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《包鋼科技雜志》2016年第3期

摘要:

文章針對變頻技術在包鋼熱電廠的實際運用，分析了變頻調速在實際運行中的節能效果、變頻改造需要解決的關鍵技術以及風機在低速運行中喘振對變頻調速的影響以及最佳節能的解決方法，為變頻技術在各行業廣泛運用提供技術支持。

關鍵詞:

電廠風機;變頻改造;節能

火力發電廠中的各種動力設備中，風機、水泵類負載占絕大部分，大部分采用拖動電動機，其中95%左右為交流異步電動機直接拖動，恒速運行。目前調節流量的方法多為節流閥調節，由于這種調節方法僅僅是改變了通道的通流阻抗，而驅動源的輸出功率并沒有改變，浪費了大量能源。尤其現在電力行業改革不斷深化，市場競價愈加激烈，各電廠急切需要降低廠用電率、降低發電成本提高競爭力。隨著變頻技術的逐步成熟，高壓風機變頻改造技術較好地解決了風機運行中出現裕量過大等一系列問題。

1行業現狀

1．1鍋爐風機調速運行常用方案

①變頻器技術;

②加裝液力偶合器裝置;

③采用雙速交流電動機;

④直流電動機驅動;

⑤繞線式異步電動機轉子串級調速。以前三項技術為主。其中第三方案(采用雙速交流電動機)由于在運行中調速范圍窄，操作困難大等問題，投入率較低。而變頻器技術的應用目前通過運行比較和測試，節電效果比較顯著，是近年大力推廣的節電改造技術。

1．2風機變頻調速節能分析

風機是流體機械，由流體動力學可知，流量Q與轉速n成正比，揚程H與轉速n2成正比，電機功耗P與轉速n3成正比。當轉速由額定轉速ne降為n時，流量由額定值Qe降至Q，與額定功耗Pe相比較，采用轉速調節時電機的功耗為:P=(n/ne)3Pe［1］。如果流量Qe由100%降到50%，則轉速ne由100%降到50%，揚程H降到25%，而電機的功耗降到12.5%Pe，即節約電能87.5%Pe。即使扣除擋板調節時的功耗與額定功耗的差、轉速下降可能會引起電機的效率下降等因素，節電效果也是非常顯著的。

2包鋼熱電廠實例

包鋼熱電廠8#鍋爐甲乙送風機變頻器采用的高壓變頻器，可用于驅動額定電壓6kV額定功率630kW額定電流小于77A一般負載的高壓異步電動機。

2．1工作原理

電機的轉速滿足如下的關系式:n=(1－s)60f/p=n0×(1－s)其中:p為電機極對數;f為電機運行頻率;s為轉差率。從式中看出，電機的同步轉速n。正比于電機的運行頻率(n0=60f/p)，由于轉差率s一般情況下比較小(0～0.05)，電機的實際轉速n約等于電機的同步轉速n0，所以調節了電機的供電頻率f，就能改變電機的實際轉速［2］。電機的轉差率s和負載有關，負載越大則轉差率增加，所以電機的實際轉速還會隨負載的增加而略有下降。高壓變頻器是采用若干個低壓PMW變頻功率單元串聯的方式實現直接高壓輸出。工作原理是6kV電壓經過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PMW電壓型逆變器結構，與相鄰功率單元的輸出端串聯起來形成Y連接，實現高壓變頻的高壓直接輸出，以供給高壓電動機。

2．2變頻器電氣系統配置

變頻器有兩種工作狀態:變頻運行狀態、工頻運行狀態。變頻器正常時處于變頻運行狀態，異常時處于工頻運行狀態，因此必然涉及變頻狀態和工頻狀態之間的切換方式問題。切換方式也包括兩種:自動切換方式、手動切換方式。考慮到鍋爐一次風壓穩定對于機組安全運行的重要性及其它電廠一次風機變頻改造的經驗，決定采用手動旁路系統。變頻器的電氣系統配置見圖1。QF為一次風機原6kV斷路器，QS1、QS2、QS3為手動刀閘。當QS1、QS2同時閉合、QS3斷開時表示:“變頻位”;當QS1、QS2同時斷開、QS3閉合時表示:“工頻位”;變頻位和工頻位之間的閉鎖由就地機械裝置來保證。變頻位和工頻位只是上述開關狀態的表示，并不表示風機已處于相應的運行狀態。只有當風機處于“變頻位”狀態，且6kV斷路器QF閉合后，才表示風機處于“變頻運行”狀態;同理只有當風機處于“工頻位”狀態，且6kV斷路器QF閉合后，才表示風機處于“工頻運行”狀態。

