高壓變頻調速裝置在火電廠300MW機組引風機上的應用

分類：解決方案日期：2009-07-29 08:10:16 來源：廠商

山西陽光發電有限責任公司李風鳴

摘要: 隨著高壓變頻裝置應用領域不斷擴大，300MW機組軸流靜葉可調引風機也開始應用。300MW機組引風機采用變頻裝置后，風量的調節相對原有運行方式有很大的改動，并且高壓變頻裝置自身的可靠性也將會影響機組的正常工作。本文結合陽光電廠引風機的變頻改造項目，介紹了如何根據電廠有關系統的特點，使用高壓變頻調速裝置對引風機進行變頻改造。變頻調速裝置不僅可以達到節能明顯的目的，更主要是調節性能好，同時也改善了風機和電動機啟動，延長了設備的使用壽命。
關鍵詞: 引風機、變頻調速裝置

1、引言
山西陽光發電有限責任公司1#機組(燃煤)設計出力為300MW，機爐配有兩臺AN-28靜葉可調軸流式引風機，額定風量928800m3/h、全壓為3196Pa，配用YKK800-8-W型電動機，額定功率2000kW、額定電壓6kV、額定電流254A，電機無調速裝置，靠改變風機靜葉的角度來調節風量。
發電廠的發電負荷一般在50%-100%之間變化，發電機輸出功率變化，鍋爐處理也要相應調整，鍋爐的送風量、引風量相應變化，引風機出力調整采用通過改變風機的葉片的角度來調節。通過改變風機靜葉的角度來調節風量盡管比一般采用控制入口擋板開度來實現風量的調節有一定的節能效果，但是節流損失仍然很大，特別是低負荷時節流損失更大。其次靜葉調節動作遲緩，造成機組負荷相應遲滯。異步電動機在啟動時啟動電流一般達到電機額定電流的8-10倍，對廠用電形成沖擊，同時強大的沖擊轉矩對電機和風機的使用壽命存在很大不利影響。
當風機轉速發生變化時，其運行效率變化不大，其流量與轉速的一次方成正比，壓力與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的三次方成正比，當風機轉速降低后，其軸功率隨轉速的三次方降低，驅動風機的電機所需的電功率亦可相應降低，所以調速是風機節能的重要途徑。采用變頻調速后可以實現對引風機電機轉速的線性調節，通過改變電動機轉速使爐膛負壓、鍋爐氧量等指標與引風機風量維持一定的關系。
由于目前引風機風量調節方式不能很好的滿足鍋爐燃燒能力及穩定性運行需要，所以有必要對引風機進行節能和調節性能改造，來滿足機組整體調節性能需要。
變頻調速裝置可以優化電動機的運行狀態，大大提高其運行效率，達到節能目的。過去受價格、可靠性以及容量等因素的限制，在我國火力發電市場上一直未能得到更廣泛的應用。近年來，隨著電力電子器件、控制理論和計算機技術的迅速發展，變頻器的價格不斷下降，可靠性不斷增強，高壓大容量變頻器已經在發電廠輔機中得到廣泛應用。
本次我廠1#機組的引風機上采用了兩套高壓變頻裝置，利用變頻器來改變電動機的轉速，以此來調節引風機的風量和風壓。按目前電廠1＃機兩臺引風機運行實際情況，在機組滿發的情況下，引風機運行電流只有140A左右，從節約成本的角度考慮，變頻器的選型并沒有按照電機的額定功率來進行，而是按照電機實際運行電流來考慮，最終選定的型號為HARSVEST－A06/220。該高壓變頻器為北京利德華福電氣技術有限公司制造，屬于HARSVEST-A系列電壓源型全數字控制變頻器，為高-高方式、采用H橋串聯方案。額定容量:2250KVA、額定電壓:6kV、額定電流:220A。改造工期從2005年5月底-2005年6月初共40天，與1#機組大修后同步啟用，1#機組引風機高壓變頻裝置于2005年6月10日正常投運。
2、高壓變頻調速系統應用情況
2.1 高壓變頻器的組成
北京利德華福電氣技術有限公司的高壓變頻器由變壓器柜、功率柜、控制柜三個部分組成。為單元串聯多電平結構，其變頻器原理方框圖如圖1所示。

