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1引言

湖北某火力發(fā)電有限公司300MW循環(huán)流化床機組分別于2009年11月投產(chǎn)發(fā)電。鍋爐采用東方鍋爐（集團）公司生產(chǎn)的循環(huán)流化床、中間再熱自然循環(huán)汽包爐，露天布置；汽輪機采用東方汽輪機公司生產(chǎn)的C300－16.67/1.0/537/537型亞臨界中間再熱、單軸、抽凝兩用汽式汽輪機；發(fā)電機采用東方電機公司生產(chǎn)的QFSN－330－2－20型水氫冷卻發(fā)電機，勵磁系統為自并勵靜止勵磁。

該工程于2012年6月25日開(kāi)工，改造采取總包形式，含電控、機械、土建以及水冷空調施工等工作，即由賣(mài)方完成所有供貨、安裝、調試工作，完成試運行168小時(shí)無(wú)問(wèn)題后交業(yè)主。改造由新風(fēng)光電子公司負責施工，并于2012年10月完成#1機組的改造，項目一次投運成功，至今運行正常。
2改造現場(chǎng)風(fēng)機電機、液偶參數

圖1所示為300MW火電機組引風(fēng)機性能曲線(xiàn)示意圖，該風(fēng)機為離心式，進(jìn)口導葉調節風(fēng)量，圖中0^o 為調節門(mén)全開(kāi)位置，負值為調節門(mén)向關(guān)閉方向轉動(dòng)的角度；圖中虛線(xiàn)為等效率線(xiàn)。離心式風(fēng)機的最高效率在進(jìn)口調節門(mén)的最大開(kāi)度處，等效率線(xiàn)和鍋爐阻力曲線(xiàn)接近垂直，效率沿阻力線(xiàn)迅速下降。
 

圖1 引風(fēng)機性能曲線(xiàn)示意圖

3 風(fēng)機節能原理

該機組一次風(fēng)機、引風(fēng)機采用離心風(fēng)機，但實(shí)際運行效率并不高，其主要原因之一是風(fēng)機的調速性能差，二是運行點(diǎn)遠離風(fēng)機的最高效率點(diǎn)。火電機組的一次風(fēng)機、引風(fēng)機的風(fēng)量裕度分別為5%和7％左右，風(fēng)壓裕度分別為10%和13％左右。這是因為在設計過(guò)程中，很難準確地計算出管網(wǎng)的阻力，并考慮到長(cháng)期運行過(guò)程中可能發(fā)生的各種問(wèn)題，所以把系統的最大風(fēng)量和風(fēng)壓富裕量作為選擇風(fēng)機型號的設計值。但風(fēng)機的型號和系列是有限的，選用不到合適的風(fēng)機型號，只好往大機號上靠。這樣，機組一次風(fēng)機、引風(fēng)機的風(fēng)量和風(fēng)壓富裕度是比較大的。

該機組風(fēng)機的風(fēng)量與風(fēng)壓的富裕度以及機組的調峰運行導致風(fēng)機的運行工況點(diǎn)與設計高效點(diǎn)相偏離，從而使風(fēng)機的運行效率大幅度下降。可見(jiàn)，一次風(fēng)機、引風(fēng)機的用電量中，很大一部分是因風(fēng)機的型號與管網(wǎng)系統的參數不匹配及調節方式不當而被調節門(mén)消耗掉的。因此，改進(jìn)離心風(fēng)機的調節方式是提高風(fēng)機效率，降低風(fēng)機耗電量的有效途徑。

按照流體機械的相似定律，風(fēng)機、水泵的流量Q、壓頭（揚程）H、軸功率P與轉速n之間有如下比例關(guān)系：

離心式風(fēng)機在變速調節的過(guò)程中，如果不考慮管道系統阻力R的影響，且風(fēng)壓H隨流量Q成平方規律變化，則風(fēng)機的效率可在一定的范圍內保持最高效率不變（只有在負荷率低于80％時(shí)才略有下降）。圖2示出了離心式風(fēng)機不同調節方式耗電特性比較，圖3示出了采用風(fēng)門(mén)調節和轉速調節方式時(shí)，風(fēng)機的效率－流量曲線(xiàn)。

