英威騰CHH100系列高壓變頻器在電廠引風機上的應用
關鍵詞：
高壓變頻器 引風機 節能降耗
引言
高壓交流變頻調速技術是上世紀90年代迅速發展起來的一種新型電力傳動調速技術，主要用于交流電動機的變頻調速，其技術和性能勝過其它任何一種調速方式（如降壓調速、變極調速、滑差調速、內反饋串級調速和液力耦合調速）。變頻調速以其顯著的節能效益、高精確的調速精度、寬范圍的調速范圍、完善的電力電子保護功能，以及易于實現的自動通信功能，得到了廣大用戶的認可和市場的確認，在運行的安全可靠、安裝使用、維修維護等方面，也給使用者帶來了極大的便利和快捷的服務，使之成為企業采用電機節能方式的首選。
山西某發電廠一期兩臺機組為500MW汽輪發電機組，兩臺機組鍋爐分別裝有兩臺引風機，均為軸流風機，風量調節為入口擋板調節方式；機組運行中，引風機的入口擋板開度最大不到85%左右。由于這樣的調節方法僅僅是改變通道的流通阻力，而驅動源的輸出功率并沒有改變，節流損失相當大，浪費了大量電能。致使廠用電率高，供電標煤耗高，發電成本不易降低。同時，電機啟動時會產生5～7倍的沖擊電流，對電機構成損害。鍋爐引風機系統自動化水平低，不能及時調節，運行效率低。為此采用變頻調節方式對風機系統進行改造，以減少溢流和節流損失，提高系統運行的經濟性。
山西某發電廠一期兩臺機組為500MW汽輪發電機組，兩臺機組鍋爐分別裝有兩臺引風機，均為軸流風機，風量調節為入口擋板調節方式；機組運行中，引風機的入口擋板開度最大不到85%左右。由于這樣的調節方法僅僅是改變通道的流通阻力，而驅動源的輸出功率并沒有改變，節流損失相當大，浪費了大量電能。致使廠用電率高，供電標煤耗高，發電成本不易降低。同時，電機啟動時會產生5～7倍的沖擊電流，對電機構成損害。鍋爐引風機系統自動化水平低，不能及時調節，運行效率低。為此采用變頻調節方式對風機系統進行改造，以減少溢流和節流損失，提高系統運行的經濟性。
鍋爐引風機高壓變頻調速系統構成
1.鍋爐引風機的運行工況及特點
根據目前設備配置和運行狀況，風量隨機組負荷變動，當需要調節風量時，由于風機的型號在早期已經選定，故只能通過入口擋板開度來解決風量的問題，造成極大浪費，同時由于這些調節裝置的響應速度，及與風量的非線性關系，使得同機組DCS系統配合不利，自動化水平大大降低。有鑒于此，將每臺爐的引風機改為變頻驅動。風量由DCS或手動給定4～20mA信號調節。
2.鍋爐引風機高壓變頻調速系統構成
CHH100-2200-6（適配2200kW/6kV電機）高壓變頻器1臺、系統旁路開關柜（2200kW）1臺（手動，用于變頻/工頻切換）、2臺500MW機組配置引風機4臺，采用“一拖一”變頻控制，共有4套引風機變頻調速系統。
CHH100-2200-6變頻器參數如下：
CHH100-2200-6（適配2200kW/6kV電機）高壓變頻器1臺、系統旁路開關柜（2200kW）1臺（手動，用于變頻/工頻切換）、2臺500MW機組配置引風機4臺，采用“一拖一”變頻控制，共有4套引風機變頻調速系統。
CHH100-2200-6變頻器參數如下：
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變頻器容量（kVA）
|
2250
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模擬量輸入
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3路模擬量輸入AI1、AI2、AI3
AI1、AI2：0～10V/0～20mA
AI3：-10V～10V
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適配電機功率（kW）
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2200
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模擬量輸出
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4路模擬量輸出AO1～AO4
輸出范圍：
AO1、AO2：0～10V
AO3、AO4：0～10V/0～20mA
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額定輸出電流（A）
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220
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加減速時間
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0.1～3600s
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輸入頻率（Hz）
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45～55
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控制開關量輸入輸出