2．3結構布置

高壓變頻器由變壓器柜、控制/單元柜、開關柜三部分組成。三相高壓電經高壓開關柜進入，通過降壓變壓器、移相給功率單元柜內的功率單元供電，功率單元分為三組，一組為一相，每相的功率單元的輸出首尾相串。主控制柜中的控制單元通過光纖對功率柜中的每一功率單元進行整流、逆變控制與檢測，這樣根據實際需要通過操作界面進行頻率的給定，控制單元把控制信息發送到功率單元進行相應得整流、逆變調整，輸出滿足負荷需求的電壓等級。

2．4節能效果

2．4．1節能效果的同年對比

改造前，一季度鍋爐兩臺送風機電機的電耗總計為782880kW•h，平均單月耗電260960kW•h。改造后，同年6月份兩臺送風機電機的電耗總計為134520kW•h時，比一季度平均單月節電126440kW•h，節電率為48.5%。

2．4．2節能效果的同期對比

同比上一年6月份鍋爐兩臺送風機電機的電耗總計為277080kW•h，節電142560kW•h，節電率達51.5%。從以上三個方面看出，變頻改造完成后，兩臺送風機的節電效果非常明顯，忽略鍋爐每年4～6天的檢修時間，按兩臺風機單月節電126440kW•h算，則全年節電126440×12=1517280kW•h，以每kW•h電0.36元計算，每年節約電費約1517280×0.36=54.6萬元。

3改造方案應解決的關鍵技術

3．1變頻器相關問題

對鍋爐風機進行變頻器改造，必須考慮變頻器的特性是否滿足燃燒工況的要求，同時在技術上必須解決下列問題，以免帶來投資損失。

(1)鍋爐的安全運行是全廠動力的根本保證，雖然變頻調速裝置可靠，但一旦出現問題，必須確保鍋爐的安全供給，所以，必須實現工頻—變頻運行的切換。

(2)鍋爐風機的拖動電機功率一般較大，對于大功率的風機，可能存在扭曲共振，運行中一旦發生共振，將嚴重損壞風機和拖動電機，所以，必須計算風機—電機連接軸系扭振臨界轉速，并采取相應的技術措施。

(3)變頻調速控制系統由于調速范圍大，如果變頻器長時間運行在1/2工頻以下，則電機發熱成為突出問題，一方面是由于電機自冷卻風扇的轉速低而失效，另一方面是諧波引起的損耗發熱，如果出現這種情況，必須對電機采取強迫風冷等措施。

(4)如果采用工頻—變頻自動切換，則電機由變頻切至工頻運行時，必須延時一定時間(一般5s)后定速接觸器才自行合閘，以防操作過電壓。當電機由工頻切換至變頻運行時，必須同樣延時一定時間(一般10s)后變速接觸器才自行合閘，以防感應電勢損壞變頻器功率元件。(目前還沒實現)。

