高壓變頻器在循環流化床鍋爐中的應用
1 引言
高壓交流變頻調速技術是上個世紀90年代迅速發展起來的一種新型電力傳動調速技術，主要用于交流電機的變頻調速，其技術和性能遠遠勝過以前采用的調速方式（如串級調速、液力耦合器調速、轉子水阻調速等）。高壓變頻以其顯著的節能效益、完善的保護功能、方便的通信功能以及高調速精度、寬調速范圍，得到了廣大用戶的認可，成為企業電機節電方式的首選方案。江蘇森達沿海熱電有限公司現有三臺循環流化床鍋爐，三大風機采用液力耦合器調速，三大風機的穩定運轉對正常生產至關重要，對設備要求特別苛刻，因此在高壓變頻器的選用上非常謹慎，2007年12月15日我公司擴建一臺4#爐ug－130/5.3－m8采用北京合康hivert-y06/096高壓變頻器二臺和hivert-y06/048高壓變頻器一臺在公司4#爐安裝調試，穩定運行至今，為國產高壓變頻器贏得了榮譽。
2 循環流化床鍋爐工藝
循環流化床是一種適于固體燃料的清潔高效燃燒技術。固體顆粒（燃料、石灰石、砂粒、爐渣等）在爐膛內以一種特殊的氣固流動方式（流態化）運動，離開爐膛的顆粒又被分離并送回爐膛循環燃燒。爐膛內固體顆粒的濃度高，燃燒、傳質、傳熱、混合劇烈，溫度分布均勻，固體顆粒在爐膛內的內循環和外循環十分強烈，在爐膛內的停留時間較長，保證了較高的燃燒效率。
循環流化床燃燒技術是近二十多年來發展的潔凈煤燃燒技術，其燃燒方式特別適用于高灰分低揮發的煤矸石、洗中煤等劣質煤，具有較好的燃料適應性，可變廢為寶，體現節能要求。另外，循環流化床鍋爐在燃燒過程采用爐內加石灰石、低溫燃燒，可同時達到脫硫脫硝的目的，具有較好的環保特性。
燃料由給煤機送入爐膛；一次風由鍋爐底部送入,主要用于維持燃料粒的流化；二次風沿燃燒室側壁多點送入，主要用于增加燃燒室的氧量，提高燃燒效率；燃燒后的大量顆粒隨煙氣進入旋風分離器，與煙氣分離；分離出來的顆粒經回料閥回到燃燒室繼續燃燒；分離出來的煙氣則經過除塵器除塵后，由引風機引入煙囪排出。實際運行中，循環流化床的燃燒效率可高達97%～99%。
3 技術方案分析
由于其獨特的燃燒特性，與傳統的煤粉爐相比，循環流化床鍋爐對風量、風壓的控制有更高的要求：為了保證鍋爐燃燒的經濟性，當燃料量改變時，必須相應地調節送風量，使之與燃料量匹配；為了保證鍋爐運行的安全性，必須使引風量與一次風量相配合以保證爐膛壓力在正常范圍內；通過一次風量及風壓的調節以保證爐膛內物料的正常流化。與常規煤粉爐相比，循環流化床鍋爐配置的風機壓頭較高，目前調節風量的主要是通過調節風門開啟度或采用變頻調速技術控制風機轉速。當采用調節風門開啟度的方式進行風量控制時，容易出現以下幾個問題：
(1)節流損失大；
(2)系統響應速度慢、調節品質差，自動投入率低，難以滿足實際要求;
(3)執行機構易出問題，維修費用高；
(4)電機啟動時會產生過電流，影響電機絕緣性能和使用壽命。變頻調速技術由于較好地解決了上述問題，正逐步在循環流化床機組中得以運用。
由于循環流化床鍋爐中的一次風機、二次風機、引風機均屬于二次方轉矩負載，在忽略風道變化因素后，有風量與轉速成正比、風壓與轉速二次方成正比、機械軸功率與轉速立方成正比的關系。當采用高壓變頻器對這些電機進行變頻調速控制時，僅通過相對小范圍內的頻率改變，調節電機轉速，即可實現風量的控制，而且調節精度及響應速度有很大改善。同時，當電機轉速降低時，由于軸功率與轉速三次方成正比的對應關系，電機的軸功率顯著下降，節能效果明顯。
4 高壓變頻裝置特點