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16路數字量輸入
8路繼電器輸出
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額定輸入電壓（V）
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6000V±10%
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運行環境溫度
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-10℃ ～+40℃
（＞40℃加裝強制風冷單元）
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輸入功率因數
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0.95（>20%負載）
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貯存/運輸溫度
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-40～70度
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變頻器效率
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額定負載下>0.96
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冷卻方式
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強迫風冷
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輸出頻率范圍（Hz）
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0～120
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環境濕度
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5~95%，無凝露
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輸出變頻分辨率（Hz）
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0.01
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安裝海拔高度
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<1000m
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高速脈沖輸入輸出
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范圍：0～50KHZ
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噪音水平
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＜小于75dB
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過載能力
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變頻器過載：120% 60s；電機過流保護：150%
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防護等級
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IP20
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3.鍋爐引風機高壓變頻調速系統特點
風機調速是由電廠操作人員通過DCS系統的CRT上的模擬操作器，參照煙氣溫度、鍋爐蒸汽溫度、負壓等參數，對DCS的輸出值進行調節，此輸出值為反饋給變頻器的4～20mA標準信號，對應不同的頻率（速度）給定值，變頻器通過比較轉速輸出量與DCS速度給定之間的大小，自動調節電機的轉速，實現風機轉速控制，從而達到調節的目的。
在此基礎上，經過一段時間的積累，可將不同負荷和溫度下的給定值繪制成曲線，定出安全的上下限，制成風機調速專用算法，同時利用熱工一次測量元件，將采集的負荷和溫度參數及負壓的變化值送到機組DCS系統中，在機組DCS系統中，進行控制運算，將計算結果形成4～20mA的速度給定指令信號，反饋給變頻器，變頻器通過比較轉速輸出量與DCS速度給定之間的大小，自動調節電機的轉速，實現風機的轉速自動控制。
