电厂引风机采用高压变频调速技术改造

牛亚军 姚军营

【摘要】陕西银河榆林发电公司是拥有2×135MW机组的火电企业，2012年公司对1号机组锅炉的2台引风机进行高压变频改造，取得了良好的节能效果，促进了企业环保，提高了企业效益，为后续对其他风机的改造提供了宝贵经验。

【关键词】锅炉引风机;高压变频;节能

风机是火力电厂锅炉的重要辅助设备，对锅炉正常燃烧起着至关重要的作用，同时其功率很大，消耗的电量也是非常可观。引风机是将燃料在锅炉中燃烧产生的烟气排出，并起到维持炉膛内负压的作用，烟气在引风机作用下进入空预器——电除尘后进入到脱硫系统或直接排入到烟囱。

引风机的耗电量约占厂用电量的25%。由于机组正常运行时，需要的风量比风机额定出力小很多，甚至只有其一半左右，因此运行中需要调节风机的实际输送风量。我厂风机改造前采用挡板来调节和控制风量，大部分时间挡板开度小，只有35%-60%，这样很多能量被白白消耗在了挡板节流装置上，造成了电能的巨大浪费。如果能将浪费的电能进行节约，对实践节能减排，提高环保水平、提高企业的经济效益意义很大。

1.设备概况

银河榆林发电公司2*135MW机组的锅炉型号为HG440/13.7-YM14，是哈尔滨锅炉厂有限公司设计和制造的单锅筒、单炉膛、自然循环、集中下降管、一次中间再热、四角切向燃烧、л型布置的固态排渣煤粉锅炉。在其两侧分别布置一组送风机、一次风机、引风机。

引风机技术参数：

项目  单位         设计参数

型号  -----       Y4-2*60No22.5F

型式  -----       离心风机 双吸双

支撑 单叶板

风压   Pa         4475（计算3729）

风量   m?/s       135.85（计算123.5）

转速   r/min      980

效率   ----       运行工况下～78

调节装置型式 ---- 入口导页调节风门

引风机配用电机参数：

项目  单位         设计参数

型号  -----        YKK560--6

功率  KW             900

電压  V             6000

电流  A              107

转速  r/min          994

2.存在问题分析

1）我公司6KV引风机电机功率大，能耗高。负载率在50%左右，电机长期处于轻载状态会导致其效率低、经济性差，功率因数低、线损加重。

2）三相电机的直接启动方式，启动电流很大，一般是额定电流的4-7倍。会对电机和通风管网造成瞬时冲击，缩短设备使用寿命。

3）风门调节方式是依靠提高流通阻力来实现的，属于耗能型调节方式。我厂风机风门的开度小，存在大量的电能浪费。

4）由于风量调节挡板装置老化，故障多，给机组的安全稳定运行造成了威胁

由风机和水泵类负载的特性可知：其负载转矩与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。可见，若可以根据所需的流量调节转速，就可获得很好的节电效果。近年来随着高压变频技术的发展，可靠性不断提高，设备价格也不断下降，高压大容量变频器已广泛应用。

3.变频调速原理

根据电机学的原理，三相交流异步电动机的转速为：

上式中n为电机转子转速，f为电源频率，p为电机的磁极对数，s为转差率。

变频调速是通过改变电源频率f来调节电动机转速的。可以看出n与f之间为线性关系，只要改变电机的运行频率，就可调整电机的转速。这就是变频调速的基本原理。

风机水泵类电机变频调速的节电原理：

对于水泵和风机，由流体动力学的原理可知，流体流量与水泵和风机的转速一次方成正比：

（Q为流量，n为转速，K1为常量）

于是得到：

水泵或风机的扬程（压力）与转速二次方成正比：

（H为扬程，n为转速，K2为常量）

水泵和风机的功率为：

（P为功率，n为转速，K= K1·K2）

则功率与转速三次方成正比，即：

上述各式中，脚标“0”均表示额定工况参数。

则可以得到节电率的计算公式：

由以上理论可知水泵风机类负载，其转速、扬程（压力）和功率的关系如图1所示。

图1 关系曲线

当转速减小时，电机的能耗将以其三次方的倍率下降，因此变频调速的节电效果是非常显著的。

4.变频器选型及介绍

目前国际公认的最佳电机节能技术是变频调速技术。在国内，电机变频调速节能技术的应用已经相当普遍，并且效果很好。另外，该技术已经写入“十二五规划中”关于节能减排的相关文件里，体现了国家对该技术的充分肯定。

经过调研，我公司委托北京一家节能公司对引风机进行变频改造，选用ZINVERT型智能高压变频调速系统，它采用多极H桥功率单元箱级联的方式实现了高压完美波形输出，无须升压即可直接拖动普通异步电机，无须加装任何滤波器，谐波指标严格符合IEC及国标对电网谐波最为严酷的要求。