圖1 單元串聯多電平高壓變頻器原理框圖
2.2 高壓變頻器與現場接口方案
北京利德華福電氣技術有限公司的高壓變頻器的控制部分由高速單片機、人機界面和PLC共同構成。單片機實現PWM控制和功率單元的保護。人機界面提供友好的全中文監控界面，同時可以實現遠程監控和網絡化控制。內置PLC則用于柜體內開關信號的邏輯處理，可以和用戶現場靈活接口，滿足用戶的特殊需要。該變頻器使用西門子S7-200系列PLC，具有較好的與DCS系統接口能力，根據風機的特性運行要求以及變頻器控制的具體要求采取了相應控制方案。
①DCS系統與變頻器的接口方案
DCS系統與變頻器之間的信號總共有11個，其中開關量信號9個，模擬量信號有2個。（以A引風機為例，B側對應為07改08）

②電纜敷設及所用材料
引風機變頻器送往DCS系統MC柜的開關量信號電纜共用14芯； DCS系統RC柜送往引風機變頻器的開關量信號電纜共用4芯；DCS系統送往引風機變頻器的模擬量信號電纜及引風機變頻器送往DCS系統MC柜的模擬量信號電纜共用4芯。DCS系統內部電纜需800米。

共使用模件：DCS控制模件6DS1412-8RR兩塊，6DS1717-8RR兩塊，6DS1723-8BB模件一塊。
③DCS畫面增加以下內容
為實現對變頻引風機的啟停控制及轉速調節，在DCS畫面上增加：
l 變頻器啟停操作功能塊，用于遠方啟停變頻器；
l 變頻器轉速控制功能塊；
l 變頻器輕故障報警塊、重故障報警塊；工頻旁路狀態 FF
2.3、變頻器運行方式及控制邏輯
正常情況下，2臺風機投入變頻調速運行方式，考慮到變頻器有可能故障，引風機系統還具備一臺變頻一臺工頻的運行方式和兩臺工頻的運行方式。
變頻器運行方式分為就地控制及遠方控制兩種。遠程控制狀態時，DCS輸出的轉速命令信號（C0701TRS ）跟蹤變頻器轉速反饋（C0701TRSG ）。就地控制時，對變頻器遠方操作無效。
變頻器受DCS控制時分自動和手動兩種方式。手動狀態時，運行人員通過改變DCS操作畫面轉速控制塊控制變頻器轉速，實現負壓的調節。
①引風機變頻器啟動的允許條件
由于變頻器啟動的前提為引風機電機高壓開關（S07.1/S08.1）必須合閘及啟動反饋為1。原有的風機啟動條件保留下來作為引風機變頻器啟動的允許條件。
變頻器就地送來的就緒信號（S0701.RD和S0801.RD）作為另一啟動條件。
在變頻器遠方啟動的調試過程中，發現由于變頻器轉速設定塊中的命令可能在一個較高的轉速位，而這時啟動變頻器必然會對爐膛負壓有一個較大擾動,并且容易造成運行誤操作,所以在啟動中加入了電機轉速命令必須小于30%的限制。
總結A\B引風機變頻器啟動必須具備以下3個條件：
引風機A、B的高壓部分S07-1、S08-1的啟動反饋為1。
引風機A、B的變頻器就地從其PLC送來的啟動就緒開關：S0701-RD、S0801-RD為1。
引風機A、B的變頻器的轉速設定值C0701TRS、C0801TRS的輸出小于30%。
②引風機變頻器轉速調整的自動方面
A、B變頻器轉速自動調整的開關量部分：當引風機靜葉調節投入自動及閉鎖A、B變頻器轉速投自動，同時當偏差回路中形成值超過一定值（暫定為50%）時，自動切除自動。當爐膛負壓低一值PS0921觸發時延時3秒后閉鎖轉速增加，當爐膛負壓高一值PS0925觸發時延時3秒后閉鎖轉速減少。
