英威騰CHH100系列高壓變頻器在電廠引風機上的應(yīng)用
關(guān)鍵詞：
高壓變頻器 引風機 節(jié)能降耗
引言
高壓交流變頻調(diào)速技術(shù)是上世紀90年代迅速發(fā)展起來的一種新型電力傳動調(diào)速技術(shù)，主要用于交流電動機的變頻調(diào)速，其技術(shù)和性能勝過其它任何一種調(diào)速方式（如降壓調(diào)速、變極調(diào)速、滑差調(diào)速、內(nèi)反饋串級調(diào)速和液力耦合調(diào)速）。變頻調(diào)速以其顯著的節(jié)能效益、高精確的調(diào)速精度、寬范圍的調(diào)速范圍、完善的電力電子保護功能，以及易于實現(xiàn)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(wù)，使之成為企業(yè)采用電機節(jié)能方式的首選。
山西某發(fā)電廠一期兩臺機組為500MW汽輪發(fā)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(diào)節(jié)為入口擋板調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)方法僅僅是改變通道的流通阻力，而驅(qū)動源的輸出功率并沒有改變，節(jié)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(fā)電成本不易降低。同時，電機啟動時會產(chǎn)生5～7倍的沖擊電流，對電機構(gòu)成損害。鍋爐引風機系統(tǒng)自動化水平低，不能及時調(diào)節(jié)，運行效率低。為此采用變頻調(diào)節(jié)方式對風機系統(tǒng)進行改造，以減少溢流和節(jié)流損失，提高系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性。
山西某發(fā)電廠一期兩臺機組為500MW汽輪發(fā)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(diào)節(jié)為入口擋板調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)方法僅僅是改變通道的流通阻力，而驅(qū)動源的輸出功率并沒有改變，節(jié)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(fā)電成本不易降低。同時，電機啟動時會產(chǎn)生5～7倍的沖擊電流，對電機構(gòu)成損害。鍋爐引風機系統(tǒng)自動化水平低，不能及時調(diào)節(jié)，運行效率低。為此采用變頻調(diào)節(jié)方式對風機系統(tǒng)進行改造，以減少溢流和節(jié)流損失，提高系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性。
鍋爐引風機高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)構(gòu)成
1.鍋爐引風機的運行工況及特點
根據(jù)目前設(shè)備配置和運行狀況，風量隨機組負荷變動，當需要調(diào)節(jié)風量時，由于風機的型號在早期已經(jīng)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(diào)節(jié)裝置的響應(yīng)速度，及與風量的非線性關(guān)系，使得同機組DCS系統(tǒng)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(qū)動。風量由DCS或手動給定4～20mA信號調(diào)節(jié)。
2.鍋爐引風機高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)構(gòu)成
CHH100-2200-6（適配2200kW/6kV電機）高壓變頻器1臺、系統(tǒng)旁路開關(guān)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(diào)速系統(tǒng)。
CHH100-2200-6變頻器參數(shù)如下：
CHH100-2200-6（適配2200kW/6kV電機）高壓變頻器1臺、系統(tǒng)旁路開關(guān)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(diào)速系統(tǒng)。
CHH100-2200-6變頻器參數(shù)如下：
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變頻器容量（kVA）
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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(guān)量輸入輸出
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16路數(shù)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(huán)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(shù)
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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(huán)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(diào)速系統(tǒng)特點
風機調(diào)速是由電廠操作人員通過DCS系統(tǒng)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(shù)，對DCS的輸出值進行調(diào)節(jié)，此輸出值為反饋給變頻器的4～20mA標準信號，對應(yīng)不同的頻率（速度）給定值，變頻器通過比較轉(zhuǎn)速輸出量與DCS速度給定之間的大小，自動調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)風機轉(zhuǎn)速控制，從而達到調(diào)節(jié)的目的。
在此基礎(chǔ)上，經(jīng)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(diào)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(shù)及負壓的變化值送到機組DCS系統(tǒng)中，在機組DCS系統(tǒng)中，進行控制運算，將計算結(jié)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(zhuǎn)速輸出量與DCS速度給定之間的大小，自動調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)風機的轉(zhuǎn)速自動控制。
鍋爐引風機變頻系統(tǒng)具有如下特點：鍋爐引風機變頻系統(tǒng)，既可以變頻調(diào)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(xù)運行，不會停機；在現(xiàn)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(zhuǎn)速繼續(xù)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(xù)運行，減少突然停機造成的損失；保留原電機繼續(xù)使用，不改變原有風機設(shè)備任何基礎(chǔ)；和電廠的DCS系統(tǒng)實現(xiàn)無縫連接。
■ 鍋爐引風機變頻調(diào)速節(jié)能分析計算
1.風機變頻調(diào)速的節(jié)能原理
當采用變頻調(diào)速時，可以按需要升降電機轉(zhuǎn)速，改變風機的性能曲線，使風機的額定參數(shù)滿足工藝要求，根據(jù)風機的相似定律，變速前后風量、風壓、功率與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為：
Q1/Q2=N1/N2
H1/H2=(N1/N2) 2
P1/P2= (N1/N2) 3
Q1、H1、P1—風機在N1轉(zhuǎn)速時的風量、風壓、功率
Q2、H2、P2—風機在N2轉(zhuǎn)速時相似工況下的風量、風壓、功率
假如轉(zhuǎn)速降低一半，即：N2/N1=1/2，則P2/P1=1/8，可見降低轉(zhuǎn)速能大大降低軸功率達到節(jié)能的目的。當轉(zhuǎn)速由N1降為N2時，風機的額定工作參數(shù)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(zhuǎn)速降低時，額定工作參數(shù)相應(yīng)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(zhuǎn)速降低一半，即：N2/N1=1/2，則P2/P1=1/8，可見降低轉(zhuǎn)速能大大降低軸功率達到節(jié)能的目的。當轉(zhuǎn)速由N1降為N2時，風機的額定工作參數(shù)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(zhuǎn)速降低時，額定工作參數(shù)相應(yīng)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(zhuǎn)速，風量就不再用關(guān)小風門來控制，風門始終處于全開狀態(tài)，避免了由于關(guān)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(wǎng)直接啟動，對電網(wǎng)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(zhuǎn)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(jié)能也是很可觀的。