高壓變頻技術的具體實現有多種方式，國內外的高壓變頻器廠家目前主要采用如下一些解決方案：高－低－高方案、三電平－多電平方案、電流源方案、功率單元串聯方案等等。高－低－高方案需要輸入、輸出變壓器，存在中間低壓環節電流大、效率低、可靠性下降、體積大等缺點，只適合很小容量的高壓電動機；三電平－多電平方案存在控制復雜、需要加濾波器等缺點，只有少數國外廠家采用。電流源存在輸入功率因數低，維護成本高等缺點。
在實際運行中，性能優良的高壓變頻器對電網諧波污染小，北京合康億盛科技有限公司采用多重化的脈寬調制技術，輸出波形為非常完美的正弦波。噪音低，發熱低，不會引起電機轉矩脈動，對電機沒有特殊要求。由于使用二極管整流，在整個調速范圍內功率因數達到95％以上，且整機效率≧97％，無需進行功率因數補償。電壓輸出范圍較大，輸入電壓在-20％～15％，頻率在45hz～55hz波動范圍內設備均能正常工作。采用高頻pwm控制方式，符合國內電網條件的冗余設計，保證設備輸出恒定，避免輸出和共模電壓過大。采用機械式旁路，旁路控制回路單獨供電，避免功率單元失電而后旁路無法動作的情況發生。采用雙電源切換技術，獨特的供電設計，特有的過電壓保護技術，保證高壓變頻器穩定、可靠運行。實踐證明采用單元串聯、直接高－高方式的拓樸結構的高壓變頻器在負載連續運轉要求嚴格的環境中應用具有獨到的優勢。
5 變頻前后耗電情況對比
我公司于2007年12月起開始將高壓變頻器應用4#爐ug－130/5.3－m8的三大風機（引風機，一次風機，二次風機），目前高壓變頻運轉穩定，平均節電率達到20%以上，取得了顯著的經濟效益。附表為我公司安裝高壓變頻前后的技術數據對比。
節能計算：
工頻條件下：4#爐3臺風機平均耗電量為：1558.1kwh/h
變頻條件下：4#爐3臺風機平均耗電量為：1185.9kwh/h
平均節電量：1558.1－1185.9＝372.2kwh/h
年節電量：372.2×6500＝2419300kwh（按年運行6500h計算）
年節電收益：2419300×0.45＝108.8萬元（按0.45元/kwh計算）
4#爐3臺風機年節電收益108.8萬元情況下，具有顯著的經濟效益。短期內就能回收成本。
除了明顯的節電，采用變頻器還有以下優點：
(1)高壓變頻器優良的軟啟動/停止功能（可以零轉速啟動），啟動過程最大電流小于額定電流，大大減小了啟動沖擊電流對電動機的沖擊，有效減小了電機故障，從而大大延長了電機的檢修周期和使用壽命，同時還可有效避免沖擊負荷對電網的不利影響；
(2)使用變頻后，原調節風門全開，大大減少其磨損，延長了風門使用壽命，降低檢修維護費用，進一步降低了風道阻力；
(3)使用變頻后，原液力耦合器取消，節省了液力耦合器的維護費用；
(4)高壓變頻器特有的平滑調節減少了風機以及電機的機械磨損，同時降低了軸承、軸瓦的溫度，有效減少了檢修費用，延長了設備的使用壽命。
6 結束語
高壓變頻調速器已經在多家電廠、水泥廠、化工廠、金屬冶煉廠的風機和離心式水泵中得到實際應用，并取得良好的運行效果和節能效益。作為未來大型節能鍋爐的發展趨勢，循環流化床鍋爐中又包含大量能應用高壓變頻調速技術的設備，由于循環流化床燃燒介質多樣性，風系統、水系統設計選型時比煤粉爐偏大，實際節能效果比煤粉爐好。因此，將高壓變頻調速技術應用于循環流化床鍋爐的設計和改造，對于降低損耗、節約能源、減少成本、提高自動化控制水平，具有十分重要的意義和廣闊的前景。
