引風(fēng)機(jī)高壓變頻在火電廠中的應(yīng)用與節(jié)能分析

1、引風(fēng)機(jī)高壓變頻在火電廠中的應(yīng)用與節(jié)能分析余瑞鋒，楊清華，黃飛，馮彥杰(西安熱工研究院有限公司，西安市)high voltage IGBT inverting technology for boiler IDF energy saving controlYu Ruifeng，Yang Qinghua，Huang Fei， Feng Yanjie (Xi'an Thermal Power Research Institute , Xian, China)ABSTRACT：This article introduces the characteristics ofthe high volta

2、ge IGBT inverting technology, and itsapplication and actually analysis of energy saving in boilerIDF of thermal supply power plant.KEY WORDS：Thermal supply power plant;high voltageIGBT inverting technology ;IDF; energy saving摘要：文章介紹了高壓變頻技術(shù)特點(diǎn)，以及在鍋爐引風(fēng)機(jī)系統(tǒng)上的應(yīng)用情況和節(jié)能分析。關(guān)鍵詞：電廠；高壓變頻技術(shù)；引風(fēng)機(jī)；節(jié)能1 引言風(fēng)機(jī)和水泵是量大面廣的機(jī)

3、械耗電設(shè)備，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)目前擁有的風(fēng)機(jī)、水泵電動(dòng)機(jī)每年的耗電量占全國(guó)耗電總量的30%以上，占工業(yè)總用電量的50%左右。目前風(fēng)機(jī)和水泵運(yùn)行中還有很大的節(jié)能潛力，其潛力挖掘的焦點(diǎn)是提高風(fēng)機(jī)和水泵的運(yùn)行效率。根據(jù)全國(guó)火力發(fā)電廠資料八大風(fēng)機(jī)與水泵：送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)、排粉風(fēng)機(jī)、鍋爐給水泵、循環(huán)水泵、凝結(jié)水泵、灰漿泵配套電動(dòng)機(jī)的總?cè)萘繛?000MW，年總用電量為520億kWh，占全國(guó)火電發(fā)電量的5.8%。發(fā)電廠輔機(jī)電動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行直接關(guān)系到廠用電率的高低。在實(shí)行競(jìng)價(jià)上網(wǎng)的今天，降低廠用電率，就能降低發(fā)電成本從而提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。這已經(jīng)成為各個(gè)發(fā)電廠努力追求的經(jīng)濟(jì)目標(biāo)。將高壓變頻技術(shù)用于風(fēng)機(jī)和水泵的

4、節(jié)能改造，降低設(shè)備耗電，已得到越來(lái)越廣泛的共識(shí)。我們對(duì)華能福州電廠#1、#2機(jī)組引風(fēng)機(jī)進(jìn)行了高壓變頻改造，取得了很好的節(jié)能效果。下面就對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行詳細(xì)介紹。2高壓變頻技術(shù)介紹2.1變頻節(jié)能原理由流體力學(xué)可知，P（功率）=Q（流量）× H（壓力），流量Q與轉(zhuǎn)速NH與轉(zhuǎn)速N的平方成正比，功率方成正比，如果風(fēng)機(jī)的效率一定，當(dāng)要求調(diào)節(jié)流量下降時(shí)，轉(zhuǎn)速N可成比例的下降，而此時(shí)輸出功率P成立方關(guān)系下降。即水泵電機(jī)的耗電功率與轉(zhuǎn)速近似成立方比的關(guān)系根據(jù)我國(guó)的電壓等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，高壓變頻主要指3kV、6kV、10kV這幾個(gè)電壓等級(jí)的變頻器，國(guó)內(nèi)電廠的廠用電電壓一般為大（一般指超過(guò)200kW）的電動(dòng)機(jī)基本上

5、都采用高壓電動(dòng)機(jī)，這些電動(dòng)機(jī)的能耗是電廠用電的主要部分，高壓變頻指的就是這些電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速。 2.2高壓變頻系統(tǒng)介紹 福州電廠#1、#2引風(fēng)機(jī)高壓變頻系統(tǒng)由移相變壓器柜、變頻單元柜、變頻控制柜三部分所組成。 （1）移相變壓器 6kV電源經(jīng)過(guò)干式36到變頻器，變壓器共有18 個(gè)二次繞組，采用延邊三角形接法，分為6個(gè)位組互差的電角度為10°為參照，分別為：超前255°、滯后5°、滯后15°移相變壓器具有三個(gè)功能：側(cè)線電壓的相位偏移以消除諧波；要的二次側(cè)電壓；實(shí)現(xiàn)隔離。 由于移相變壓器的二次個(gè)相位差，實(shí)現(xiàn)了輸入多重化電網(wǎng)側(cè)電流諧波，不需IEEE-519（19