4.1 ZINVERT变频调速系统工作原理与结构简介

ZINVERT系列高压变频调速系统采用功率单元串联技术，解决了器件耐压的问题，级间SPWM信号移相叠加，提高了输出电压谐波性能、降低输出电压的dv/dt;通过电流多重化技术降低输入侧谐波，减小了对电网的谐波污染;主控制器采用双数字信号处理器（DSP）、超大規模集成电路可编程器件（CPLD和FPGA）为核心，配合数据采集、单元控制和光纤通信回路以及内置的可编程逻辑控制器（PLC）构成系统控制部分。

4.1.1 系统组成与原理

ZINVERT系列智能高压变频调速成套系统整体结构上由整流变压器、功率逆变柜及控制柜组成，实际使用时还可按用户要求配套手动或自动工频旁路切换柜。

4.1.2 整流变压器

整流变压器副边绕组相互隔离，并采用移相延边三角形接法，保证系统工作在20%负载以上时电网侧的功率因数保持在0.96以上。

4.1.3 功率单元电气原理

功率单元主要由三相全桥整流器、滤波电容器组、IGBT逆变（H桥）构成，同时还包括功率器件驱动、保护、信号采集、光纤通讯等功能组成的控制电路。通过控制IGBT的工作状态，输出PWM电压波形。其电气原理如图2-1所示。单元输出电压如图2-2所示。

图2-1 系统功率单元图

图2-2单元PWM输出

图2-3 6kV系统6级输出电压叠加示意图

图2-4 6kV系统6级输出相电压波形

4.1.4 功率单元的串联

ZINVERT系列高压变频调速系统是由多个功率单元经过移相串联而成。电压叠加原理类同于“电池组叠加”技术，以如图2-3所示6kV每相六单元串联为例，每个功率单元输出交流有效值Vo为577V，相电压即达到3464V，线电压则为6000V，输出相电压波形如图2-4所示，谐波含量很小，已很接近标准正弦波形。

4.2 所选用高压变频调速系统特点

ZINVERT系列高压变频调速系统适用于标准中压（3kV，6kV，10kV）三相交流电动机，具有以下的特点：

4.2.1 输入谐波小

ZINVERT系列高压变频调速系统在电源侧采用多达18或24重化（对3kV系统采用3级或4级单元串联）、30或36或48或54重化（对6kV系统采用5级或6级或8级或9级单元串联）、54或60重化的（对10kV系统采用9级或10级单元串联）整流技术，电网侧谐波污染小，功率因数高，符合GB14549-93标准和IEEE std 519-1992电能质量标准对电压、电流谐波失真度的要求，无需功率因数补偿及谐波抑制装置，对同一电网上用电的其它电气设备不产生谐波干扰。

4.2.2 高功率因数

ZINVERT系列高压变频调速系统在全速范围内维持高功率因数，满载功率因数可达0.95以上，从而减少由于功率因数低而引起的用户电力变压器设备的利用率和用户端的功率因数补偿问题。

4.2.3 高效率

ZINVERT系列高压变频调速系统满载具有>95%的高效率，远高于传统类型调速的系统。

4.2.4 输入电压适应性强

电网输入侧电压波动值与额定电压比较有-15%～+15%范围内时，通过电压波动补偿算法来自动补偿输出，保证额定输出;网侧电压在65%额定值至115%额定值内不停机，保证电机持续运行（在由于电源电压较低可能不能满载运行，即可能导致降额运行）。

4.2.5 输出谐波小

ZINVERT系列高压变频调速系统输出侧采用移相多重化的正弦脉宽调制（SPWM）、无速度传感器矢量控制技术，输出谐波非常小，无需输出滤波装置即可适配各种电机。输出电压失真度低，电流谐波含量少，不增加电机的运转噪音，避免电机额外发热，减小转矩脉动，减少设备上的机械应力。

4.2.6 高可靠性、维护方便

ZINVERT系列高压变频调速系统功率回路采用的IGBT功率模块，具有较大的电压设计裕度，IGBT模块的触发与过流保护采用专用驱动模块电路，具有高可靠性。

ZINVERT系列高压变频调速系统的核心控制系统采用双DSP及超大规模集成电路技术，工业级机箱设计，具有可靠的电磁防护功能，集高压变频调速控制和专业的电机保护功能于一体。成套系统具备完善的故障定位和保护功能，针对电机和电缆可能发生的相间短路和单相接地故障，特殊设计了三重防输出相间短路功能和过电压抑制器，产品更安全可靠（首家通过国家权威机构检测包括输出相间短路保护在内的所有保护功能）。

ZINVERT高压变频调速系统采用模块化设计，结构工艺设计完善，单元组件具有互换性，若出现故障，可使用简单工具在几分钟内进行更换。成套装置具备安全的保护和防误操作闭锁功能。

ZINVERT高压变频调速系统具有功率单元自动旁路技术，使系统能够带故障运行，从而大大增加了系统的可靠性与用户设备的可利用率，适用于电厂等高可靠性要求工业现场应用场合。