圖2離心式風(fēng)機不同調節方式耗電特性比較            圖3不同調節方式下的風(fēng)機效率

由圖3可知：在風(fēng)機的風(fēng)量由100％下降到50％時(shí)，變速調節與風(fēng)門(mén)調節方式相比，風(fēng)機的效率平均高出30％以上。因而，從節能的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，變速調節方式為較佳調節方式。發(fā)電廠(chǎng)風(fēng)機采用定速驅動(dòng)時(shí)，風(fēng)機靠風(fēng)門(mén)調節，除產(chǎn)生大量的節流損耗外，反應速度慢，導致鍋爐的燃燒自動(dòng)無(wú)法投入，因而機組的協(xié)調控制無(wú)法投入，機組無(wú)法響應負荷的動(dòng)態(tài)變化。風(fēng)機采用調速驅動(dòng)后，機組的可控性提高了，響應速度加快，控制精度也提高了。從而使整個(gè)機組的控制性能大大改善，不但改善了機組的運行狀況，還可以大大節約燃料，進(jìn)一步節約能源。同時(shí)，采用變速調節以后，可以有效地減輕葉輪和軸承的磨損，延長(cháng)設備使用壽命，降低噪聲，大大改善起動(dòng)性能。工藝條件的改善也能夠產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。
4風(fēng)機變頻改造控制方案

本工程主要是高壓變頻器的安裝、調試與運行，通過(guò)變頻器的安裝、調試記錄，來(lái)驗證變頻器使用現場(chǎng)工況的情況。#1機組主要改造的是兩臺引風(fēng)機和兩臺一次風(fēng)機，為保證電廠(chǎng)鍋爐系統的安全運行，變頻器采用工變頻自動(dòng)轉換機型，高壓變頻器在轉換過(guò)程中1秒內再次啟動(dòng)，沖擊電流在額定的1.2倍以下。根據用戶(hù)對機組引風(fēng)機、一次風(fēng)機工頻生產(chǎn)的運行數據統計，風(fēng)機處于輕載狀態(tài)，即使在機組300M負荷下，引風(fēng)機工頻狀態(tài)電機電流僅160A左右，遠小于額定電流243A；一次風(fēng)機工頻狀態(tài)120A左右，遠小于工頻電流207A，根據運行經(jīng)驗以及降低采購成本，電廠(chǎng)領(lǐng)導決定采用新風(fēng)光電子科技股份有限公司生產(chǎn)的3000kW/10kV（JD-BP38系列）高壓變頻器和2200kW/10kV（JD-BP38系列）高壓變頻器分別拖動(dòng)引風(fēng)機和一次風(fēng)機。

高壓變頻調速系統控制系統具有就地監控和遠方監控兩種方式現場(chǎng)可選。在就地監控方式下，通過(guò)變頻裝置上的觸摸式鍵盤(pán)和按鈕操作、控制器的LCD/LED顯示，可進(jìn)行就地人工啟動(dòng)、停止變頻裝置，可以調整轉速、頻率，就地控制窗口采用中文操作界面，功能設定、參數設定等均采用中文。在遠方監控方式下，可通過(guò)自動(dòng)控制系統（如DCS）及手動(dòng)操作器進(jìn)行操作，操作簡(jiǎn)單，并具備頻率、電機電流、電壓、頻率等參數的實(shí)時(shí)顯示及開(kāi)、停等故障顯示功能。

高壓變頻調速系統具有完善的自診斷和保護功能，具有輸入過(guò)壓、欠壓、過(guò)流保護，輸出相間短路、過(guò)流、單相接地、過(guò)載、過(guò)熱、IGBT擊穿或短路、單元故障、瞬時(shí)停電保護等保護并能聯(lián)跳輸入側進(jìn)線(xiàn)開(kāi)關(guān)，保護性能符合國家有關(guān)標準的規定。變頻裝置還能提供電動(dòng)機所需的過(guò)載、過(guò)流、過(guò)壓、欠壓、熱積累、缺相等保護。變頻裝置內任何部分發(fā)生嚴重故障時(shí)，具有及時(shí)動(dòng)作的保護功能，不會(huì )對電網(wǎng)和負載設備造成沖擊和損壞。

#1爐高壓變頻器共安裝調試4臺，分別為：#1爐A引風(fēng)機、#1爐B引風(fēng)機、#1爐A一次風(fēng)機、#1爐B一次引風(fēng)機。
5 風(fēng)光JD-BP38系列高壓變頻系統技術(shù)參數