高壓交流變頻調速技術是上個世紀90年代迅速發展起來的一種新型電力傳動調速技術，主要用于交流電機的變頻調速，其技術和性能遠遠勝過以前采用的調速方式（如串級調速、液力耦合器調速、轉子水阻調速等）。高壓變頻以其顯著的節能效益、完善的保護功能、方便的通信功能以及高調速精度、寬調速范圍，得到了廣大用戶的認可，成為企業電機節電方式的首選方案。江蘇森達沿海熱電有限公司現有三臺循環流化床鍋爐，三大風機采用液力耦合器調速，三大風機的穩定運轉對正常生產至關重要，對設備要求特別苛刻，因此在高壓變頻器的選用上非常謹慎，2007年12月15日我公司擴建一臺4#爐ug－130/5.3－m8采用北京合康hivert-y06/096高壓變頻器二臺和hivert-y06/048高壓變頻器一臺在公司4#爐安裝調試，穩定運行至今，為國產高壓變頻器贏得了榮譽。
2 循環流化床鍋爐工藝
循環流化床是一種適于固體燃料的清潔高效燃燒技術。固體顆粒（燃料、石灰石、砂粒、爐渣等）在爐膛內以一種特殊的氣固流動方式（流態化）運動，離開爐膛的顆粒又被分離并送回爐膛循環燃燒。爐膛內固體顆粒的濃度高，燃燒、傳質、傳熱、混合劇烈，溫度分布均勻，固體顆粒在爐膛內的內循環和外循環十分強烈，在爐膛內的停留時間較長，保證了較高的燃燒效率。
循環流化床燃燒技術是近二十多年來發展的潔凈煤燃燒技術，其燃燒方式特別適用于高灰分低揮發的煤矸石、洗中煤等劣質煤，具有較好的燃料適應性，可變廢為寶，體現節能要求。另外，循環流化床鍋爐在燃燒過程采用爐內加石灰石、低溫燃燒，可同時達到脫硫脫硝的目的，具有較好的環保特性。
燃料由給煤機送入爐膛；一次風由鍋爐底部送入,主要用于維持燃料粒的流化；二次風沿燃燒室側壁多點送入，主要用于增加燃燒室的氧量，提高燃燒效率；燃燒后的大量顆粒隨煙氣進入旋風分離器，與煙氣分離；分離出來的顆粒經回料閥回到燃燒室繼續燃燒；分離出來的煙氣則經過除塵器除塵后，由引風機引入煙囪排出。實際運行中，循環流化床的燃燒效率可高達97%～99%。
3 技術方案分析
由于其獨特的燃燒特性，與傳統的煤粉爐相比，循環流化床鍋爐對風量、風壓的控制有更高的要求：為了保證鍋爐燃燒的經濟性，當燃料量改變時，必須相應地調節送風量，使之與燃料量匹配；為了保證鍋爐運行的安全性，必須使引風量與一次風量相配合以保證爐膛壓力在正常范圍內；通過一次風量及風壓的調節以保證爐膛內物料的正常流化。與常規煤粉爐相比，循環流化床鍋爐配置的風機壓頭較高，目前調節風量的主要是通過調節風門開啟度或采用變頻調速技術控制風機轉速。當采用調節風門開啟度的方式進行風量控制時，容易出現以下幾個問題：
(1)節流損失大；
(2)系統響應速度慢、調節品質差，自動投入率低，難以滿足實際要求;
(3)執行機構易出問題，維修費用高；
(4)電機啟動時會產生過電流，影響電機絕緣性能和使用壽命。變頻調速技術由于較好地解決了上述問題，正逐步在循環流化床機組中得以運用。
由于循環流化床鍋爐中的一次風機、二次風機、引風機均屬于二次方轉矩負載，在忽略風道變化因素后，有風量與轉速成正比、風壓與轉速二次方成正比、機械軸功率與轉速立方成正比的關系。當采用高壓變頻器對這些電機進行變頻調速控制時，僅通過相對小范圍內的頻率改變，調節電機轉速，即可實現風量的控制，而且調節精度及響應速度有很大改善。同時，當電機轉速降低時，由于軸功率與轉速三次方成正比的對應關系，電機的軸功率顯著下降，節能效果明顯。
4 高壓變頻裝置特點