(5)變頻器調節控制部分和電機電源控制部分要求最好集中布置，以便運行中事故處理和開、停機操作。

(6)變頻器常用的保護檢驗要準確。要有制動裝置，啟動時防止倒轉功能。

3．2一次風機變頻后的“搶風”問題

通過對一次風機結構和工作特性的研究可知風機具有明顯的馬鞍形特征。在風機性能曲線的左半部具有一個馬鞍形區域，在此區段內運行有時會出現流量大幅度脈動等不正常情況，即出現“喘振”問題。而喘振僅僅是不穩定工況區內可能遇到的現象之一，在該區域內還會出現不正常的零氣動力工況，這便是旋轉“失速”現象。風機在不穩定工況區運行時，還可能發生流量、全壓和電流的大幅度波動，氣流會發生往復流動，產生強烈振動，這就是通常提到的“搶風”。鍋爐一次風機改為變頻調速后，兩臺風機并列運行，就非常容易發生“搶風”現象，威脅風機及整個系統的安全性。下面針對兩臺風機的運行工況進行分析說明。如圖2所示，如果風機參數選擇適當，運行時操作正確，兩臺風機并聯運行時的風道性能曲線Ⅳ與風機并聯合成性能曲線Ⅲ交于點1，則每臺風機將在點1'工作，風機在此工況下工作是穩定的，不會出現“搶風”現象。如果風機工作不當，風道性能曲線Ⅴ與風機合成性能曲線Ⅲ交于點2與點3，落在∞字形區域內工作，則風機工作點可能是點2或點3。如果兩臺風機的風道阻力稍有差別，或者風道系統中風量稍有變動，其結果是風機處于點3并聯工作，此時兩臺風機工作點分別是點3'和點3″運行。其中點3'工作風機風量大且在穩定區工作，而另一臺在點3″工作的風機的風量小，且工作點落在不穩定工況區內。這樣兩臺性能相同的風機輸送的流量穩定在點2上，兩臺風機尚能運行，但是兩臺風機分別在點3'和點3″工作的狀況不是穩定不變的，這兩臺風機的工作點會發生互換出現了“搶風”。風機在此工況下工作，嚴重時甚至會出現一臺風機的風量大，另一臺風機則產生倒流。因此，在兩臺風機并聯運行時，為避免搶風現象發生，就應當采取措施避免風機的工作點落在∞字形區域內［3］。鍋爐一次風機變頻改造后，風機在低負荷運行時的工作點離不穩定區(左邊界)較近，導致機組在低負荷區間運行時，出現兩臺一次風機“搶風”即風機的并列困難;通過兩臺一次風機的快速協調平衡系統，對運行參數進行調整，降低系統一次風壓、改變系統通風量，“搶風”問題得到解決。

3．3防喘振控制思想

圖3給出了風機在不同轉速下的特性曲線，可以看出轉速不同，相應的駝峰點和駝峰流量也不同。轉速越低，駝峰點越向左移，駝峰流量越小，把不同轉速下的駝峰點連接起來，就構成了一條曲線，曲線右側為穩定工作區，曲線左側為不穩定區。我們把駝峰流量為極限流量的駝峰點連接曲線稱之為喘振搶風極限線。顯然，只要在任何轉速下，能控制風機的流量，使其大于極限流量，則風機便不會發生搶風問題，這就是防喘防搶控制的基本思想。考慮到吸入氣體的狀態，如壓力、溫度、密度及系統風量、風壓變化等都會引起風機特性曲線的變化，因此應考慮一定的安全容量，確保實際工作點不會太靠近不穩定區極限，以避免發生搶風喘振事故。在一次風系統中采用“調速－比例調門法”比較適合電廠安全和節能需要。變頻協調控制單元將變頻節能與防喘振協調控制。根據一次風系統的要求，風機流量波動時維持出口壓力在某一定值范圍內，因此取出口壓力P1，送入變頻節能與防喘振控制器中，由壓力變送器，協調控制器，高壓變頻器，電動機和風機構成一個閉環控制系統，通過不斷地參與風機轉速自動調整，來達到穩定出口壓力的目的。圖4給出了兩條典型的安全操作線，其中安全操作線1為固定流量安全操作線控制，安全操作線2為一條與喘振極限線相似的曲線，其流量比喘振極限流量大5%～15%，解決了轉速較低時安全操作線1存在的耗能問題，是一個最節能的安全控制方式。

3．4一次風機RB時變頻器過負荷保護動作防范當一次風系統變頻器故障不能連續運行時，會觸發機組RB功能動作。若系統處理不當或反應不及時，最終將會引起機組跳閘。結合鍋爐一次風機RB分析，主要有以下幾方面的原因會導致一次風機變頻器過負荷保護動作:

(1)一次風機RB工況初期，系統通風量過大，在單點壓力情況下，流量超標引起變頻器過負荷;

(2)一次風機RB工況初期，風機的運行工況嚴重偏離高效點，運行效率極低;

(3)一次風機性能曲線陡峭，駝峰型特性明顯，效率低。

3.5防止一次風機變頻器過負荷保護動作的措施

(1)一次風變頻器的設計過程中提供負荷限制功能，防止變頻器過負荷保護動作跳閘;

(2)優化RB時一次風系統邏輯。

4結束語

高壓變頻調速控制作為一種新型實用的調速方法，其性能優于其它調速方式，是現代化大型電廠廣泛采用的一種節能控制手段。包鋼熱電廠8#、9#爐風機變頻改造促進了企業經濟效益的明顯提高，并且它以高性能、高可靠性和調節的靈活性以及操作的簡便性得到了普遍認可。

參考文獻：

［1］王朝暉．泵與風機［M］．北京:中國石化出版社，2007．

［2］毛正孝．泵與風機［M］．北京:中國電力出版社，1999．

［3］石紅梅．變頻技術原理與應用［M］．北京:機械工業出版社，2011．

作者:劉智光 單位:包鋼(集團)公司辦公廳