高压变频器在热电厂引风机电机上的应用

2015-06-06王志刚

综合智慧能源 2015年8期

关键词：工频挡板旁路

王志刚

（黑龙江华电齐齐哈尔热电有限公司，黑龙江齐齐哈尔 161001）

高压变频器在热电厂引风机电机上的应用

王志刚

（黑龙江华电齐齐哈尔热电有限公司，黑龙江齐齐哈尔 161001）

为降低引风机的耗电率，以黑龙江华电齐齐哈尔热电有限公司热电联产机组锅炉引风机电机为例，对引风机电机高压变频器的运行情况进行了分析，确定了自动旁路的方式以及控制系统接口的硬件配置和软件组态逻辑。经济效益分析数据证明，热电厂主要辅机电机加装高压变频器后，降低了引风机的耗电率，节能效果良好。

引风机；高压大功率变频器；组态与逻辑；节能

0 引言

在热电联产机组的锅炉辅机中，引风机是耗电率较大的辅机之一，机组额定负荷时引风机的出口静叶挡板开度为90%左右，而实际运行中特别是后半夜机组负荷较低时，引风机的出口静叶挡板开度为50%左右，此时电机仍旧按照额定工况运行，引风机的出力大幅度降低了，而电机的耗电率却降低很小，造成了电能的大量浪费，致使机组的厂用电率很高。随着技术的发展，高压大功率变频器的价格逐渐降低，应用越来越广泛，如果在引风机的电机上加装高压变频器，当引风机的出口静叶挡板全开时，可以通过调整电机的转速来调整引风机的出力，以满足机组负荷的变化，降低引风机的耗电率，达到节能的目的。变频器的自身保护较多，经常会退出运行，从而导致引风机停止运行。正常运行时，锅炉是2台引风机并列运行，如一台引风机退出运行，可能导致另外一台引风机电机过负荷保护动作，致使2台引风机同时退出运行，最终导致锅炉灭火保护动作，造成非计划停运事故。如果采用自动旁路方式，当变频器退出运行时，直接切换到工频运行，可以保证引风机的运行，避免锅炉灭火保护动作，减少机组非计划停运事故。

1 变频器节能原理的理论分析［1-5］

1.1 电机与电源输入频率的关系

现场使用的三相异步电机铭牌中的转速是固定的，它是生产厂家根据电机的使用频率和内部极对数来决定的，三者之间的关系为

式中：n为电机转速；f为电机供电频率，我国为50 Hz；p为电机的极对数，电机出厂时已经确定；s为电机的转差率。

从以上关系式可以看出，当电机正常运行时，电机的转速是固定的，即电机的额定转速，但由于电机的转速与电源输入的频率是成正比的，当电源输入的频率发生变化时，电机的转速也随着变化。变频器工作原理就是把国家电网50 Hz的工频改变成0～50Hz之间的任何频率，使电机的转速与之对应，从而改变电机的工作转速。

1.2 引风机的转速与节能的关系分析

在流体力学中，引风机的技术参数存在以下关系

式中：qV为引风机的风量；p为引风机的风压；n为引风机的转速；T为引风机的转矩；P为引风机的轴功率。

从以上关系式可以看出，实际运行时引风机的出口风量和风机转速成正比，引风机的出口风压与风机转速的2次方成正比，而电机输入的电功率却与电机转速的3次方成正比。因此，改变引风机电机的转速，就可以改变引风机的出力。当引风机转速降低时，电机输入的轴功率却以电机转速的3次方的比例降低，致使引风机电机的电功率降低，电机的耗电率随之降低，达到节能的目的。

2 工程应用方案［6-8］

黑龙江华电齐齐哈尔热电有限公司（以下简称齐热公司）装机容量为2×300MW供热机组，为了响应节能减排的号召，齐热公司于2010年9月对＃1机组2台引风机的电机进行技术改造，在电机上加装高压大功率变频器，实际运行中节能效果明显。

技术改造选用了国电南京自动化股份公司生产的ASD6000S系列高压大功率变频器，它包括多个串联的功率模块，将多个低压功率模块的输出叠加起来得到高压输出，具有较高的可靠性；同时，变频器本身配备了完善的自我保护系统，降低了故障率。引风机电机参数为：型号，YKK710-8；额定功率，1600 kW；额定电压，6 kV；额定电流，192 A；额定转速，740 r／min。

