600MW机组脱硫增压风机变频改造可行性研究与实施

2012-07-19李继忠

山东电力高等专科学校学报 2012年1期

李继忠

安徽阜阳华润电力有限公司安徽阜阳 236158

1 变频器原理及控制流程

目前市场上主流高压变频器多采用电压源型多级串联结构，由若干个低压PWM变频功率单元串联的方式实现直接高压输出，即6kV输出电压每相由6个额定电压为570V的功率单元串联而成，输出相电压3450V，线电压达到6kV左右。原理图如下图1、2。

功率单元采用 “交-直-交”结构，整体采用“高-高”结构，输出电压接近正弦波。输出电压每个电平台阶只有单元直流母线电压大小，所以dv/dt很小，不需要配置专用滤波装置，同时输入电流波形接近正弦波，总的谐波电流失真低于3%，输入功率因数达0.93以上，变频器效率高达96%。

图1 高压变频器一次接线图

图2 高压变频器一次接线原理图

脱硫增压风机变频器、电机、压力变送器组成风压闭环控制系统自动调节电机转速，使原烟气压力稳定在设定范围内，进行恒压控制。

图3 增压风机变频控制流程图

2 变频改造的可行性（节能分析）

2.1 定性分析

对工频运行的风机采用调节导叶开度进行流量控制，管网阻力大，势必产生节流损耗。由流体力学原理可知，电机轴功率P与流量Q和扬程H（风压）的乘积成正比。

图4 扬程H（风压）与流量Q曲线

Q－流量：单位时间内进入风机的气体体积；

H－压力：单位气体通过风机后所获得的能量；

P－驱动风机电动机轴功率，P＝QH；

曲线N1，N2－风机在不同转速下的风压-风量（H-Q）特性；

曲线R1，R2－管网风阻特性（导叶开度全开）；

由于电机轴功率正比于Q×H，运行点与Q－H坐标所围面积，即反映了风机输入轴功率大小，可以定性分析不同调节工况下功耗情况。

2.1.1 工频运行（50Hz）：风机正常工作于A点，提供流量Q1、压力H1，电机消耗功率PA∝Q1×H1/η1×η2，对应于面积SOQ1AH1（η1、η2分别为水泵、电机效率，在定性分析中，可不予考虑）。

2.1.2 工频运行（50Hz），节流调节：根据机组负荷变化，当需要减小流量至Q2，风机提供流量Q2、压力H2，因风机出口导叶开度减小，相当于增加管网阻力，使管网阻力特性由R1变到曲线R2，所以系统由原来的工况点A变到新的工况点B运行。电机消耗功率PB∝Q2×H2/η1×η2，对应于面积SOQ2BH2；

从图4中可看出，因节流调节后风压上升，PA与PB的面积差别不大，也就是电机能耗几乎不减少，即所需流量减少后，电机能耗却变化不大，所以节流损失很大。

2.1.3 变频调速运行时：当需要减小流量至Q2时，只需要调节电机输入频率，风机转速由N1降到N2，在满足同样风量Q2的情况下，由于系统未节流，压力下降至H3，风机提供流量Q2、压力H3，电机消耗功率PC∝Q2×H3/η1×η2，对应于面积SOQ2CH3。

从图4中可看出，PC与PB的面积相比大幅减小，即在满足系统要求，提供同样风量的情况下，变频调节与导叶调节相比，电机能耗大幅减小，节能效果（阴影部分）显著。

2.2 定量分析

由风机特性可知，当风机转速从n变到n′，风量Q、风压H及轴功率P的变化关系如下：

公式说明，风量与转速成正比，风压与转速的二次方成正比，轴功率与转速的三次方成正比。变频调速改造后，机组低负荷工况下风机转速降低时，系统消耗电功率将大大降低，由于电机轴功率受转速影响过大，所以可通过转速的变化来分析变频调速的节能效果。

