680MW超超臨界機組軸流式引風機變頻改造研究
郭永明，劉觀起，張豪，趙雅利
（1．華北電力大學電氣與電子工程學院，河北保定071003；2．華北石油管理局水電廠，河北任丘062550；3．華北油田公司生產運行處，河北任丘062550）
摘要：針對大型超超臨界機組引風機電能浪費嚴重的現(xiàn)象，采用效果較好的變頻改造方案來提高引風機自動化操作水平，改善電動機設備的啟動性能。在此基礎上，對變頻器工作原理進行了闡述。實踐結果表明，經變頻改造后，廠用電率顯著下降，達到了節(jié)能減排、減少設備機械磨損的目的。
關鍵詞：引風機；變頻器：節(jié)能減排
中圖分類號：TK223.26 文獻標志碼：B 文章編號：1004-9649(2015)11-0013-03
0引言
隨著經濟的快速發(fā)展．我國火電機組數(shù)量不斷增多，發(fā)電企業(yè)的競爭日益增強。發(fā)電企業(yè)需要通過提高機組的發(fā)電效率、節(jié)能減排來提升市場競爭力．而降低廠用電率是降低發(fā)電成本，提高發(fā)電效率的重要節(jié)能手段之一。
目前，大多數(shù)火電機組鍋爐引風機存在電能浪費的現(xiàn)象。一般的鍋爐引風機為靜葉可調軸流式風機．這種風機通過改變擋板開度來改變風的阻力，達到調節(jié)燃燒的目的。實際運行中，很大一部分電能浪費在擋板阻力上，加之其啟動電流較大和因保護延遲造成電機燒毀的缺點，使得鍋爐引風機的改造已迫在眉睫。
本文針對山東某電廠三期工程中鍋爐引風機在改造前存在的諸多問題．選擇變頻改造的方案對引風機進行改造實踐。通過變頻改造，證明引風機穩(wěn)定性得到提高．廠用電率顯著下降，達到了節(jié)能減排的目的。
1 改造前存在的問題
山東某電廠三期工程建有2臺680 MW國產燃煤超超臨界汽輪發(fā)電機組．分別為5號和6號機組。鍋爐采用哈爾濱鍋爐廠引進日本三菱技術設計和制造的HG-2001/26.15-YM3型超超臨界、一次中間再熱、變壓運行單爐膛燃煤直流爐。每臺鍋爐配有成都電力機械廠制造的2臺50%容量AN30c6/KSE型靜葉調節(jié)軸流式引風機，在校核煤種、鍋爐最大負荷條件下，引風機軸功率為3 781kW,引風機實際配套的驅動電機功率為5 700kW。引風機存在的主要問題如下：
(1)引風機擋板的調節(jié)過程存在物理延遲，與多變的負荷相互矛盾，而且，延遲時間的不確定性使調節(jié)的效果不是最佳的。
(2)引風機在工頻電壓不變的條件下，轉速較高且恒定，高速的運轉造成了轉子和機身的磨損，大大降低了使用壽命。
(3)帶動引風機的異步電機產生較大的啟動電流（為額定值的6~8倍）和轉矩，對電機轉子和風機葉片產生較大的沖擊力，易造成其損壞。
(4)引風機擋板的開度一般維持在75%左右，擋板的節(jié)流作用使電能浪費在擋板阻力上，并且擋板開度越小，能量浪費越嚴重。
(5)機組在高負荷下運行時，2臺引風機同時工作可以滿足穩(wěn)定性要求。當負荷較低時，從能量平衡的角度可以只開1臺引風機，但實際運行中鍋爐存在燃燒不穩(wěn)定和溫差偏大的問題，需要運行2臺引風機．而2臺運行相當于“小馬拉大車”，加之引風機耗電量較大，電能的浪費較為可觀。
2 變頻改造技術原理
2.1 變頻器一次接線
變頻器通過對異步電動機轉速進行調整來調節(jié)引風機風量大小，系統(tǒng)一次接線如圖1所示。變頻柜由多個單相變頻單元串聯(lián)而成，如圖2所示。在無濾波器的情況下，諧波含量較小，達到了國際標準，同時也減少了濾波設備的投入成本。此外．每個變頻單元相互隔離．輸入電壓無互相干擾現(xiàn)象．因此故障率較低．平均無故障周期為12年．穩(wěn)定性高。