鍋爐引風機變頻系統具有如下特點：鍋爐引風機變頻系統，既可以變頻調速運行，也可以直接投工頻運行；為變頻器提供的交流220V控制電源掉電時，由于變頻器的控制電源和主電源沒有相位及同步要求，變頻器可以使用UPS和直流供電繼續運行，不會停機；在現場DCS速度給定信號掉線時，變頻器提供報警的同時，可按原轉速繼續運行，維持機組的工況不變；變頻器配置單元旁路功能，在局部故障時，變頻器可將故障單元旁路，降額繼續運行，減少突然停機造成的損失；保留原電機繼續使用，不改變原有風機設備任何基礎；和電廠的DCS系統實現無縫連接。
■ 鍋爐引風機變頻調速節能分析計算
1.風機變頻調速的節能原理
當采用變頻調速時，可以按需要升降電機轉速，改變風機的性能曲線，使風機的額定參數滿足工藝要求，根據風機的相似定律，變速前后風量、風壓、功率與轉速之間的關系為：
Q1/Q2=N1/N2
H1/H2=(N1/N2) 2
P1/P2= (N1/N2) 3
Q1、H1、P1—風機在N1轉速時的風量、風壓、功率
Q2、H2、P2—風機在N2轉速時相似工況下的風量、風壓、功率
假如轉速降低一半，即：N2/N1=1/2，則P2/P1=1/8，可見降低轉速能大大降低軸功率達到節能的目的。當轉速由N1降為N2時，風機的額定工作參數Q、H、P都降低了。但從效率曲線л-Q看，Q2與Q1點的效率值基本是一樣的。也就是說當轉速降低時，額定工作參數相應降低，但效率不會降低，有時甚至會提高。因此在滿足操作要求的前提下，風機仍能在同樣甚至更高的效率下工作。
假如轉速降低一半，即：N2/N1=1/2，則P2/P1=1/8，可見降低轉速能大大降低軸功率達到節能的目的。當轉速由N1降為N2時，風機的額定工作參數Q、H、P都降低了。但從效率曲線л-Q看，Q2與Q1點的效率值基本是一樣的。也就是說當轉速降低時，額定工作參數相應降低，但效率不會降低，有時甚至會提高。因此在滿足操作要求的前提下，風機仍能在同樣甚至更高的效率下工作。
降低了轉速，風量就不再用關小風門來控制，風門始終處于全開狀態，避免了由于關小風門引起的風力損失增加，也就避免了總效率的下降，確保了能源的充分利用。
工頻50Hz電網直接啟動，對電網和機械沖擊較大，聲響很大，估算其啟動一次的損耗：WS=0.5JωO2(1+R1/R2)TM/ TM- TL，離心風機負載的平方轉矩特性與異步電動機起動時的機械特性曲線部分相似，可以TM/ TM- TL =1計。而變頻軟起動損耗很小，只有上述WS的1/10，則每年的起動節能也是很可觀的。
當采用變頻調速時，50Hz滿載時功率因數為接近1，工作電流比電機額定電流值要低許多，這是由于變頻裝置的內濾波電容產生的改善功率因數的作用，可以為電網節約容量20%左右。
2.鍋爐引風機高壓變頻調速節能分析計算工頻50Hz電網直接啟動，對電網和機械沖擊較大，聲響很大，估算其啟動一次的損耗：WS=0.5JωO2(1+R1/R2)TM/ TM- TL，離心風機負載的平方轉矩特性與異步電動機起動時的機械特性曲線部分相似，可以TM/ TM- TL =1計。而變頻軟起動損耗很小，只有上述WS的1/10，則每年的起動節能也是很可觀的。
當采用變頻調速時，50Hz滿載時功率因數為接近1，工作電流比電機額定電流值要低許多，這是由于變頻裝置的內濾波電容產生的改善功率因數的作用，可以為電網節約容量20%左右。
（1）設備參數
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設備名稱
|
引風機
|
|
風機型號
|
ARB4500-2A/90
|
|
流量（105Nm3/h）
|
20.376
|
|
全壓（pa）
|
1256
|
|
電動機型號
|
YKK2200-16
|
|
電動機功率Pdn（kW）
|
2200
|
|
電動機轉速N0(r/min)
|
372
|
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電動機電壓U0（kV）
|
6
|
|
電動機電流I0（A）
|
292
|
|
電動機功率因數
|
0.84
|
（2）發電機不同負荷下風機運行參數統計
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引風編號
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機組負荷(MW)
|
302
|
350
|
457
|
499
|
|
A
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開度（%）
|
53
|
85
|
69.7
|
74
|
|
電機電流（A）
|
168.5
|
191
|
182.4
|
185.7
|
|
|
B
|
開度（%）
|
52
|
85
|
69.3
|
72.2
|
|
電機電流（A）
|
168.2
|
189
|
177.6
|
180
|
（3）引風機節能效果分析計算
工頻情況的功率計算：由于在運行過程中，爐側需根據機組負荷變化的要求同時調整A、B風機完成過程控制量的調節，且A、B風機運行性能指標一致；因此可以對A、B引風機運行數據分別合并處理。并且采用流量百分比和擋板開度之間關系的變化趨勢曲線對引風機的變頻功耗進行推倒。
Pd：電動機功率；U：電動機輸入電壓；I：電動機輸入電流；COSφ：功率因數。計算公式：Pd=1.732×U×I×COSφ。根據公式，由電機的Pdn、I0、U0可計算得出COSφ值。引風機數據處理后得下表：