新風(fēng)光電子公司生產(chǎn)的風(fēng)光牌JD-BP38系列高壓變頻器以高速DSP為控制核心，采用無(wú)速度矢量控制技術(shù)、功率單元串聯(lián)多電平技術(shù)，屬高-高電壓源型變頻器，其諧波指標小于IEEE519-1992的諧波標準，輸入功率因數高，輸出波形質(zhì)量好，不必采用輸入諧波濾波器、功率因數補償裝置和輸出濾波器；不存在諧波引起的電機附加發(fā)熱和轉矩脈動(dòng)、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問(wèn)題，可以使用普通的異步電機。
JD-BP38-3000F高壓變頻器技術(shù)參數如表2所示。

JD-BP38-2200F高壓變頻器技術(shù)參數如表3所示。

6變頻改造主回路介紹

湖北某火力發(fā)電廠(chǎng)1#爐引風(fēng)機采用2套JD-BP38-3000F（3000kW/10kV）、一次風(fēng)機采用2套JD-BP38-2200F（2200kW/10kV）高壓變頻調速系統進(jìn)行調速控制，將原液力耦合器拆除，把電機位置前移，采用聯(lián)軸器直接連接電機與風(fēng)機。液力耦合器改造前后的現場(chǎng)如圖4、圖5所示。

圖4 液力耦合器改造前

圖5 液力耦合器改造后

引風(fēng)機、一次風(fēng)機系統改造主回路如圖6所示。

圖6 引風(fēng)機、一次風(fēng)機旁路柜原理圖

1#爐引風(fēng)機、一次風(fēng)機改造前采用工頻運行，對4臺風(fēng)機增設變頻調速裝置，采用一拖一自動(dòng)旁路的方式。將原風(fēng)機風(fēng)門(mén)調節的運行方式改為由變頻調節風(fēng)機風(fēng)量的運行方式。當變頻器故障或檢修，可選擇自動(dòng)方式切換至工頻運行。當風(fēng)機變頻運行時(shí)在DCS界面上調節風(fēng)機頻率去調整風(fēng)機轉速，從而達到調節風(fēng)機風(fēng)量的目的。

為了保證發(fā)電機組安全運行，風(fēng)機的動(dòng)力系統方案旁路方案采用自動(dòng)控制方式。在旁路自動(dòng)狀態(tài)下，若變頻器出現故障且自動(dòng)投入允許，系統將首先分斷變頻器高壓輸入、輸出開(kāi)關(guān)，經(jīng)過(guò)一定延時(shí)后，工頻旁路開(kāi)關(guān)合閘，電機投入電網(wǎng)工頻運行。同時(shí)DCS邏輯將風(fēng)量調節方式轉為工頻調節方式，此時(shí)運行人員參與調節，控制風(fēng)量風(fēng)壓正常，確保爐膛燃燒穩定。

變頻器維修完成，系統恢復變頻器運行時(shí)，可以關(guān)閉引風(fēng)機出口擋板，依靠單臺變頻風(fēng)機帶鍋爐50%～70%的負荷，將風(fēng)機切換至變頻運行方式，依托變頻器提供的飛車(chē)啟動(dòng)功能，在風(fēng)機沒(méi)有完全停止的情況下恢復設備運行，從而大大減少機組減負荷的時(shí)間。
主回路如圖6所示，控制具體介紹如下，旁路柜在變頻器進(jìn)、出線(xiàn)端增加了兩個(gè)隔離刀閘，以便在變頻器退出而電機運行于旁路時(shí)，能安全地進(jìn)行變頻器的故障處理或維護工作。

旁路柜主要配置：三個(gè)真空斷路器（QF1、QF2、QF3）和兩個(gè)刀閘隔離開(kāi)關(guān)K1、K2。QF2與QF3實(shí)現電氣互鎖，當QF1、QF2閉合，QF3斷開(kāi)時(shí)，電機變頻運行；當QF1、QF2斷開(kāi)，QF3閉合時(shí)，電機工頻運行。另外，QF1閉合時(shí)，K1操作手柄被鎖死，不能操作；QF2閉合時(shí)，K2操作手柄被鎖死，不能操作。‘
電機工頻運行時(shí)，若需對變頻器進(jìn)行故障處理或維護，切記在QF1、QF2分閘狀態(tài)下，將隔離刀閘K1和K2斷開(kāi)。

