淺論國產(chǎn)高壓變頻器在電廠風(fēng)機節(jié)能改造中的應(yīng)用實踐
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1 引言
隨著現(xiàn)代企業(yè)的不斷進步和發(fā)展，效益最大化是企業(yè)永恒的主題。利用新技術(shù)來提高企業(yè)生產(chǎn)裝置的管理水平和節(jié)能降耗已是各企業(yè)首選的手段之一。高壓變頻節(jié)能技術(shù)隨著國內(nèi)一些生產(chǎn)廠家研制水平的不斷提高，已接近世界同行業(yè)的領(lǐng)先水平，并以產(chǎn)品性能穩(wěn)定、價格適宜深得國內(nèi)企業(yè)廣泛接受和應(yīng)用。
巨化集團公司熱電廠#8爐為280T/H鍋爐，采用雙引風(fēng)機式，風(fēng)機型號為Y4-60-11N022.5D，配置功率為630kW，電壓為kV的三相交流異步電動機，風(fēng)門采用檔板調(diào)節(jié)，正常運行開度為50%左右，形成檔板兩側(cè)風(fēng)壓差，造成節(jié)流損失;同時風(fēng)機檔板執(zhí)行機構(gòu)為大力矩電動執(zhí)行機構(gòu)，故障較多，風(fēng)機自動率較低。為此我們對引風(fēng)量調(diào)節(jié)進行變頻調(diào)速技術(shù)改造，以達到節(jié)能降耗及提高調(diào)節(jié)自動化水平�，F(xiàn)就改造過程中的一些工作情況介紹如下。
2 變頻器容量的選擇
一般情況下變頻器容量大小的選擇與電動機容量相同，這樣能滿足電機在額定出力內(nèi)進行不同轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。但在現(xiàn)實生產(chǎn)工作中，根據(jù)實際運行工況來選擇合適的變頻器容量，既能滿足生產(chǎn)需要，又能節(jié)省變頻器投資及減少配套設(shè)施。我們根據(jù)我廠#8爐引風(fēng)機的配置及正常運行工況，了解到當(dāng)時設(shè)計人員考慮風(fēng)道內(nèi)裝有脫硫裝置以及檔板開度在70%左右調(diào)節(jié)特性較好，所以配置了630kW的電機。同時我們也對額定工況下引風(fēng)機功率進行了分析，在各種工況下引風(fēng)機功率都不會大于350kW。我們認為如果采用變頻調(diào)速，風(fēng)門全開，節(jié)流損失會較大減少，風(fēng)機的功率將更不會大于350kW。為此，選擇容量為400kW的變頻器應(yīng)能滿足上述風(fēng)機在各種工況下不同轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的要求。
3 采用變頻調(diào)速后的效益預(yù)測
利用變頻器作為風(fēng)量的調(diào)節(jié)器，最直接的效益就是節(jié)能降耗。各用戶可根據(jù)自己的的改造對象進行初步分析計算，以了解改造后節(jié)能的投資回報率及風(fēng)機運行的一些基本參數(shù)。
采用變頻調(diào)速的主要特點是消除或減少檔板的節(jié)流損失，節(jié)能的效果與風(fēng)機的性能、運行工況、檔板的開度等有關(guān)。下面就例舉我廠#8爐風(fēng)機改造測算情況作一介紹。
3.1 引風(fēng)機的性能曲線
型號為Y4-60-11N022.5D，其風(fēng)機性能參數(shù)如表1所示:
根據(jù)表1所給參數(shù)畫出流量、壓力曲線(AB)如圖1所示。
圖1 引風(fēng)機的流量、壓力曲線
3.2 引風(fēng)機的實際測量
我廠2002年9月9日的測試結(jié)果如表2。
3.3 利用相似理論分析風(fēng)機采用變頻后的參數(shù)
圖1中AB曲線是風(fēng)機性能曲線，在近似額定轉(zhuǎn)速下，表示風(fēng)機流量與風(fēng)壓之間的關(guān)系。但在實際運行工況中表2所示，風(fēng)機全壓、流量參數(shù)只需在圖1中C點運行。在沒有改造前，風(fēng)機電機轉(zhuǎn)速不能變，只能靠風(fēng)門節(jié)流。采用變頻調(diào)節(jié)，風(fēng)門全開，可根據(jù)工況所需的風(fēng)機全壓、流量來改變轉(zhuǎn)速。根據(jù)風(fēng)機相似理論，風(fēng)機性能參數(shù)之間關(guān)系為:
Q/Q0=n/n0
P/P0=(n/n0)2(P/P0)
式中:Q—風(fēng)機流量
P—風(fēng)機全壓
n—轉(zhuǎn)速
ρ—介質(zhì)密度
根據(jù)上述關(guān)系以及表2所示的運行工況，風(fēng)機變頻后的運行性能曲線下移為圖1(abc)所示，其關(guān)系式為:
Qa=QAn/n0 (1)
Pa=PA(n/n0)2(ρ/ρ0) (2)
Qb=QBn/n0 (3)
Pb=PB(n/n0)2(ρ/ρ0) (4)
3.4 相關(guān)參數(shù)估算
(1) 表2工況下轉(zhuǎn)速計算:
從圖1(abc)性能曲線所示，為了方便計算，近似認為性能曲線成線性關(guān)系，即:
(Pc-Pb)/(Qc-Qb)= (Pa-Pb)/ (Qa-Qb) (5)
由(1)~(5)式可求得變頻后的風(fēng)機轉(zhuǎn)速為:
(2) 風(fēng)機全壓效率估算:
風(fēng)機有效功率=全壓*流量/1000
風(fēng)機全壓效率=有效功率/軸功率
由表1提供的工況A和工況B數(shù)據(jù)可得，風(fēng)機的全壓效率為0.785和0.726。因此變頻調(diào)速后的風(fēng)機全壓效率可按0.75進行估算。
(3) 變頻調(diào)速后功率估算
風(fēng)機有效功率=全壓×流量/1000
風(fēng)機軸功率 =風(fēng)機有效功率/全壓效率
電功率 =風(fēng)機軸功率/(變頻器效率*電機效率)
其中:變頻器效率取0.96，電機效率取0.95。
計算后參數(shù)匯總見表3。
3.5 效益估算
對比變頻調(diào)速前后的電功率:#1引風(fēng)機減少電功率230kW，節(jié)電率為67.8%;#2引風(fēng)機減少電功率195.65kW，節(jié)電率為61.7%。
以上是理想條件下的節(jié)電率。在實際運用中，為了考慮變頻器故障切換為工頻運行時，風(fēng)門需保留它用。變頻調(diào)節(jié)運行時風(fēng)門盡管全開，還有一定的阻礙，影響計算結(jié)果。另外，各種運行工況的不同，節(jié)電效果也不一樣。所以實際節(jié)電率要比以上估算結(jié)果有一定的出入。但從以上結(jié)果來看，節(jié)電顯著，值得改造。
4 變頻器性能的選擇
利用變頻調(diào)節(jié)技術(shù)無疑要在原有的回路中加裝一套變頻調(diào)節(jié)設(shè)備，也就是說如該產(chǎn)品性能不好，將增加一個設(shè)備故障點,影響機爐的安全穩(wěn)定運行，為此變頻調(diào)節(jié)器的性能選擇至關(guān)重要。我們在選擇時除了考慮一些常規(guī)的性能指標(biāo)外，還著重注意了以下幾點:設(shè)計上是否相對有其特點，選用的元件是否穩(wěn)定、成熟;產(chǎn)生的諧波分量是否符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn);電源短時中斷恢復(fù)時對其影響程度;個別元件故障時能保持短時間的運行等功能。
目前，市場上高壓變頻器產(chǎn)品較多，變頻調(diào)節(jié)類型也有多種。一般說來，國外有的產(chǎn)品其元件及性能應(yīng)較好，但價格較高，同時與用戶意見的交流、售后服務(wù)較為困難。
我們在對風(fēng)機調(diào)節(jié)系統(tǒng)改造前，收集、了解了國內(nèi)一些調(diào)節(jié)裝置的資料，并進行了比較，最后選擇了北京利得華福技術(shù)有限公司的產(chǎn)品，其主要特點有:
(1) 該裝置由移相變壓器、功率單元和控制器組成。移相變壓器副邊繞組分為三相，21個功率單元，每相由7個功率單元串聯(lián)構(gòu)成，每個單元的主回路相對獨立，可等效為一臺單相低壓變頻器，便于采用現(xiàn)有的成熟技術(shù)。
(2) 每個功率單元電路為基本的交-直-交單相逆變電路，整流側(cè)為二極管三相全橋，構(gòu)成30脈沖整流方式，通過對IGBT逆變橋進行正弦PWM控制，得到每個單元的輸出。然后將每相7個單元的輸出串聯(lián)成星形接法，通過對每個單元的PWM波形進行重組，得到階梯正弦PWM波形。這種波形正弦度好，dv/dt小，諧波分量少于國家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。
(3) 當(dāng)某一個單元出現(xiàn)故障時，內(nèi)部軟開關(guān)自動導(dǎo)通，將此單元旁路，由其他單元的繼續(xù)運行。
5 引風(fēng)機變頻器的控制與調(diào)節(jié)
我們所應(yīng)用的HARSVERT-A06/050變頻器可通過在控制柜門“遠控/本控”開關(guān)的切換實現(xiàn)“本機控制”與“遠方控制”。我廠“遠方控制”與原有的DCS連接，在引風(fēng)機控制畫面中增加了變頻器畫面，與變頻器輸出接口聯(lián)接，進行數(shù)據(jù)通訊，運行人員可以通過DCS中的畫面對引風(fēng)機和變頻器的工作電流、轉(zhuǎn)速以及運行、停止、故障等狀態(tài)進行實時監(jiān)控。另外，變頻器的控制調(diào)節(jié)還通過負壓調(diào)節(jié)器接受爐膛負壓信號和來自送風(fēng)系統(tǒng)的前饋信號，綜合運算后經(jīng)手、自動切換單元輸出4~20mA到變頻器的控制端，調(diào)節(jié)變頻器輸出電源的頻率，從而改變電動機的轉(zhuǎn)速，改變引風(fēng)量，達到穩(wěn)定爐膛負壓的目的。