高壓變頻技術的具體實現有多種方式，國內外的高壓變頻器廠家目前主要采用如下一些解決方案：高－低－高方案、三電平－多電平方案、電流源方案、功率單元串聯方案等等。高－低－高方案需要輸入、輸出變壓器，存在中間低壓環節電流大、效率低、可靠性下降、體積大等缺點，只適合很小容量的高壓電動機；三電平－多電平方案存在控制復雜、需要加濾波器等缺點，只有少數國外廠家采用。電流源存在輸入功率因數低，維護成本高等缺點。
在實際運行中，性能優良的高壓變頻器對電網諧波污染小，北京合康億盛科技有限公司采用多重化的脈寬調制技術，輸出波形為非常完美的正弦波。噪音低，發熱低，不會引起電機轉矩脈動，對電機沒有特殊要求。由于使用二極管整流，在整個調速范圍內功率因數達到95％以上，且整機效率≧97％，無需進行功率因數補償。電壓輸出范圍較大，輸入電壓在-20％～15％，頻率在45hz～55hz波動范圍內設備均能正常工作。采用高頻pwm控制方式，符合國內電網條件的冗余設計，保證設備輸出恒定，避免輸出和共模電壓過大。采用機械式旁路，旁路控制回路單獨供電，避免功率單元失電而后旁路無法動作的情況發生。采用雙電源切換技術，獨特的供電設計，特有的過電壓保護技術，保證高壓變頻器穩定、可靠運行。實踐證明采用單元串聯、直接高－高方式的拓樸結構的高壓變頻器在負載連續運轉要求嚴格的環境中應用具有獨到的優勢。
5 變頻前后耗電情況對比
我公司于2007年12月起開始將高壓變頻器應用4#爐ug－130/5.3－m8的三大風機（引風機，一次風機，二次風機），目前高壓變頻運轉穩定，平均節電率達到20%以上，取得了顯著的經濟效益。附表為我公司安裝高壓變頻前后的技術數據對比。
節能計算：
工頻條件下：4#爐3臺風機平均耗電量為：1558.1kwh/h
變頻條件下：4#爐3臺風機平均耗電量為：1185.9kwh/h
平均節電量：1558.1－1185.9＝372.2kwh/h
年節電量：372.2×6500＝2419300kwh（按年運行6500h計算）
年節電收益：2419300×0.45＝108.8萬元（按0.45元/kwh計算）
4#爐3臺風機年節電收益108.8萬元情況下，具有顯著的經濟效益。短期內就能回收成本。
除了明顯的節電，采用變頻器還有以下優點：
(1)高壓變頻器優良的軟啟動/停止功能（可以零轉速啟動），啟動過程最大電流小于額定電流，大大減小了啟動沖擊電流對電動機的沖擊，有效減小了電機故障，從而大大延長了電機的檢修周期和使用壽命，同時還可有效避免沖擊負荷對電網的不利影響；
(2)使用變頻后，原調節風門全開，大大減少其磨損，延長了風門使用壽命，降低檢修維護費用，進一步降低了風道阻力；
(3)使用變頻后，原液力耦合器取消，節省了液力耦合器的維護費用；
(4)高壓變頻器特有的平滑調節減少了風機以及電機的機械磨損，同時降低了軸承、軸瓦的溫度，有效減少了檢修費用，延長了設備的使用壽命。
6 結束語
高壓變頻調速器已經在多家電廠、水泥廠、化工廠、金屬冶煉廠的風機和離心式水泵中得到實際應用，并取得良好的運行效果和節能效益。作為未來大型節能鍋爐的發展趨勢，循環流化床鍋爐中又包含大量能應用高壓變頻調速技術的設備，由于循環流化床燃燒介質多樣性，風系統、水系統設計選型時比煤粉爐偏大，實際節能效果比煤粉爐好。因此，將高壓變頻調速技術應用于循環流化床鍋爐的設計和改造，對于降低損耗、節約能源、減少成本、提高自動化控制水平，具有十分重要的意義和廣闊的前景。
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