻器對(duì)2臺(tái)引風(fēng)機(jī)同時(shí)進(jìn)行變頻改造。2臺(tái)電機(jī)和變頻器的技術(shù)參數(shù)如表1和表2：
表1 三相異步電機(jī)技術(shù)參數(shù)

型號(hào)

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(zhuǎn)速

745r/min

生產(chǎn)廠家

湘潭電機(jī)股份有限公司

表2 JD-BP37-2000F 高壓變頻器技術(shù)參數(shù)

3鍋爐引風(fēng)機(jī)高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)特點(diǎn)
      引風(fēng)機(jī)調(diào)速是由電廠操作人員通過(guò)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(fù)壓等參數(shù)，對(duì)DCS的輸出值進(jìn)行調(diào)節(jié)，此輸出值為反饋給變頻器的4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，對(duì)應(yīng)不同的頻率（速度）給定值，變頻器通過(guò)比較轉(zhuǎn)速輸出量與DCS速度給定之間的大小，自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制，從而達(dá)到調(diào)節(jié)的目的。
　　鍋爐引風(fēng)機(jī)變頻系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：鍋爐引風(fēng)機(jī)變頻系統(tǒng)，既可以變頻調(diào)速運(yùn)行，也可以直接投工頻運(yùn)行，同時(shí)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(shí)，由于變頻器的控制電源和主電源沒(méi)有相位及同步要求，變頻器可以使用UPS繼續(xù)運(yùn)行，不會(huì)停機(jī)；在現(xiàn)場(chǎng)DCS速度給定信號(hào)掉線時(shí)，變頻器提供報(bào)警的同時(shí)，可按原轉(zhuǎn)速繼續(xù)運(yùn)行，維持機(jī)組的工況不變；變頻器配置單元旁路功能，在局部故障時(shí)，變頻器可將故障單元旁路，降額繼續(xù)運(yùn)行，減少突然停機(jī)造成的損失；保留原電機(jī)繼續(xù)使用，不改變?cè)酗L(fēng)機(jī)設(shè)備任何基礎(chǔ)；和電廠的DCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接。
4高壓變頻器技術(shù)要求及改造方案
4.1對(duì)變頻調(diào)速系統(tǒng)的主要要求
（1）要求變頻器要有高可靠性，長(zhǎng)期運(yùn)行無(wú)故障。
（2）要求變頻器有旁路功能，一旦出現(xiàn)故障，可使電機(jī)切換到工頻運(yùn)行。
（3）調(diào)速范圍要大，效率要高。
（4）有共振點(diǎn)跳轉(zhuǎn)設(shè)置，能使電機(jī)避開(kāi)共振點(diǎn)運(yùn)行，讓風(fēng)機(jī)不喘振。
4.2變頻改造方案
      改造前：原系統(tǒng)6kV高壓開(kāi)關(guān)柜至電機(jī)，電機(jī)與風(fēng)機(jī)直接連接，通過(guò)風(fēng)門(mén)擋板的開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)流量。
      改造后：系統(tǒng)6kV高壓開(kāi)關(guān)柜至風(fēng)光高壓變頻器，風(fēng)光高壓變頻器與電機(jī)相連，通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)流量，如圖2所示，此時(shí)電機(jī)與風(fēng)機(jī)間不用做任何改動(dòng)，且變頻調(diào)節(jié)時(shí)風(fēng)門(mén)檔板可全開(kāi)。
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)要求，此次2臺(tái)變頻器采用一拖一手動(dòng)旁路控制方案，其一次電路如圖2所示。

QF為用戶原高壓開(kāi)關(guān)；
    k1、k2和k3為變頻器旁路開(kāi)關(guān)柜高壓隔離開(kāi)關(guān)；
    BPQ為風(fēng)光JD-BP37系列高壓變頻器；
    M為高壓電動(dòng)機(jī)。
    變頻器控制風(fēng)機(jī)為一拖一控制，旁路開(kāi)關(guān)柜用于工/變頻切換。k1，k2和k3為3個(gè)高壓隔離開(kāi)關(guān)，要求k2和k3不能同時(shí)閉合，在機(jī)械上實(shí)現(xiàn)互鎖的同時(shí)實(shí)現(xiàn)電磁互鎖。k2斷開(kāi)，k1和k3閉合，風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行；k1和k3斷開(kāi)，k2閉合，風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)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(yù)留點(diǎn)，設(shè)計(jì)高壓變頻改造控制、運(yùn)行監(jiān)視系統(tǒng)，系統(tǒng)包括工、變頻的運(yùn)行、停止命令按鈕；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)按鈕；變頻器復(fù)位按鈕、緊急停止按鈕；變頻器運(yùn)行電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速顯示；高壓柜以及變頻合閘顯示；變頻器故障報(bào)警顯示。