2.2二次控制系統(tǒng)
5號機組A.B引風機變頻器交流控制電源由外接兩路380 V電源供電，5號機組A、B引風機變頻器控制電源分別接入5號機保安400 V控制柜的A、B段。引風機開關綜合保護采用南瑞繼保公司RCS-9627CN保護裝置，面板有2個壓板．分別為“投差動保護”和“變頻器故障”壓板，當變頻運行時應退出“投差動保護”壓板．投入“變頻故障”壓板．當工頻運行時應投入“投差動保護”壓板，退出“變頻故障”壓板。
控制系統(tǒng)配置為6 kV輸入控制開關SA603(58603)、具有防跳功能的變頻器輸入開關5A603J(58603J)、禁止帶任何綜合保護措施的工頻旁路開關SA603P (58603P)以及具有防跳功能的變頻器輸出開關5A603C (58603C)。以上開關均具有機械保持結構。此外．5A603P( SB603P)與5A603C(58603C)不同時合閘．直接相互硬線閉鎖。
603J合閘同路受合閘允許信號控制，603J和603C分閘同路受跳閘信號控制。變頻器正常運行時，硬線閉鎖禁止603C分閘，要求603J、603P、603C斷路器合閘和分閘的二次部分相互獨立．并具有機械保持結構．
DCS系統(tǒng)是用于儲存斷路器狀態(tài)．監(jiān)控其閉鎖、分合閘狀態(tài)的軟件平臺。由于斷路器分、合閘狀態(tài)和斷線、短路狀態(tài)邏輯相同，易造成DCS錯誤判斷，在設計時，需要同時對開關位置進行邏輯判斷，且開關分、合位置互為相反邏輯。DCS控制系統(tǒng)需要配置報警系統(tǒng)，并采用手動操作．避免邏輯錯誤造成的誤判斷，降低事故率。
中間繼電器常閉點起到對603C的二次回路電源的失電監(jiān)控作用，必要時，發(fā)出報警信號，DCS. PLC收到報警信號后，禁止旁路系統(tǒng)動作。
2.3 變頻控制邏輯
2.3.1 停機到變頻運行
首先．DCS系統(tǒng)確認603J、603C、603P開關柜處于分閘狀態(tài)。然后，603J合閘后發(fā)出信號到DCS,經過一定的延時，手動合閘603C開關柜。最后．603J，603C合閘信號發(fā)出后，發(fā)出變頻器準備信號．DCS收到信號，發(fā)出命令啟動變頻器，電機開始運行。
2.3.2 變頻切換到工頻旁路運行
首先，DCS系統(tǒng)確認603P開關柜處于分閘狀態(tài)。其次，在變頻器故障情況下，跳開斷路器603J，同時發(fā)出故障信號。DCS收到變頻器故障信號后，經過一定的延時，跳開603C。最后，DCS確認輸入輸出斷路器跳開后，再次確認風門位置是否為允許值，若為允許值則合603P（反之則延時），實現(xiàn)工頻旁路運行。若旁路系統(tǒng)開關為自動控制時，需要增加風門位置反饋控制回路．防止轉速突變造成的誤動作。旁路開關閉合后，需要進行減載操作并調節(jié)2臺引風機風量均衡，防止搶風現(xiàn)象的發(fā)生。
2.3.3 工頻運行切換到變頻運行
首先．DCS確認T頻向變頻的切換條件允許并確認旁路開關603P為合閘狀態(tài)，為了避免斷電后轉速下降系統(tǒng)擾動較大，發(fā)出命令關閉風門并進行減載操作。
