摘要：本文著重介紹HARSVERT-A高壓變頻器在神頭第二發(fā)電廠的應(yīng)用情況，對其節(jié)電情況進(jìn)行對比，說明高壓變頻裝置的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：高壓變頻調(diào)速系統(tǒng) 引風(fēng)機(jī) 節(jié)能降耗
高壓交流變頻調(diào)速技術(shù)是上世紀(jì)90年代迅速發(fā)展起來的一種新型電力傳動(dòng)調(diào)速技術(shù)，主要用于交流電動(dòng)機(jī)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(jí)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(hù)功能，以及易于實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)通信功能，得到了廣大用戶的認(rèn)可和市場的確認(rèn)，在運(yùn)行的安全可靠、安裝使用、維修維護(hù)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(jī)節(jié)能方式的首選。
山西神頭第二發(fā)電廠一期兩臺(tái)機(jī)組為500MW汽輪發(fā)電機(jī)組，兩臺(tái)機(jī)組鍋爐分別裝有兩臺(tái)引風(fēng)機(jī)，均為軸流風(fēng)機(jī)，風(fēng)量調(diào)節(jié)為入口擋板調(diào)節(jié)方式；機(jī)組運(yùn)行中，引風(fēng)機(jī)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(dòng)源的輸出功率并沒有改變，節(jié)流損失相當(dāng)大，浪費(fèi)了大量電能。致使廠用電率高，供電標(biāo)煤耗高，發(fā)電成本不易降低。同時(shí)，電機(jī)啟動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生5～7倍的沖擊電流，對電機(jī)構(gòu)成損害。鍋爐引風(fēng)機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)化水平低，不能及時(shí)調(diào)節(jié)，運(yùn)行效率低。為此采用變頻調(diào)節(jié)方式對風(fēng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行改造，以減少溢流和節(jié)流損失，提高系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。
一、鍋爐引風(fēng)機(jī)高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)構(gòu)成
1.鍋爐引風(fēng)機(jī)的運(yùn)行工況及特點(diǎn)
根據(jù)目前設(shè)備配置和運(yùn)行狀況，風(fēng)量隨機(jī)組負(fù)荷變動(dòng)，當(dāng)需要調(diào)節(jié)風(fēng)量時(shí)，由于風(fēng)機(jī)的型號(hào)在早期已經(jīng)選定，故只能通過入口擋板開度來解決風(fēng)量的問題，造成極大浪費(fèi)，同時(shí)由于這些調(diào)節(jié)裝置的響應(yīng)速度，及與風(fēng)量的非線性關(guān)系，使得同機(jī)組DCS系統(tǒng)配合不利，自動(dòng)化水平大大降低。有鑒于此，將每臺(tái)爐的引風(fēng)機(jī)改為變頻驅(qū)動(dòng)。風(fēng)量由DCS或手動(dòng)給定4～20mA信號(hào)調(diào)節(jié)。
2.鍋爐引風(fēng)機(jī)高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)構(gòu)成
HARSVERT-A06/220（適配2200kW/6kV電機(jī)）高壓變頻器1臺(tái)、系統(tǒng)旁路開關(guān)柜（2200kW）1臺(tái)（手動(dòng)，用于變頻/工頻切換）、2臺(tái)500MW機(jī)組配置引風(fēng)機(jī)4臺(tái)，采用“一拖一”變頻控制，共有4套引風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)。
HARSVERT-A06/220變頻器參數(shù)如下：
| 變頻器容量（kVA） | 2250 | 模擬量輸入 | 0～10V/4～20mA，任意設(shè)定 |
| 適配電機(jī)功率（kW） | 2200 | 模擬量輸出 | 兩路0～10V/4～20mA可選 |
| 額定輸出電流（A） | 220 | 加減速時(shí)間 | 0.1～3000s |
| 輸入頻率（Hz） | 45～55 | 控制開關(guān)量輸入輸出 | 可按用戶要求擴(kuò)展 |
| 額定輸入電壓（V） | 6000V±10% | 運(yùn)行環(huán)境溫度 | 0～40度 |
| 輸入功率因數(shù) | 0.95（>20%負(fù)載） | 貯存/運(yùn)輸溫度 | -40～70度 |
| 變頻器效率 | 額定負(fù)載下>0.96 | 冷卻方式 | 強(qiáng)迫風(fēng)冷 |
| 輸出頻率范圍（Hz） | 0～120 | 環(huán)境濕度 | <90%，無凝結(jié) |
| 輸出變頻分辨率（Hz） | 0.01 | 安裝海拔高度 | <1000m |