如圖4所示，DCS系統(tǒng)輸出 4－20mA電流信號(hào)控制JD-BP37高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的運(yùn)行頻率， 來(lái)控制電機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速。JD-BP37高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)反饋4-20mA電流信號(hào)指示JD-BP37高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的輸出頻率、輸出電流。JD-BP37高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)同時(shí)接收DCS控制系統(tǒng)的啟動(dòng)、停止、急停、復(fù)位控制信號(hào)，調(diào)整運(yùn)行狀態(tài)。
當(dāng)JD-BP37高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)故障時(shí)，系統(tǒng)輸出故障停機(jī)和報(bào)警信息，用于提示用戶啟動(dòng)故障處理措施，同時(shí)JD-BP37高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)將信號(hào)發(fā)送給DCS，在DCS系統(tǒng)上顯示故障，以便于及時(shí)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(diǎn)擊變頻器緊急停止按鈕，此時(shí)變頻器立即封鎖輸出，并及時(shí)跳開(kāi)現(xiàn)場(chǎng)6kV小車(chē)開(kāi)關(guān)。
為保證JD-BP37高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)操作的安全性，需從改造電機(jī)的進(jìn)線開(kāi)關(guān)柜把斷路器的狀態(tài)信號(hào)接入JD-BP37高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。 JD-BP37高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)輸出的故障跳閘信號(hào)接入斷路器的分閘回路，連跳高壓信號(hào)接入安全回路，當(dāng)出現(xiàn)嚴(yán)重故障時(shí)及時(shí)跳開(kāi)斷路器保護(hù)JD-BP37高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)及電機(jī)。
如圖5所示，當(dāng)所有開(kāi)機(jī)條件都具備后，DCS發(fā)出變頻運(yùn)行命令，變頻器內(nèi)置PLC發(fā)出“合閘”信號(hào)至6kV高壓柜，現(xiàn)場(chǎng)6kV小車(chē)開(kāi)關(guān)合閘，變頻器進(jìn)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(hào)控制變頻器頻率來(lái)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。
5 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試
5.1模擬試機(jī)
現(xiàn)場(chǎng)拆除電機(jī)與風(fēng)機(jī)之間的連接軸。DCS給出開(kāi)機(jī)信號(hào)，變頻器接收到開(kāi)機(jī)信號(hào)后，變頻器送出合閘信號(hào)至高壓開(kāi)關(guān)柜，高壓斷路器合閘，高壓開(kāi)關(guān)柜送出高壓就緒信號(hào)至變頻器，變頻器就緒5S后開(kāi)始起動(dòng)，在DCS側(cè)調(diào)節(jié)變頻器的頻率，得到相應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速，變頻調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行正常。
5.2速斷值的整定
變壓器應(yīng)設(shè)電流速斷保護(hù)，它與瓦斯保護(hù)配合，可快速切除變壓器高壓側(cè)及其內(nèi)部的各種故障，構(gòu)成變壓器主保護(hù)。變壓器速斷保護(hù)的動(dòng)作電流按下列條件整定：
（1）為了保護(hù)選擇性，速斷保護(hù)的動(dòng)作電流，按躲過(guò)變壓器二次側(cè)母線短路時(shí)流過(guò)保護(hù)裝置的最大短路電流整定：
  
 試中， 為可靠性系數(shù)，對(duì)于DL型繼電器，取1.3-1.4，對(duì)于GL型繼電器，取1.5-1.6； 為最大運(yùn)行方式下，變壓器二次側(cè)母線發(fā)生短路時(shí)，折算到一次側(cè)的次暫態(tài)電流。
（2）電流速斷保護(hù)的動(dòng)作電流還應(yīng)躲過(guò)變壓器空載投入時(shí)的勵(lì)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(hù)的一次動(dòng)作電流。
在調(diào)試過(guò)程中，首先按躲過(guò)5倍變壓器額定電流整定，在合閘過(guò)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(shí)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(hù)速斷值應(yīng)按下式整定：
 