與常規(guī)的控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)比較，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運行操作方式基本不變，主要區(qū)別在于由調(diào)整引風(fēng)門開度改為調(diào)節(jié)引風(fēng)電動機轉(zhuǎn)速。為了保證生產(chǎn)的連續(xù)運行，當(dāng)一臺變頻器故障時，聯(lián)跳相應(yīng)引風(fēng)機開關(guān)，短時出現(xiàn)單邊運行。將故障變頻器隔離后，引風(fēng)電動機可切換為工頻運行，風(fēng)量仍由風(fēng)門檔板調(diào)節(jié)。
6 系統(tǒng)調(diào)試
變頻器安裝后，投入系統(tǒng)運行前還需進行必要的調(diào)試，其目的主要是檢查所選擇的變頻器其性能、功能是否達到設(shè)計要求以及滿足實際生產(chǎn)需要。主要內(nèi)容有:
(1) 具備條件:
a) 相關(guān)變頻器工作的一、二次設(shè)備安裝、組態(tài)完畢;
b) 變頻器柜內(nèi)變壓器耐壓試驗、直流電阻測量合格;
c) 6kV電纜、變頻器閘刀柜內(nèi)支持瓷瓶、避雷器等試驗合格;
d) 檢查各接線正確、緊固;
e) 變頻器參數(shù)設(shè)置正確;
f) 引風(fēng)機等機務(wù)設(shè)備具備試車條件。
(2) 試驗項目:
a) 閘刀閉鎖功能試驗:主要檢查出線閘刀和旁路閘刀的機械閉鎖功能;“高壓允許合閘”閉鎖功能;防止帶負荷拉合閘刀功能。
b) 靜態(tài)調(diào)試:將變頻器控制電源送上，引風(fēng)機開關(guān)處于試驗狀態(tài)。檢查“本機控制”(觸摸屏控制)、“遠方控制”(DCS控制)時的開關(guān)動作狀態(tài)及變頻器面板、DCS畫面上的各種狀態(tài)顯示是否正確對應(yīng)。
c) 動態(tài)調(diào)試:引風(fēng)機開關(guān)、變頻器柜將正式通電。分別檢查“工頻旁路”狀態(tài)以及“變頻控制”狀態(tài)下，在DCS上或變頻器面板上操作引風(fēng)機、變頻器的啟、停、調(diào)是否正常，轉(zhuǎn)速、電流是否下確;在“工頻旁路”狀態(tài)時與“變頻控制”狀態(tài)時的轉(zhuǎn)向是否一致;在“變頻控制”時人為模擬故障保護動作、信號是否正確。
d) 帶負荷試驗:主要了解正常運行工況下引風(fēng)機、變頻器的風(fēng)量、電流、轉(zhuǎn)速(頻率);檢查變頻器額定輸出電流時的電機轉(zhuǎn)速、變頻器頻率。以便確定變頻器的“始動頻率”值以及是否投用限流功能。
e) 動力電源切換試驗:變頻器在正常運行時,電源發(fā)生短時波動或工作廠用電中斷備用電切換成功,這時變頻器應(yīng)不發(fā)生跳機。
7 變頻改造后的效果
(1) 效益比較:
我廠#8爐#1、#2引風(fēng)機于2003年7月1日改變頻調(diào)節(jié)正式投用，7月8日測試數(shù)據(jù)如表4:
從表2、表4中可以看出，經(jīng)變頻改造后，在滿足鍋爐負荷約260T/H燃燒的情況下，風(fēng)機輸入功率明顯減少，分別由339.00kW、317.00kW降到162.00kW、167.143kW;風(fēng)機單位電耗也由1.282kWh/t、1.219kWh/t降到0.608kWh/t、0.623kWh/t，節(jié)電率分別為52.57%、48.89%，每年可節(jié)省廠用電200多萬kWh。
(2) 改為變頻調(diào)節(jié)后，對其它設(shè)備的影響有:
a) 避免了電動機啟動時對電機的沖擊損害。
b) 提高了引風(fēng)機的自動控制能力。
c) 由于轉(zhuǎn)速的降低,對風(fēng)機的葉輪、軸承等壽命得以延長。
8 結(jié)束語
我廠變頻裝置于2003年7月1日正式投運以來，由于其他原因變頻器正常中經(jīng)歷了電源中斷切換、單邊引風(fēng)機變頻器運行等異常情況的考驗。北京利得華福公司生產(chǎn)的高壓變頻器以其可靠的運行性能及良好的節(jié)能效果深得用戶的信賴，值得大力推廣和應(yīng)用。
參考文獻
[1] 浙江巨化集團公司熱電廠#8爐引風(fēng)機變頻器改造資料。
[2] HARSVERT-A06/50型高壓變頻器說明書。