| 過載能力 | 120%1min， 150%3s, 200%立即保護(hù) |
防護(hù)等級(jí) | IP20 |
風(fēng)機(jī)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(fù)壓等參數(shù)，對DCS的輸出值進(jìn)行調(diào)節(jié)，此輸出值為反饋給變頻器的4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，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(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制，從而達(dá)到調(diào)節(jié)的目的。
在此基礎(chǔ)上，經(jīng)過一段時(shí)間的積累，可將不同負(fù)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(fēng)機(jī)調(diào)速專用算法，同時(shí)利用熱工一次測量元件，將采集的負(fù)荷和溫度參數(shù)及負(fù)壓的變化值送到機(jī)組DCS系統(tǒng)中，在機(jī)組DCS系統(tǒng)中，進(jìn)行控制運(yùn)算，將計(jì)算結(jié)果形成4～20mA的速度給定指令信號(hào)，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(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制。
鍋爐引風(fēng)機(jī)變頻系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：鍋爐引風(fēng)機(jī)變頻系統(tǒng)，既可以變頻調(diào)速運(yùn)行，也可以直接投工頻運(yùn)行；為變頻器提供的交流220V控制電源掉電時(shí)，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(yùn)行，不會(huì)停機(jī)；在現(xiàn)場DCS速度給定信號(hào)掉線時(shí)，變頻器提供報(bào)警的同時(shí)，可按原轉(zhuǎn)速繼續(xù)運(yùn)行，維持機(jī)組的工況不變；變頻器配置單元旁路功能，在局部故障時(shí)，變頻器可將故障單元旁路，降額繼續(xù)運(yùn)行，減少突然停機(jī)造成的損失；保留原電機(jī)繼續(xù)使用，不改變原有風(fēng)機(jī)設(shè)備任何基礎(chǔ)；和電廠的DCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無縫連接。
二、鍋爐引風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能分析計(jì)算
1.風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速的節(jié)能原理
當(dāng)采用變頻調(diào)速時(shí)，可以按需要升降電機(jī)轉(zhuǎn)速，改變風(fēng)機(jī)的性能曲線，使風(fēng)機(jī)的額定參數(shù)滿足工藝要求，根據(jù)風(fēng)機(jī)的相似定律，變速前后風(fēng)量、風(fēng)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(fēng)機(jī)在N1轉(zhuǎn)速時(shí)的風(fēng)量、風(fēng)壓、功率
Q2、H2、P2—風(fēng)機(jī)在N2轉(zhuǎn)速時(shí)相似工況下的風(fēng)量、風(fēng)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(dá)到節(jié)能的目的。當(dāng)轉(zhuǎn)速由N1降為N2時(shí)，風(fēng)機(jī)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(diǎn)的效率值基本是一樣的。也就是說當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，額定工作參數(shù)相應(yīng)降低，但效率不會(huì)降低，有時(shí)甚至?xí)岣摺Ｒ虼嗽跐M足操作要求的前提下，風(fēng)機(jī)仍能在同樣甚至更高的效率下工作。
降低了轉(zhuǎn)速，風(fēng)量就不再用關(guān)小風(fēng)門來控制，風(fēng)門始終處于全開狀態(tài)，避免了由于關(guān)小風(fēng)門引起的風(fēng)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(dòng)，對電網(wǎng)和機(jī)械沖擊較大，聲響很大，估算其啟動(dòng)一次的損耗： WS=0.5JωO2(1+R1/R2)TM/ TM- TL，離心風(fēng)機(jī)負(fù)載的平方轉(zhuǎn)矩特性與異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的機(jī)械特性曲線部分相似，可以TM/ TM- TL =1計(jì)。而變頻軟起動(dòng)損耗很小，只有上述WS的1/10，則每年的起動(dòng)節(jié)能也是很可觀的。