其次，603J合閘對變頻器預充電。充電準備工作完成后發(fā)出跳閘信號到DCS,跳開603P,為了防止電動機剩磁產生的電壓對變頻器的沖擊，需要延時一定的時間再進行603C合閘操作。最后．DCS在收到603J和603C合閘狀態(tài)信號和變頻器準備就位信號后，發(fā)出命令啟動變頻器。通過轉速的確定和反饋控制系統(tǒng)的控制，逐漸打開風機的擋板，進入運行狀態(tài)。為了防止發(fā)生事故并避免擾動，上述過程采取手動操作，每一步必須經過嚴格確認。
3 變頻改造效果分析
在保證同機組發(fā)電量、機組平均負荷和運行工況基本相同的條件下，5、6號機組引風機變頻改造前后運行數(shù)據(jù)見表1和表2。
3.1 功能目標評價
(1)引風機高壓驅動電機實現(xiàn)軟啟動的功能．啟動電流不大于1.1倍額定電流。
(2)增加了控制系統(tǒng)，在調試過程中．模擬變頻器故障，控制系統(tǒng)立即由變頻運行瞬間切換到工頻運行，沒有甩負荷，實現(xiàn)了自動無擾切換功能。
(3)根據(jù)表1和表2，引風機變頻改造后,引風機耗電率平均下降約0.195個百分點。按照
改造前5、6號機組年度實際發(fā)電量793 620.61萬kW·h計算，5、6號機組4臺引風機變頻改造后年節(jié)電1 547.6萬kW·h左右，原引風機耗電率平均為0.785%，因此節(jié)電率實際為0.195/0.785：24.8%。
3.2投資回收期評價
改造前5、6號機組年發(fā)電量為793 620.61萬kW·h，鍋爐引風機變頻改造后，5、6號機組引風機耗電率平均下降0.195個百分點，年節(jié)電量=793 620.61萬kW·hx0.195%=1 547.6萬kW·h。按電價平均為0.455元／(kW·h)計算，則三期2臺機組年節(jié)約電費=1 547.6萬kW．hx0.455元／kW·h) =704.1萬元。
實際上2臺機組4臺引風機每年需要增加變頻器維護費用48萬元，減少風機維護費23萬元。上述三者合計收益704.1-48+23=679.1萬元。
5、6號機組4臺引風機變頻改造項目總投資1741.42萬元，因此實際投資回收期=1 741.42/697.2 =2.56年，比評估結果的3.37年提前0.81年，主要原兇是引風機變頻改造節(jié)電效果比預計的要好，廠用電率比預期目標低。
3.3環(huán)保指標評價
5、6號機組引風機變頻改造前，平均耗電率為0.785%，年耗電量AA．=793 620.61萬kW．h×0.785%=6 229.9萬kW-h，當二氧化碳排放系數(shù)EF,為1kg/(kW-h)時，相當于二氧化碳年排放量為△Wco2=AA.xEFi=6 229.9萬kW-hxl kg/(kW·h)=6 229.9萬kg=62 299 t
5、6號機組引風機變頻改造后，平均耗電率為0.59%，年耗電量ΔAc=793 620.61萬kW·h×0.59%=4 682.4萬kW-h，當二氧化碳排放系數(shù)EFi為1 kg/(kW·h)時，相當于二氧化碳年排放量：
△WCo2=ΔAcxEFi=4 682.4萬kW-hxl kg/(kW·h)=4 682.4萬kg=46 824 t
2臺機組引風機變頻改造后，二氧化碳年減排量為
ΔWco2=62 299 t-46 824 t=15 475 t
4結語
變頻改造是發(fā)電企業(yè)節(jié)約廠用電、節(jié)能減排、提高生產效率的重要手段之一，已被廣泛應用于電廠水泵、風機等旋轉設備上。變頻調速的實現(xiàn)只需對控制回路進行整改，無需改動變頻對象．改造成本較小，還起到了保護異步設備、減少磨損程度、延長使用壽命的作用。同時，高壓變頻對電網(wǎng)的沖擊較小，基本無諧波污染，具有很高的推廣價值。