當采用變頻調(diào)速時，50Hz滿載時功率因數(shù)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(nèi)濾波電容產(chǎn)生的改善功率因數(shù)的作用，可以為電網(wǎng)節(jié)約容量20%左右。
2.鍋爐引風機高壓變頻調(diào)速節(jié)能分析計算工頻50Hz電網(wǎng)直接啟動，對電網(wǎng)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(zhuǎn)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(jié)能也是很可觀的。
當采用變頻調(diào)速時，50Hz滿載時功率因數(shù)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(nèi)濾波電容產(chǎn)生的改善功率因數(shù)的作用，可以為電網(wǎng)節(jié)約容量20%左右。
（1）設(shè)備參數(shù)
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設(shè)備名稱
|
引風機
|
|
風機型號
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ARB4500-2A/90
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流量（105Nm3/h）
|
20.376
|
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全壓（pa）
|
1256
|
|
電動機型號
|
YKK2200-16
|
|
電動機功率Pdn（kW）
|
2200
|
|
電動機轉(zhuǎn)速N0(r/min)
|
372
|
|
電動機電壓U0（kV）
|
6
|
|
電動機電流I0（A）
|
292
|
|
電動機功率因數(shù)
|
0.84
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（2）發(fā)電機不同負荷下風機運行參數(shù)統(tǒng)計
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引風編號
|
機組負荷(MW)
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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(jié)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(cè)需根據(jù)機組負荷變化的要求同時調(diào)整A、B風機完成過程控制量的調(diào)節(jié)，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(shù)據(jù)分別合并處理。并且采用流量百分比和擋板開度之間關(guān)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(shù)。計算公式：Pd=1.732×U×I×COSφ。根據(jù)公式，由電機的Pdn、I0、U0可計算得出COSφ值。引風機數(shù)據(jù)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(cè)需根據(jù)機組負荷變化的要求同時調(diào)整A、B風機完成過程控制量的調(diào)節(jié)，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(shù)據(jù)分別合并處理。并且采用流量百分比和擋板開度之間關(guān)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(shù)。計算公式：Pd=1.732×U×I×COSφ。根據(jù)公式，由電機的Pdn、I0、U0可計算得出COSφ值。引風機數(shù)據(jù)處理后得下表：
|
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
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通過對上述數(shù)據(jù)中總功率和擋板平均開度之間關(guān)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(guān)系。如下圖所示：
 |
現(xiàn)取457、499MW負荷點的平均開度百分比和電動機總功率數(shù)據(jù)對100%開度情況下的總耗電功率數(shù)據(jù)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(jié)電率分析：風機設(shè)備屬平方轉(zhuǎn)矩負載，其轉(zhuǎn)速N與流量Q，壓力H以及軸功率P具有如下關(guān)系：Q∝N,H∝N2,P∝N3,即，流量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。通過風機數(shù)據(jù)，依據(jù)P//Pdn=( N // N0)3=(Q//Q0)3公式可依次求得風機在采用變頻調(diào)速運行時各負荷對應(yīng)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(jié)電率：л= (Pd- Pb)/ Pd×100%。根據(jù)上述公式可得下表結(jié)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(jié)電率分析：風機設(shè)備屬平方轉(zhuǎn)矩負載，其轉(zhuǎn)速N與流量Q，壓力H以及軸功率P具有如下關(guān)系：Q∝N,H∝N2,P∝N3,即，流量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。通過風機數(shù)據(jù)，依據(jù)P//Pdn=( N // N0)3=(Q//Q0)3公式可依次求得風機在采用變頻調(diào)速運行時各負荷對應(yīng)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(jié)電率：л= (Pd- Pb)/ Pd×100%。根據(jù)上述公式可得下表結(jié)果：
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機組負荷(MW)
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302
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350
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457
|
499
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平均開度（%）
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52.5
|
85
|
69.5
|
73.1
|
|
變頻總功率（kW）
|
569.5351
|
2417.127
|
1321.287
|
1537.428
|
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節(jié)電率（%）
|
80.62
|
27.13
|
57.95
|
51.84
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結(jié)束語
隨著廠網(wǎng)分開，競價上網(wǎng)日趨激烈，如何降低發(fā)電成本、提高發(fā)電企業(yè)競價上網(wǎng)的競爭能力、加強內(nèi)部管理、挖潛節(jié)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(shè)備如：送風機、引風機、給水泵、循環(huán)水泵等技術(shù)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(wǎng)電量帶來的直接經(jīng)濟效益，而且設(shè)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(jīng)濟效益。高壓變頻器技術(shù)在發(fā)電廠有值得推廣應(yīng)用的廣闊空間。