科陆CL2700高压变频器在发电厂送风机上的应用———科陆CL2700高

1. 工程概况
        西北某发电厂，始建于1969年。#3机组（200MW）于1983年二期扩建时投产。由于调峰任务重，常带140-180MW负荷运行。该机组配置两台AL-R252离心式送风机，靠调节送风机挡板来控制锅炉进风量，以适应机组负荷变化的需要。当机组在额定负荷下运行时，风机效率较为理想，但当机组降负荷运行时，一部分功率被消耗在挡板上，且机组负荷越低，消耗在挡板上的功率越大，从而使风机效率随机组负荷降低而迅速下降。
该系统在运行过程中还存在一些其他问题：
（1）挡板动作迟缓，手动时运行人员操作不灵活，如操作不当还会造成送风机振动。投自动运行时，很难满足最佳调节品质。
（2）送风机挡板执行机构故障较多，不能适应长期频繁调节，使送风机调节系统一直不能正常投入自动运行。
（3）送风机电机在启动时，采用直接启动方式，启动电流为额定电流的5-7倍，电机受到的机械，电气冲击较大，经常发生转子笼条断裂事故。
（4）电机容量比送风机额定出力大，多余容量不能利用，降低了效率，浪费了电能。
（5）挡板受冲击，磨损较严重。
         为了解决上述问题，决定对甲侧送风机控制系统进行改造，利用电机变频调速方法实现送风量调节，达到节能和实现稳定控制的目的。
                  
2. 变频改造方案简介
        #3炉甲侧送风机为普通国产电机，主要参数如下：型号为YKK630-6，额定功率为1250kW，6极，额定电压为6 kV，额定电流为145A，额定频率为50Hz，额定转速为985r/min，绝缘等级为F级。
        2007年3月初完成了#3炉甲侧送风机变频改造项目，在电机与开关之间增加了一套高压变频装置，并保留了原有工频回路作为旁路。改造后系统由四大部分组成：高压变频器、隔离变压器、电机和开关，电气接线图如图1所示。
                                                           图1  #3炉甲侧送风机电气接线图
                  
                    
      送风机高压变频调速系统采用深圳市科陆变频器有限公司生产的CL2700型高压变频器，CL2700型高压变频器具有以下性能特点：
1．高效率、无污染、高功率因数
         CL2700系列高压变频调速系统采用的是功率单元串联的高-高方案，采用了多绕组高压移相变压器，二次侧绕组中流过的电流在变压器一次侧叠加时，形成非常逼近正弦波的电流波形。经过实际测试，50Hz运行时，网侧电流谐波 &lt; 2％，电机侧输出电压谐波 < 1.5％（即使在40Hz时，仍然 < 2％），成套装置的效率 > 97％，功率因数 > 96％。完全满足了IEEE 519－1992对电压、电流谐波含量的要求。另外，通过采用自主开发的专用PWM控制方法，比同类的其它方法还可进一步降低输出电压谐波1～2％
2．先进的故障单元旁路运行（专业核心技术）
        为了提高系统的可靠性，整个变频调速系统中考虑了一定的输出电压余量，并在各功率单元中增加了旁路电路。当某个功率单元出现故障时，可以自动监测故障并启动旁路电路，使得该单元不再投入运行，同时程序会自动进行运算，调整算法，使得输出的三相线电压仍然完全对称，电机的运行不受任何影响。这种控制方法处于国际先进，国内领先的水平，它将大大提高系统的可靠性和运行的稳定性。
3．高性能的控制技术
       CL2700系列高压变频调速系统率先实现了简易矢量控制技术，可以实现恒转矩快速动态响应，并且具有加、减速自适应功能，即可根据运行工况参数的实际变化，自动调整加、减速时间，在不超过最大允许电流的情况下，快速达到设定转速；同时，系统可以自动识别电机转速，用户可以不考虑电机目前的运行状态，电机不需要停止运行就可直接实现电动机的启动、加速、减速或停车操作。
CL2700系列高压变频调速系统还可以实现反馈能量自动限制功能。
4．高可靠性
      控制电源可实现外部380V供电和高压电源辅助供电双路电源自动切换，即使两路电源都出现故障时，控制系统仍然可以工作足够长的时间，控制整个系统安全停机，发出报警，并记录故障时的所有状态参数。
采用高速光纤通信，可有效避免电磁干扰。
当单元故障数目超过设定值时，系统可自动切换到工频运行。
整流变压器有完善的温度监控功能。
      独特设计的功率柜风道，主要发热元器件都靠近或处于风道中，散热效果好，保证了系统的过载能力。
      抗电网电压波动能力强，当电网电压在－15％～＋15％范围内波动时，系统可以正常工作；对于功率单元，在电压－25％～20％范围内变化时，都可正常工作。
                  