   5.3 過(guò)流值的整定
因移相變壓器二次側(cè)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(dāng)功率單元出現(xiàn)故障時(shí)，應(yīng)由變壓器內(nèi)部保護(hù)進(jìn)行排除。為防止變壓器低壓側(cè)出現(xiàn)故障時(shí)，主保護(hù)未發(fā)生作用，在高壓側(cè)設(shè)置如下過(guò)流保護(hù)定值：
 
它可以作為斷路器對(duì)變頻器系統(tǒng)保護(hù)的后備保護(hù)，整定后系統(tǒng)運(yùn)行正常。
    本臺(tái)變頻器一次性投運(yùn)成功，引風(fēng)機(jī)變頻改造及時(shí)順利完成。
6節(jié)能效果 
6.1變頻啟動(dòng)后的差動(dòng)保護(hù)
    本系統(tǒng)主回路設(shè)有對(duì)電機(jī)有差動(dòng)保護(hù)功能，在電機(jī)封星點(diǎn)處接入電流互感器檢查電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的差動(dòng)電流作為電機(jī)保護(hù)的一種后備保護(hù)。由于變頻器在啟動(dòng)時(shí)頻率給定由0Hz到設(shè)定的頻率，在低頻啟動(dòng)時(shí)交流磁場(chǎng)建立的初期會(huì)產(chǎn)生不平衡電流，將引起差動(dòng)保護(hù)動(dòng)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(dòng)保護(hù)電流采集發(fā)生了變化導(dǎo)致差動(dòng)回路不能正常運(yùn)行，所以只能選擇在變頻運(yùn)行時(shí)退出差動(dòng)保護(hù)；所以在對(duì)電機(jī)要求有差動(dòng)保護(hù)只能投到電機(jī)工頻運(yùn)行中。在變頻方式工作時(shí)，此功能取消，通過(guò)對(duì)綜保的設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn)，否則在變頻器啟動(dòng)時(shí)引起差動(dòng)保護(hù)跳閘動(dòng)作。
6.2設(shè)備改造投運(yùn)后在不同負(fù)荷下，對(duì)單臺(tái)引風(fēng)機(jī)在工頻與變頻運(yùn)行工況下進(jìn)行了對(duì)比如下：
工頻運(yùn)行時(shí)平均負(fù)荷在：
200MW時(shí)，每日用電量大約為19872kWh。占廠用電率0.42%
250MW時(shí), 每日用電量大約為21924kWh。占廠用電率0.37%
300MW時(shí)，每日用電量大約為33048kWh。占廠用電率0.46%
變頻運(yùn)行時(shí)平均負(fù)荷在：
200MW時(shí)，每日用電量大約為9612kWh。 占廠用電率0.2%
250MW時(shí)，每日用電量大約為18360kWh。占廠用電率0.31%
300MW時(shí)，每日用電量大約為30240kWh。占廠用電率0.42%
經(jīng)過(guò)上述統(tǒng)計(jì)可看出，在相同負(fù)荷下，每日可節(jié)省電量：
200MW時(shí)，每日節(jié)電大約為10260kWh。  每小時(shí)節(jié)電427.5kWh。
250MW時(shí)，每日節(jié)電大約為3564kWh。   每小時(shí)節(jié)電148.5kWh。
300MW時(shí)，每日節(jié)電大約為2808kWh。   每小時(shí)節(jié)電117kWh。
       經(jīng)上述分析可看出，在將引風(fēng)機(jī)改為變頻運(yùn)行時(shí)，電機(jī)耗電量在低負(fù)荷情況下最明顯，廠用電率大約可降低0.22%，在高負(fù)荷下每小時(shí)大約也可節(jié)約117kWh。在兩臺(tái)變頻設(shè)備同時(shí)投入運(yùn)行后 ，效益更加可觀。
7結(jié)束語(yǔ)
      山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司型號(hào)為JD-BP37-2000F的高壓變頻器在烏斯太熱電廠運(yùn)行4個(gè)月來(lái)，其性能穩(wěn)定、節(jié)能效果明顯，可以根據(jù)鍋爐的燃燒情況進(jìn)行風(fēng)量調(diào)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(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。
      在鍋爐引送風(fēng)的燃燒系統(tǒng)中應(yīng)用高壓變頻器節(jié)能降耗，是國(guó)家大力提倡節(jié)能降耗政策不可缺少的技術(shù)手段。除此之外，變頻器對(duì)鍋爐的穩(wěn)定運(yùn)行也起著決定性的作用。高壓變頻器越來(lái)越廣泛地應(yīng)用在電力、冶金、石化、水泥、礦山等高壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)的各個(gè)行業(yè)。