工頻情況的功率計算：由于在運行過程中，爐側需根據機組負荷變化的要求同時調整A、B風機完成過程控制量的調節，且A、B風機運行性能指標一致；因此可以對A、B引風機運行數據分別合并處理。并且采用流量百分比和擋板開度之間關系的變化趨勢曲線對引風機的變頻功耗進行推倒。
Pd：電動機功率；U：電動機輸入電壓；I：電動機輸入電流；COSφ：功率因數。計算公式：Pd=1.732×U×I×COSφ。根據公式，由電機的Pdn、I0、U0可計算得出COSφ值。引風機數據處理后得下表：
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機組負荷(MW)
|
302
|
350
|
457
|
499
|
|
平均開度值（%）
|
52.5
|
85
|
69.5
|
73.1
|
|
電機電流和（A）
|
336.7
|
380
|
360
|
365.7
|
|
總功率（kW）
|
2939.15
|
3317.13
|
3142.54
|
3192.30
|
通過對上述數據中總功率和擋板平均開度之間關系的變化趨勢分析，可以看出風門擋板開度和總功率之間略呈線形關系。如下圖所示：
 |
現取457、499MW負荷點的平均開度百分比和電動機總功率數據對100%開度情況下的總耗電功率數據特性趨勢進行計算，并且推測出100%開度情況下的總耗電功率值：
P100=(3192.30-3142.54)/(73.1-69.5)×(100-73.1)+3192.73=3935.89kW
即：100%擋板開度電動機全速運行情況下的實際總功率為3935.89kW。
變頻情況下的功率計算及節電率分析：風機設備屬平方轉矩負載，其轉速N與流量Q，壓力H以及軸功率P具有如下關系：Q∝N,H∝N2,P∝N3,即，流量與轉速成正比，壓力與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的立方成正比。通過風機數據，依據P//Pdn=( N // N0)3=(Q//Q0)3公式可依次求得風機在采用變頻調速運行時各負荷對應的風機總功耗。Pdn為擋板100%全開情況下的功率值等于P100。對于風機負載，風門開度的比值可近似看成是風量的比值。
則變頻運行情況下，較工頻運行情況下的節電率：л= (Pd- Pb)/ Pd×100%。根據上述公式可得下表結果：
P100=(3192.30-3142.54)/(73.1-69.5)×(100-73.1)+3192.73=3935.89kW
即：100%擋板開度電動機全速運行情況下的實際總功率為3935.89kW。
變頻情況下的功率計算及節電率分析：風機設備屬平方轉矩負載，其轉速N與流量Q，壓力H以及軸功率P具有如下關系：Q∝N,H∝N2,P∝N3,即，流量與轉速成正比，壓力與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的立方成正比。通過風機數據，依據P//Pdn=( N // N0)3=(Q//Q0)3公式可依次求得風機在采用變頻調速運行時各負荷對應的風機總功耗。Pdn為擋板100%全開情況下的功率值等于P100。對于風機負載，風門開度的比值可近似看成是風量的比值。
則變頻運行情況下，較工頻運行情況下的節電率：л= (Pd- Pb)/ Pd×100%。根據上述公式可得下表結果：
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機組負荷(MW)
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302
|
350
|
457
|
499
|
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平均開度（%）
|
52.5
|
85
|
69.5
|
73.1
|
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變頻總功率（kW）
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569.5351
|
2417.127
|
1321.287
|
1537.428
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節電率（%）
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80.62
|
27.13
|
57.95
|
51.84
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結束語
隨著廠網分開，競價上網日趨激烈，如何降低發電成本、提高發電企業競價上網的競爭能力、加強內部管理、挖潛節能是電廠必須認真研究的一件大事，采用高壓變頻器對電廠高能耗用電設備如：送風機、引風機、給水泵、循環水泵等技術改造，不僅能收到直接的降低廠用電、降低供電煤耗，增大上電網電量帶來的直接經濟效益，而且設備乃至機組的安全可靠性提高，減少機組故障帶來的隱形經濟效益。高壓變頻器技術在發電廠有值得推廣應用的廣闊空間。