引风机电机变频改造系统主电气接线如图1所示。根据机组运行的要求，每台引风机的电机加装1台变频器，保留电机电源断路器QF1的控制部分，增加自动切换的旁路断路器QF5，变频器控制回路的断路器QF3，QF4和变频控制装置。当引风机需要变频运行时，控制回路首先合上电源断路器QF1，确定旁路断路器QF5在断开状态，然后合上变频器输入断路器QF3及输出断路器QF4，由锅炉分散控制系统（DCS）的操作员站发出引风机的启、停指令，根据锅炉燃烧所需要的风量，由控制回路控制变频器的转速，达到调节风量的目的。当变频器出现故障时，若引风机和电机没有故障，引风机需要停止变频运行，转到工频运行，控制回路将首先断开变频器输入断路器QF3及输出断路器QF4，然后自动合上旁路断路器QF5，由原工频控制回路实现引风机的启、停及控制。同时，在电源断路器QF1与变频器输入断路器QF3、输出断路器QF4及旁路断路器QF5之间增加了机械闭锁和电气联锁，可以防止值班员误操作。

图1 引风机变频改造系统主电气接线

在引风机的自动控制逻辑中，保留了原有调节挡板的自动调节逻辑，新增了变频调节逻辑。变频运行时，变频调节投入自动，工频运行时，挡板调节投入自动，二者不能同时投入自动；同时，设置偏置功能，保证甲、乙两侧的风机在变频自动调节时出力平衡。

引风机增加了变频顺序启动和顺序停止逻辑。

（1）启动步序：启动冷却风机（任选一）→关引风机入口挡板→开引风机出口挡板→关引风机可调挡板（开度＜5%）→合QF3，QF4开关，合6 kV开关，延时10 s待变频器高压允许，启动变频器→开入口挡板，步序启动成功。

（2）停止步序：关可调挡板（开度＞5%）→关引风机入口挡板→停止变频器，分6 kV开关→关引风机出口挡板，步序停止结束。

当引风机保护跳闸时，原逻辑甲、乙两侧风机跳闸进主燃料跳闸（MFT）的信号不变，信号取高压开关（QF1）分闸位。单侧风机跳闸，关联的静叶、动叶挡板和本侧相关风机停止逻辑不变。增加了工频旁路未投入时变频器重故障跳闸风机逻辑；增加了工频旁路投入时，变频跳闸（即QF3同时分闸）切工频运行，若切换不成功，发“变频切工频失败”信号同时风机跳闸的逻辑。工频旁路切换失败逻辑图如图2所示。

图2 工频旁路切换失败逻辑

当运行中的变频器发生重故障跳闸或检修人员需要停运变频器处理缺陷时，需要将引风机由变频运行方式转换为工频运行方式，在引风机停止变频运行启动工频运行的过程中，需要根据机组的负荷情况将该侧引风机入口调节挡板关至设定位置，然后将风机转至工频运行方式。为实现锅炉风压无扰动切换，引风机工频启动时入口挡板应在理想位置，齐热公司针对引风机的变频切换工频做了多次试验，最后确定了切换时引风机的挡板位置（如图3所示）。引风机变频切工频时，关可调挡板至60%，合QF5开关，QF5开关合闸成功，即为变频切工频成功；变频分闸12 s后，若QF5未合闸成功，发“变频切工频失败”信号，分本侧引风机6 kV开关（QF1）。

3 经济效益分析

3.1 直接经济效益

将＃1机组的2台引风机改造后的耗电量和改造前同期的耗电量进行比较分析（改造前选取2008年11月到2009年2月的数据，改造后选取2009年11月到2010年2月的数据）：改造前的4个月中，＃1机组的发电量为487.8060GW·h，＃1引风机电机的耗电量为2.3624GW·h，＃2引风机电机的耗电量为1.576 5GW·h，2台引风机的耗电量为3.938 9 GW·h，占厂用电率的0.807%，机组的负荷率为56.46%；改造后的4个月中，＃1机组的发电量为537.0660GW·h，＃1引风机电机的耗电量为2.2131 GW·h，＃2引风机电机的耗电量为1.4945GW·h，2台引风机的耗电量为3.70757GW·h，占厂用电率的0.690%，机组的负荷率为62.16%。可以看出，改造后的厂用电率比改造前降低了0.117百分点，节电率达到了14.5%。机组厂用电率每降低1百分点，机组供电煤耗可降低3.7000 g／（kW·h），因此引风机电机加装变频器后，机组的供电煤耗降低了0.4366 g／（kW·h），节能效果明显。