假设额定流量为Q0，额定功耗为P0，所需流量为Q1，功耗为Pg.in，由上述公式可得：

所以采用变频器调速后，变频器输入功率

考虑变频器和电机效率后，输入功率

式中：P0－被拖动电机轴功率

η－变频器效率

因此可推算出，我公司增压风机电机（6kV 1600kW）变频改造后，如机组负荷降低，风机运行在35Hz，则变频器实际消耗功率为：

同理，如风机运行在40Hz，实际消耗电功率为862kW，运行在45Hz，实际消耗电功率为1364kW，而电机的额定功率为1600kW，所以节能效果比较显著。

3 改造实施

在风机的各种调节方式中，变频调节应用较为广泛。变频改造的目的是节能，无论是定性分析，还是定量分析节能效果都比较显著，因此改造是可行的。施工分三个阶段进行，第一阶段房屋建造完成后进行基础制作、高压电缆分支箱安装、仓库内电缆检查，设备到货后拆除包装箱、立柜、电缆桥架制作等；第二阶段完成高压电缆敷设及试验、电缆头制作、电缆接线、特种变压器及新增断路器高压试验等；第三阶段为控制电源和动力电源送电后完成设备静态和动态调试。

3.1 设备参数

设备参数如表1所示。

表1 增压风机及电机参数表

3.2 电气接线及系统图

采用“一拖一，手动旁路”方案，正常运行时一台变频器拖动一台电机运行，当变频器故障时，远方手动联启2AQF3（2BQF3）旁路开关运行。

图5 变频器接入一次系统图

变频器输入电源取自电机的原电源开关。变频装置具有“就地”和“远方”两种控制方式，切换开关位于变频器控制柜处，可根据需要自由切换。在就地控制方式下，通过变频器人/机界面液晶屏，可进行就地启动、停止操作，可调整转速、频率；远方控制方式下，变频装置只接受脱硫DCS控制指令，并反馈变频器的主要状态和故障报警，运行人员可通过DCS画面进行启动、停止、调速等操作；在电机旁装有变频器事故按钮，突发事故时可紧急停止运行。

3.3 变频器启动控制策略（以2A增压风机为例）

62TL05开关、变频器、2AQF1、2AQF2、2AQF3开关柜控制电源合上→变频器柜门上“远方/就地”开关打到“远方”位置→合62TL05开关→合2AQF1、2AQF2开关→变频器自检后发“待机状态”指令，反馈正常后，点击DCS画面“启动”指令。

3.4 变频器停止控制策略

点击DCS画面“停止”指令→变频器以设定速率下降到0Hz后，发“待机状态”指令→断开2AQF1、2AQF2开关（热备用状态时可不分断此开关）。

3.5 变频器紧急停止控制策略

点击DCS画面“急停”指令→变频器立即下降到0Hz后，发“待机状态”指令→自动断开2AQF1、2AQF2开关。

3.6 变频器跳闸

变频器发“重故障”指令至DCS且输出直接到0Hz→自动分断2AQF1、2AQF2开关→根据当时运行工况，运行人员手动启动2AQF3工频运行；

3.7 电气闭锁设计

为防止变频器反充电，2AQF1和2AQF3开关的合闸控制回路互相闭锁；2AQF2和2AQF3开关的合闸控制回路互相闭锁，2BQF1和2BQF3开关的合闸控制回路互相闭锁；2BQF2和2BQF3开关的合闸控制回路互相闭锁，同时在PLC控制逻辑中增加软闭锁。

3.8 变频改造后实物图

图6 增压风机变频器实物图

4 节能效果

2A 2B增压风机变频器投运后，通过与未改造的1A 1B增压风机对比发现，增压风机电机的运行电流与其入口压力、出口导叶开度、机组负荷等因素关系密切，通过对运行情况的跟踪，找到3点上述因素相近的工况（见下表2），并以此为基础进行对比计算节能效果。