4.2.7 断电恢复再启动

电网瞬时停电或发生瞬时可恢复性故障后，在允许等待的时间（长度可由用户根据工艺要求自行设定，最长可达30秒或更长）内，允许系统运行条件恢复后，在0.2～1.0秒内ZINVERT高压变频调速系统可自动搜索电机转速，实现无冲击再启动，恢复运行至设定状态，保证电机运行的持续运行可靠性，避免不必要停机造成的损失。

4.2.8 软启动、无冲击电流

ZINVERT高压变频调速系统对电机进行软启动，具有线性和二次方曲线形式来控制电压-频率比，每种曲线形式有多条曲线供用户选择。起动时间由用户设定，内部设有加速过流限速功能，以确保电机启动的冲击电流，保证电机的安全运行，延长其使用寿命。启动过程自动搜索电机转速，停机前不必保证电机停转，能够实现对电网和电动机无过流冲击的快速启动。

5.改造设计方案

公司决定利用1号机组小修机会，对1号锅炉所属两台引风机进行高压变频改造。

5.1 取消風门调节，使之全开，采用变频调速方式改变风机电机的转速适应风量的需求，实现节能降耗。考虑到节能改造的可靠性和自动化程度，具体改造措施如下：

①变频器配置方案：采用高压变频器进行一拖一调速。

②电气控制方式：变频装置的运行监控并入原有DCS系统，并设计本地和远程控制切换功能。

③旁路系统：保留原系统的启动柜，作为高压变频器的备用手段。变频器设计旁路电路，保障变频器故障时设备可以工频运行，并方便检修。

④控制电源：采用多回路供电技术。

⑤变频器的散热：室内加空调冷却方式。

⑥进出线方式：电缆下进出线，电缆沟敷设。

⑦安装位置：专用高压变频设备间。

5.2 改造后的控制电路

高压变频器通过硬接线的方式并入原有DCS监控系统。可以实现自动上传运行参数，远程控制启停、调节输出频率等功能。

高压变频器和DCS系统之间的信号：

DCS的DO信号3个：启动、停止、急停;

DCS的DI信号7个：运行、停止、工频状态、变频状态、轻故障、重故障、远程/本地;

DCS的AO信号1个：频率给定;

DCS的AI信号2个：频率反馈、电流反馈变频故障紧急切旁路。

5.3 变频故障紧急切旁路

针对变频装置出现故障导致电机不能正常运行的情况，我公司专门配置了手动旁路柜。

5.4 手动旁路

一拖一手动旁路如图3所示。手动旁路柜中K2为刀闸，闭合a端，导通变频回路;闭合b端，导通工频回路。

变频器故障停机后，控制器发出节点信号控制进线开关QF1进行分闸，向DCS报警，并向远端工控机发送故障代码。DCS控制人员到报警后，一面采取紧急处理操作，一面通知处理人员赶赴高压变频设备间。处理人员到达后采取如下措施：

打开柜门，断开K1，将K2从a端切换到b端。处理人员通知DCS控制人员进行QF1合闸。

DCS控制人员收到合闸通知后，采取启动准备程序后，对QF1进行合闸，并调节1号电机风门开度和2号电机频率至正常运行值。电机工频启动，进入工频运行状态。

5.5 远程监控

高压变频器通过硬接线的方式并入原有DCS监控系统。可以实现自动上传运行参数，远程控制启停、调节输出频率等功能。

另外，考虑到检修的方便性，高压变频器上设置了本地和远程控制切换功能，方便检修人员在现场就近操作。

图3 电气主回路图

5.6 变频器的控制电源

高压变频器具备以下三路控制电源供电回路：

外部提供控制主电源：从外部接入380V电源，保障控制回路供电的连续性、稳定性。

内部高压自产控制辅助电源：内部变压得到，作为运行中主电源的辅助电源。

内置UPS提供应急电源：主电源掉电后由UPS提供应急电源，为系统恢复提供处理时间，保障控制回路的正常运行

6.改造后的效果

1号机组两台引风机经过改造后运行一年多来，在节能公司人员维护下，未出现过故障，运行良好。经过对不同工况条件下，与改造前电机运行参数的对比，统计出一年能够节约电费近百万元。除此外，风门执行机构在运行时处于全开状态，不需再调整，减少了故障率和维护工作量。引风机电机实现了软启动，减少了启停时对电网的冲击，提高了设备功率因数。

7.结论

电厂风机的高压变频改造，对节能减排，提高火电厂环保水平，有十分积极的作用。同时使企业减少了资源消耗和浪费，提高了其经济效益。

参考文献

[1]成开友.变频调速技术在锅炉风机上的应用和节能效果分析[J].节能技术，2002，20（1）：36-38.

[2]周科，刘俊伟，张劲.电站锅炉风机的节能改造[J].热力发电，2005（8）：61-62.

[3]ZINVERT系列智能高压变频调速系统用户手册（v1.0）.

作者简介：牛亚军（1985—），大学本科，电气二次及热控工程师，现供职于陕西榆林能源集团银河榆林发电公司设备部。