當(dāng)采用變頻調(diào)速時(shí)，50Hz滿載時(shí)功率因數(shù)為接近1，工作電流比電機(jī)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(fēng)機(jī)高壓變頻調(diào)速節(jié)能分析計(jì)算
（1）設(shè)備參數(shù)
| 設(shè)備名稱 | 引風(fēng)機(jī) |
| 風(fēng)機(jī)型號(hào) | ARB4500-2A/90 |
| 流量（105Nm3/h） | 20.376 |
| 全壓（pa） | 1256 |
| 電動(dòng)機(jī)型號(hào) | YKK2200-16 |
| 電動(dòng)機(jī)功率Pdn（kW） | 2200 |
| 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速N0(r/min) | 372 |
| 電動(dòng)機(jī)電壓U0（kV） | 6 |
| 電動(dòng)機(jī)電流I0（A） | 292 |
| 電動(dòng)機(jī)功率因數(shù) | 0.84 |
| 引風(fēng)編號(hào) | 機(jī)組負(fù)荷(MW) | 302 | 350 | 457 | 499 |
| A | 開度（%） | 53 | 85 | 69.7 | 74 |
| 電機(jī)電流（A） | 168.5 | 191 | 182.4 | 185.7 | |
| B | 開度（%） | 52 | 85 | 69.3 | 72.2 |
| 電機(jī)電流（A） | 168.2 | 189 | 177.6 | 180 |
工頻情況的功率計(jì)算：由于在運(yùn)行過程中，爐側(cè)需根據(jù)機(jī)組負(fù)荷變化的要求同時(shí)調(diào)整A、B風(fēng)機(jī)完成過程控制量的調(diào)節(jié)，且A、B風(fēng)機(jī)運(yùn)行性能指標(biāo)一致；因此可以對A、B引風(fēng)機(jī)運(yùn)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(fēng)機(jī)的變頻功耗進(jìn)行推倒。
Pd：電動(dòng)機(jī)功率；U：電動(dòng)機(jī)輸入電壓；I：電動(dòng)機(jī)輸入電流；COSφ：功率因數(shù)。計(jì)算公式： Pd=1.732×U×I×COSφ。根據(jù)公式，由電機(jī)的Pdn、I0、U0可計(jì)算得出COSφ值。引風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)處理后得下表：
| 機(jī)組負(fù)荷(MW) | 302 | 350 | 457 | 499 |
| 平均開度值（%） | 52.5 | 85 | 69.5 | 73.1 |
| 電機(jī)電流和（A） | 336.7 | 380 | 360 | 365.7 |
| 總功率（kW） | 2939.15 | 3317.13 | 3142.54 | 3192.30 |
 |
P100=(3192.30-3142.54)/(73.1-69.5)×(100-73.1)+3192.73=3935.89kW
即：100%擋板開度電動(dòng)機(jī)全速運(yùn)行情況下的實(shí)際總功率為3935.89kW。
變頻情況下的功率計(jì)算及節(jié)電率分析：風(fēng)機(jī)設(shè)備屬平方轉(zhuǎn)矩負(fù)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(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)，依據(jù)P//Pdn=( N // N0)3=(Q//Q0)3公式可依次求得風(fēng)機(jī)在采用變頻調(diào)速運(yùn)行時(shí)各負(fù)荷對應(yīng)的風(fēng)機(jī)總功耗。Pdn為擋板100%全開情況下的功率值等于P100。對于風(fēng)機(jī)負(fù)載，風(fēng)門開度的比值可近似看成是風(fēng)量的比值。
則變頻運(yùn)行情況下，較工頻運(yùn)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：
| 機(jī)組負(fù)荷(MW) | 302 | 350 | 457 | 499 |
| 平均開度（%） | 52.5 | 85 | 69.5 | 73.1 |
| 變頻總功率（kW） | 569.5351 | 2417.127 | 1321.287 | 1537.428 |
| 節(jié)電率（%） | 80.62 | 27.13 | 57.95 | 51.84 |
隨著廠網(wǎng)分開，競價(jià)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(jià)上網(wǎng)的競爭能力、加強(qiáng)內(nèi)部管理、挖潛節(jié)能是電廠必須認(rèn)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(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、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(jì)效益，而且設(shè)備乃至機(jī)組的安全可靠性提高，減少機(jī)組故障帶來的隱形經(jīng)濟(jì)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。