合閘閉鎖：將變頻器“合閘允許”信號串聯(lián)于QF1、QF2合閘回路。在變頻器故障或不就緒時(shí)，真空斷路器QF1、QF2合閘不允許；在QF1、QF2合閘狀態(tài)下，若變頻器出現故障，則“合閘允許”斷開(kāi)，QF1、QF2跳閘，分斷變頻器高壓輸入電源。

變頻轉工頻自動(dòng)旁路投入過(guò)程：將變頻器“旁路投入”信號并聯(lián)于QF3合閘回路。變頻運行狀態(tài)下，若變頻器出現故障且自動(dòng)投入允許，系統將首先分斷變頻器高壓輸入、輸出開(kāi)關(guān)QF1和QF2，經(jīng)過(guò)一定延時(shí)后，“旁路投入”閉合，即工頻旁路開(kāi)關(guān)QF3合閘，電機投入電網(wǎng)工頻運行，并把旁路狀態(tài)信號發(fā)送給DCS。同時(shí)DCS邏輯自動(dòng)將風(fēng)機轉為工頻相應風(fēng)門(mén)調節方式。
如變頻器發(fā)生隱患，變頻器發(fā)送“變頻器報警”信號至DCS，此時(shí)變頻器繼續運行，檢修人員可到本地根據變頻器報警信號的信息排除隱患。
7 風(fēng)機變頻改造效果
7.1節能計算

湖北某發(fā)電廠(chǎng)1#爐風(fēng)機變頻改造工程一次成功投運，至今運行正常，改造達到了預期目的。高壓變頻器現場(chǎng)運行如圖7所示。

 
圖7 高壓變頻器現場(chǎng)運行

以下是1＃機組2臺引風(fēng)機、2臺一次風(fēng)機高壓變頻器運行后，對改造前與改造后機組各負荷生產(chǎn)數據進(jìn)行比較，改造前后1#鍋爐運行統計數據如表4--表8所示。
7.1.1引風(fēng)機工變頻運行數據
（1）引風(fēng)機工頻運行參數（風(fēng)門(mén)擋板開(kāi)度100%）

（2）引風(fēng)機變頻運行參數（風(fēng)門(mén)擋板開(kāi)度100%）

7.1.2一次風(fēng)機工變頻運行數據
（1）一次風(fēng)機工頻運行參數（風(fēng)門(mén)擋板開(kāi)度100%）

（2）一次風(fēng)機變頻頻運行參數（風(fēng)門(mén)擋板開(kāi)度100%）

直接經(jīng)濟效益（按電價(jià)0.478元/ kW?h）

使用4臺高壓變頻調速引風(fēng)機、一次風(fēng)機，與工頻調節相比較，經(jīng)計算，引風(fēng)機單臺變頻器全年可以節省2172000kW?h，一次風(fēng)機單臺變頻器全年可以節省1878000kW?h，按發(fā)電價(jià)0.478元/kW?h計算，4臺變頻器全年共節約387.2萬(wàn)元。
7.2其他效果
（1）風(fēng)機變頻改造后，電機實(shí)現了軟啟動(dòng)，消除了對電網(wǎng)和負載的沖擊，避免產(chǎn)生操作過(guò)電壓而損傷電機絕緣，延長(cháng)了電動(dòng)機和風(fēng)機的使用壽命。
（2）采用變頻調節，減少了擋板節流損失，且能均勻調速，滿(mǎn)足生產(chǎn)需要，節約大量的電能。
（3）低負荷下轉速降低，減少了機械部分的磨損和振動(dòng)，延長(cháng)了風(fēng)機大修周期，從而節省了大量的檢修費用。
（4）具有控制精度高、抗干擾能力強、諧波含量小的特點(diǎn)，且有完善的保護功能，有利于電動(dòng)機和風(fēng)機的安全運行。
8結束語(yǔ)

風(fēng)光JD-BP38系列高壓變頻器在湖北某火力發(fā)電廠(chǎng)1#機組風(fēng)機的調速改造中應用是成功的。高壓變頻器的先進(jìn)性、可靠性已得到許多工業(yè)應用的證實(shí)。在各行各業(yè)，對于許多高壓大功率的風(fēng)機水泵設備推廣和采用高壓變頻調速技術(shù)，不僅可以取得相當顯著(zhù)的節能效果，而且也得到國家產(chǎn)業(yè)政策的支持。