3   送风机变频改造效益分析
交流电动机的调速方法，可从以下公式分析：
                  n=60f（l－S）/P
                  式中：n－电动机转速；
                          f－电动机定子供电频率；
                          p－电动机极对数；
                          s－电动机转差率。
        由上式可知，如果均匀地改变电动机定子供电频率，可以平滑地改变电动机的同步转速。实际上，在改变供电频率的同时，还需要维持电机磁通恒定，即保持电动机的输出力矩不变。因此，在电动机调速过程中，应保持定子供电电压和频率的比值v/f为一定值。改变频率的调速属于转差率基本不变、同步转速和电动机理想转速同步变化条件下的调速，所以变频调速的调速精度、功率因数和效率都较高，容易实现闭环自动控制。
        根据风机相似定律：N/Nb=（ng/nb）3，功率与电机转速的立方成正比，风机的风量与转速成正比，当转速降低时，风机所消耗的电功率按3次方比例关系下降。在机组低负荷情况下，对风量的需求相对较少，例如，要求风量在80%的情况下，采用变频控制时，电机消耗的功率=(80%)3&asymp;50%；而采用挡板调节风量时，电机消耗的功率约为90%，能量流失严重。由此可见，采用变频调节后，入口挡板全开，几乎消除了挡板节流阻力，节能效果明显。
3.1理论计算
       主要技术数据如下：电机功率为1250kW，电机效率为95%，cos&phi;=0.85，变频系统（含隔离变压器，PF7000变频器）效率不低于96.5%，在满负荷时，变频系统功率因数&ge;0.96。根据西北电网火电机组的实际运行情况（调峰力度大，机组年运行小时数低），设年运行小时数为5000h，电价0.3元/度。
下面在风门开度分别为90%、80%、70%和60%的情况下进行效益分析。
  （1）挡板控制风量时
                  ①风门开度为90%时，根据运行经验，电流为120A左右；
                  ②风门开度为80%时，根据运行经验，电流为113A左右；
                  ③风门开度为70%时，根据运行经验，电流为109A左右；
                  ④风门开度为60%时，根据运行经验，电流为107A左右；
                  P90= UIcos&phi;/&eta;=1.732&times;6&times;120&times;0.85/0.95=1116kW
                  P80= UI cos&phi;/&eta;=1.732&times;6&times;113&times;0.85/0.95=1051kW
                  P70= UI cos&phi;/&eta;=1.732&times;6&times;109&times;0.85/0.95=1013kW
                  P60= UI cos&phi;/&eta;=1.732&times;6&times;107&times;0.85/0.95=995kW
                  (2)变频调速控制风量时
                  P90=P&chi;&times;(Q%)3&eta;MV=1250&times;（0.9）3/0.965=944kW
                  P80=P&chi;&times;(Q%)3&eta;MV=1250&times;（0.8）3/0.965=663kW
                  P70=P&chi;&times;(Q%)3&eta;MV=1250&times;（0.7）3/0.965=443kW
                  P60=P&chi;&times;(Q%)3&eta;MV=1250&times;（0.6）3/0.965=280kW
                  （3）每年效益
                  P90=（1116－944）&times;5000&times;0.3=25.8万元
                  P80=（1051－663）&times;5000&times;0.3=58.2万元
                  P70=（1013－443）&times;5000&times;0.3=85.5万元
                  P60=（995－280）&times;5000&times;0.3=107.25万元
                  (4)投资回收年限计算
                  投资回报年限可按以下公式计算：
                  A=P&times;i&times;（1+i）n/[(1+i) n－1]
                  式中：A为每年收益，P为总投资，n为回收年限，i为利率。
         假设每年收益按70万元计算，总投资按180万元计算，利率按5.5%计算，通过计算可得n=2.84，即该项目投资回收年限为2.84年。
3.2 实测数据
                        
         
  
              
3.3 改造前后送风单耗比较
     2007年9月，#3炉送风机单耗为2.02kW·h/t汽，在甲侧送风机变频改造前的相同工况下，送风单耗为3.33kW·h/t汽，锅炉累计蒸发量251460t汽，全月节电量为251460&times;（3.33－2.02）=329412.6kW·h，#209机组实际运行时间为20天，平均负荷为175.8MW，平均节电量为1.647万度/天。#209机组按每年运行5000h（约208天）计算，每度电按0.30元计算，每年可产生经济效益102.77万元。
       甲侧送风机变频改造后，乙侧送风机运行时挡板一直保持全开，锅炉进风量主要靠甲侧风机变转速调节，乙侧风机的效率总是保持在较高水平，这样，两台送风机的总体效率大大提高了。通过理论计算、实测数据和送风单耗三种方式进行分析，虽然结果有所差异，但从总体上可以看出该项目的节能效果非常明显。

  4. 结 论
       该项目的最大意义是节能，采用变频器控制进行驱动后，与原档板调节风量的方式相比，风机效率稳定在一个较理想的范围内，电动机的能耗大大降低，特别是机组在低负荷运行时，效果更显着。采用变频调速后，提高了机组自动装置的稳定性，为优化燃烧、提高锅炉效率提供了可靠保证。
       高压变频器由于节能效果显着，在电力系统中已广泛应用，采用变频调速后，还改善了电机的启动性能，电机实现软启动，有效地减少了转子笼条断裂故障，延长电机，特别是转子鼠笼条的寿命。这是因为电机直接启动的电流约为额定电流的5-7倍，启动时间约为10s，对电机的冲击很大。另外，变频调速时挡板全开，可减少风道振动与磨损，提高机械寿命。总之，高压变频装置节能效果好、技术先进、使用成熟、性能可靠，是理想的节能改造设备。