A、B變頻器轉速自動的模擬量部分：由于調節對象與引風靜葉自動一樣，所以將原有的偏差形成回路直接引出作為現有的變頻調節的偏差作用于現有的引風變頻控制。并就變頻的特點加入了結合轉速的平衡回路，將兩側的出力保持平衡。同時也獨立的加入其單、雙風機變頻方式的增益回路，由于原有的偏差形成回路中包含了總風量的前饋部分，故在新的變頻轉速回路中就不在增加。考慮到一旦發生單臺引風變頻跳閘，又不能恢復變頻方式運行，將原有的擋板控制回路中的電流平衡回路改為位置反饋平衡回路，同時將另一臺引風變頻逐步加到最大后投入引風自動。
③引風機變頻涉及相關跳閘保護方面
單側風機的變頻器跳閘后，需要聯跳相應一側的送風機。并聯關相應擋板及靜葉的邏輯不變。
雙側風機的變頻跳閘后由于相應的高壓開關聯跳，故保留原鍋爐大連鎖跳閘回路不變。
2.4引風變頻自動參數整定試驗
啟動A、B引風機的變頻器，將C04-1與C04-2的靜葉開至100%，將爐膛負壓設為-50Pa；啟動A、B送風機后并將其動葉C03-1、C03-2的開度至10%，將A、B引風機變頻在最低轉數225轉/分下將引風變頻同時投入自動,先進行定值擾動，將設定值進行20%變化的擾動試驗，對自動變化進行記錄；針對壓力調節的特性，先將積分時間放到較大為4分鐘，比例系數放到0.3逐步改變原比例系數,用臨界比例帶法,進行參數設定.出現調節的等幅震蕩后根據臨界比例帶的算法，先進行初設，有一個基本的參數：P=0.025 Ti=100s。
將A、B送風機并將其動葉C03-1、C03-2的開度，按每10%的開度上行程試驗觀察爐膛負壓的變化情況記錄偏差大小以及偏差消除時間，完成后進行下行程試驗用A\B送風機的動葉進行擾動試驗；
通過改變其中一個的開度30%觀察引風變頻的轉數的變化情況以及負壓的響應時間，在做送風機的動葉進行擾動試驗, 每10%的開度上行程試驗觀察爐膛負壓的變化情況記錄偏差大小以及偏差消除時間，以及變頻器的命令輸出以及轉速的實際值，完成后進行下行程試驗,核定單雙風機運行的比例增益；
模擬MFT動作條件,在送風機并將其動葉C03-1、C03-2的開度在50%的情況下, 觀察爐膛負壓的變化,以及滅火后引風超弛環節的動作情況進行完自動試驗后，將有關引風變頻的聯鎖進行一次實際動作試驗在引風變頻投入自動的；
在試驗過程中，還進行將送風機單側拉掉，仿真運行中單側送風機掉閘后變頻自動是否能夠將負壓控制到滿意的范圍；
鍋爐的安全運行是全廠動力的根本保證，雖然變頻調速裝置可靠，但一旦出現問題，必須確保鍋爐安全運行，所以必須實現工頻—變頻運行的切換。一旦一臺引風變頻故障，無法在短時間內恢復，需要引風自動控制有原先的靜葉來調整，在此背景和需要下，必須對一臺引風變頻停掉，開大另一臺引風變頻，并將原引風自動（靜葉）投入進行相應的擾動，經過試驗，對其中的一些參數進行調整和修改。
3 、經濟綜合測試評價
3.1 節能效益明顯
以下是1＃機組引風機變頻器運行后，6月10日至16日生產數據與2、3、4號機組的比較。

通過上表數據對比，從節電率分析，在四個機組發電負荷相同情況時，1#機組兩臺引風機每天平均耗電量16431 KW·h，2#、3#、4#機組兩臺引風機每天平均耗電量32450 KW·h，節約電量16019 KW·h，節電率為49.37%。
3.2 節能計算
兩臺引風機節電費用，按全年運行7200小時的日負荷分布統計，使用兩臺變頻調速引風機，與以往的靜葉調節相比較，經計算，全年可以節省4805700kW·h。按發電成本電價0.20元/kW·h計算，4805700kW·h ×0.20元/kW·h=961140元。
4、結束語
綜上所述，變頻裝置在電廠應用大有作為，是今后的技術發展方向，不僅是節能明顯，更主要是調節性能好，同時也改善了風機和電動機的使用壽命。隨著高科技技術發展趨勢，制造成本不斷下降，新的產品不斷問世，大大簡化了裝置的結構，減少了元器件，提高了變頻裝置的可靠性。