6、92）和GB/T輸入電流的基波因數(shù)增大，進(jìn)而可將變頻器輸P與轉(zhuǎn)速 6kV、10kV的相位組，每個(gè)相線、 超前15°滯后25°。 實(shí)現(xiàn)一、二次變壓得到間線圈間互相，由此可大大濾波器就可以49-93標(biāo)準(zhǔn)，的一次方成正比，壓力N的立。，功率較脈沖移相變壓器輸出不同，以一次繞組電壓作°、超前、需變頻器與電網(wǎng)的電氣存在一減弱要滿足145且由于入電源的功率因數(shù)提高到0.95以上，無(wú)需功率因素補(bǔ)償裝置。（2）變頻單元變頻單元的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用多電平串聯(lián)技術(shù)，每相采用6個(gè)單元串聯(lián)，三相共18個(gè)單元，變頻單元的結(jié)構(gòu)圖如下：圖1 變頻單元結(jié)構(gòu)圖每個(gè)變頻單元的結(jié)構(gòu)完全一致，可以互換，

7、其電路結(jié)構(gòu)見(jiàn)上圖的右邊部分。整流橋部分采用三相不可控全橋，通過(guò)整流橋?qū)⒔涣麟娬鞒芍绷麟?，再通過(guò) IGBT 逆變橋進(jìn)行正弦脈沖寬度調(diào)制（即PWM控制），通過(guò)控制IGBT的通斷時(shí)間及通斷次序?qū)⒅绷麟妷恨D(zhuǎn)換為一系列寬度不等的矩形電壓脈沖。每個(gè)IGBT單元的交流輸出電壓為577V，6級(jí)串聯(lián)時(shí)的相電壓變?yōu)榧s3465V，再使3組的相位分別錯(cuò)開(kāi)120度，就能得到線電壓6000V的高壓電源，高壓變頻器的6kV輸出原理圖如下：圖2 高壓變頻器的6kV輸出原理圖每個(gè)單元的輸出采用正弦波PWM波形，載波頻率4.8kHz，因此輸出電流為正弦波，輸出電壓非常近似正弦波，如下圖： 圖3 高壓變頻器的輸出電壓波形圖 變頻

8、器輸出側(cè)多重化，可以在不加濾波器的情況下，將輸出電壓諧波控制在2%以?xún)?nèi)，輸出近乎完美的正弦波，滿足普通異步電機(jī)的需要。 （3）變頻控制柜 變頻控制柜是高壓變頻器的控制核心，主要包括控制器、輸入輸出模塊和網(wǎng)絡(luò)模件組成，其主要功能包括：參數(shù)整定、控制電源供給、與每個(gè)功率單元控制板的通訊、與外部接口等。 3引風(fēng)機(jī)高壓變頻技術(shù)改造方案 3.1 引風(fēng)機(jī)系統(tǒng)改造前的運(yùn)行情況 華能福州電廠#1、#2機(jī)組均為350MW燃煤機(jī)組，每臺(tái)機(jī)組均配有兩臺(tái)引風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，引風(fēng)機(jī)改造前均全壓?jiǎn)?dòng)、采用引風(fēng)機(jī)入口檔板來(lái)調(diào)節(jié)爐膛負(fù)壓。這種傳統(tǒng)方式缺點(diǎn)主要在于引風(fēng)機(jī)系統(tǒng)能耗損失大，不利于節(jié)能。 3.2 引風(fēng)機(jī)變頻改造方案 （1）、

9、引風(fēng)機(jī)的電氣一次回路 每臺(tái)引風(fēng)機(jī)高壓變頻器采用一拖一自動(dòng)旁路方式，一次原理圖如下： 6kV母線圖4 引風(fēng)機(jī)一次原理圖 上圖中，虛框內(nèi)的部分是旁路柜，旁路柜主要由三個(gè)斷路器組成，分別是：變頻器進(jìn)線斷路器QF1、變頻器出線斷路器QF3、工頻斷路器QF2。6kV電源由原引風(fēng)機(jī)電源高壓QF開(kāi)關(guān)通過(guò)QF1到高壓變頻裝置，變頻裝置輸出經(jīng)QF3送至電動(dòng)機(jī)，電機(jī)變頻運(yùn)行；6kV引風(fēng)機(jī)電源還可經(jīng)QF2直接起動(dòng)電動(dòng)機(jī)，電機(jī)工頻運(yùn)行。（2）、變頻和工頻的自動(dòng)切換邏輯A.變頻切工頻：先斷QF1和QF3，再合QF2，切換機(jī)組負(fù)2A/B風(fēng)機(jī)工頻 荷（MW） 電流之和（A） 總功耗（kW） 160 166.349 1503

10、.967963180 171.136 1547.247421200 177.534 1605.091995 220 183.004 1654.546484 240 191.746 1733.583256 260 203.76 1842.20231 280 213.959 1934.411877 300 228.627 2067.025852320246.032224.367071到工頻運(yùn)行。B.工頻切變頻：先斷QF2，再合上QF1、QF3，最后啟動(dòng)變頻器。（3）、變頻器和旁路柜三個(gè)斷路器間的聯(lián)鎖邏輯要求：QF1，QF3與QF2之間，以及和變頻器間有電氣聯(lián)鎖和邏輯聯(lián)鎖，確保任何工況下變頻和工頻不