4.1 取三种工况分别计算节电率及节约有功功率

4.1.1 工况1（39万负荷）

1A/1B电机有功总损耗P1=1.732UIcosφ=1.732×6.3×（124.2+123.6）×0.65=1757.5kW

2A/2B电机有功总损耗P2=1.732UIcosφ=1.732×6.3×（16.9+29.2）×0.95=477.9kW

节约有功1=（P1-P2）=1757.5-477.9=1279.6kW

节电率1=（P1-P2）/P1=（1757.5-477.9）/1757.5=72.8%

4.1.2 工况2（42万负荷）

1A/1B电机有功总损耗P1=1.732UIcosφ=1.732×6.3×（127.1+127.2）×0.65=1803.6kW

2A/2B电机有功总损耗P2=1.732UIcosφ=1.732×6.3×（32.1+52.7）×0.95=879kW

节约有功2=（P1-P2）=1803.6-879=924.6kW

表2 改造前后数据对比表

节电率 2=（P1-P2）/P1=（1803.6-879）/1803.6=51.3%

4.1.3 工况3（44万负荷）

1A/1B电机有功总损耗P1=1.732UIcosφ=1.732×6.3×（128.7+125.7）×0.65=1804.3kW

2A/2B电机有功总损耗P2=1.732UIcosφ=1.732×6.3×（40.4+50.2）×0.95=939.2kW

节约有功3=（P1-P2）=1804.3-939.2=865.1kW

节电率3=（P1-P2）/P1=（1804.3-939.2）/1804.3=47.9%

4.2 节电率及节约费用

为使节能效果计算更精确，取上述节电率的平均数作为最终节电率值：

=（节电率1+节电率2+节电率3）/3×100%=（72.8%+51.3%+47.9%）/3×100%=57.3%

节约有功功率（取平均值）：

=（节约有功1+节约有功2+节约有功3）/3=（1279.6+924.6+865.1）/3=1023.1kW

年节约电量=320天×24小时×1023.1kW=7857408度；

年节约费用=7857408度×0.39元=306.4万元；

5 经验分享

5.1 高压电机变频改造后，转速将会在0至额定转速之间平滑变化，电机拖动风机变速转动的过程中常会出现1或2个共振点，应在变频器投运前手动控制变频器频率，使电机和风机在不同转速下运转并测试振动，当振动超标时，应记录下频率值并在变频器中将其屏蔽（本次变频改造，经测试均无共振点）。

5.2 变频器旁路开关和出线开关之间必须设置闭锁，并在PLC中增加软闭锁，防止误操作造成两台断路器同时合闸，不同频率的电源并联将会造成变频器损坏。

5.3 变频器瞬停保护设计

由于6kV厂用母线带有给水泵电机，600MW机组给水泵电机功率为8500kW，在给水泵联锁启动时，母线电压均跌落至80%以下，根据泵启动后带负荷的情况，电压跌落持续时间可能维持10~15s，因此变频器瞬停保护对保证风机的持续运行非常重要。

电压型变频器功率单元由于有大容量的高压电容器（有储能作用）作为整流滤波环节，在输入完全掉电情况下能够维持输出一段时间，在装置内滤波电容越大、负荷运行频率越低、输出功率越小则可维持的时间越长。一般变频器可承受-30%电源电压下降和5个周期电源丧失。具体瞬停（低电压）时间根据电机定、转子的参数频率特性、电机最低运行频率来计算确定。

变频器动力电源瞬时断电再上电一般有两种情况，如果断电时间在100ms（即5个周波）之内，没有任何影响，变频装置连续运行;如果断电时间在100ms～“瞬停（低电压）时间”之内，变频器发“轻故障”信号，执行瞬停重启过程。如果断电时间超过瞬停（低电压）时间，变频器发“重故障”信号，风机停运。

5.4 增压风机、电机轴承润滑

变频器最低频率限制应根据风机、电机轴承低转速情况下轴承润滑能力来确定。我公司电机采用油环自润滑方式，电机转速降低，油环带油情况变差，可能会使轴承无法良好润滑，因此将最低频率定在20HZ。

5.5 电源开关62TL05、62TL06综合保护装置应能实现变压器和电动机两种保护方式。

5.6 变频器功率单元内有众多电子元件，受环境温度及空气洁净度等因素影响较大，运行中易发生故障跳闸，因此运行环境要求较高，需设置专用房屋，采用空调内循环冷却，空气与外界隔离。

5.7 从改造初期的分析、考察、方案制定到中期的设备招标、施工监督、房屋建造到后期的高压试验、高压送电、静态调试、动态调试、控制完善、投入运行等，均需要细致、深入的考虑和全程跟踪。

5.8 设备到达现场后，除进行必要的高压试验外，还需对设备的外观、连接可靠性等情况进行细致检查，不能认为出厂检验合格的产品就一定是优质的产品。

5.9 变频器的跳闸或被迫退出对系统影响很大，因此对变频器的质量要求较高，设备选型时应选择品牌知名度高、市场占有率大、售后服务比较好的产品。