11、能同時(shí)合閘。QF1合閘許可：QF3合閘且QF2分閘且變頻器允許QF1合閘。QF2合閘許可：QF1分閘且QF3分閘。 QF3合閘許可：QF2分閘。 QF3分閘許可：QF1分閘。4節(jié)能評(píng)估福州電廠#1#2機(jī)組引風(fēng)機(jī)變頻改造完后，運(yùn)行了2個(gè)月，我們對(duì)其中#2引風(fēng)機(jī)變頻器在這兩個(gè)月以來(lái)的運(yùn)行情況作了評(píng)估。 3.1 引風(fēng)機(jī)耗電量計(jì)算公式在DCS上直接可以查詢(xún)到電機(jī)的電流，由電流可以得到電機(jī)功耗，其計(jì)算公式為：P=SQRT(3)*U*I*COS 其中，P電機(jī)功耗 U電機(jī)額定電壓 I電機(jī)實(shí)際運(yùn)行電流COS功率因數(shù)為0.87；變頻下，電機(jī)的功率因數(shù)取0.97。3.2 工頻和變頻下各自耗電量計(jì)算（1）工頻狀態(tài)下

12、，引風(fēng)機(jī)耗電量計(jì)算：工頻狀態(tài)下，改造前2A/B引風(fēng)機(jī)的母線側(cè)電流和功耗在不同負(fù)荷下對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)如下：（2）變頻狀態(tài)下，引風(fēng)機(jī)耗電量計(jì)算： 變頻改造后，2A/B引風(fēng)機(jī)的母線側(cè)電流和功耗在不同負(fù)荷下對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)如下： 機(jī)組負(fù)2A/B變頻變頻 荷（MW） 電流之和 總功耗 （A）（kW） 160 71.043 716.1304903180 77.748 783.7184995200 84.651 853.3023962220 96.806 975.8277134240 115.642 1165.699114260 137.162 1382.625879280 158.814 1600.883235300

13、 182.44 1839.038986320205.252068.96926我們將工頻狀態(tài)下和變頻狀態(tài)下的兩個(gè)表格制成圖表，如下所示：圖表5：機(jī)組負(fù)荷和引風(fēng)機(jī)功耗關(guān)系圖 3.3節(jié)能分析（1）不同負(fù)荷對(duì)應(yīng)的節(jié)能效率分析 節(jié)能效率的計(jì)算公式：節(jié)能效率=（工頻下總功耗-變頻下總功耗）/工頻下總功耗根據(jù)工頻狀態(tài)下和變頻狀態(tài)下的功耗表格，計(jì)算得出機(jī)組負(fù)荷和節(jié)能效率之間的關(guān)系，如下表格并制成圖表：機(jī)組負(fù)荷（MW） 節(jié)能效率（%）160 52.38392652180 49.34756467200 46.8377888222041.02143864240 260 280 300 3209個(gè)煙道也改了，現(xiàn)在煙道

14、比改造前的煙道截面積更大，但更彎曲。如果考慮電機(jī)本身和煙道因素，節(jié)能的效果應(yīng)該會(huì)更加明顯。5 結(jié)語(yǔ)經(jīng)過(guò)兩個(gè)月的運(yùn)行，改造后變頻器的運(yùn)行情況良好，節(jié)能效果十分明顯，尤其當(dāng)機(jī)組在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)更為明顯。當(dāng)然除了節(jié)能效果外，運(yùn)用變頻的好處還表現(xiàn)在：1.對(duì)爐常工作在低轉(zhuǎn)速下，圖表6：機(jī)組負(fù)荷和節(jié)能效率關(guān)系圖 損耗和風(fēng)機(jī)（2）經(jīng)濟(jì)分析3.由于風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)2009年，華能福州電廠的總發(fā)電量為85.11門(mén)時(shí)會(huì)發(fā)生億千瓦時(shí)，根據(jù)這個(gè)數(shù)據(jù)我們可以計(jì)算出每臺(tái)機(jī)器，改善了電動(dòng)機(jī)的組一年下來(lái)的平均負(fù)荷，公式如下：起動(dòng)時(shí)的機(jī)械沖P=Cd/Q/T 開(kāi)展對(duì)高壓變頻技術(shù)的其中P代表機(jī)組平均負(fù)荷 參 Cd總發(fā)電量1 張選正，顧紅兵

15、中高壓變頻器應(yīng)用技術(shù)北京電子工Q機(jī)組數(shù)量，本項(xiàng)目中為4臺(tái)機(jī)組 業(yè)出版社，20076T年運(yùn)行時(shí)間，本項(xiàng)目取每年運(yùn)行3052 李遵基. 中壓變頻器在火力發(fā)電廠送風(fēng)機(jī)控制中的應(yīng)用.天，每天24小時(shí)中國(guó)電力，2000，6.將數(shù)據(jù)帶入公式可得出：3 高鋒陽(yáng)，莊圣賢，杜亞江，韓竺秦牽引移相變壓器網(wǎng)側(cè)機(jī)組平均負(fù)荷(kW) = 8511000000 / 4 / 305 諧波消除研究./24=290676.2 kW，合290MW左右。根據(jù)工頻下的歷史數(shù)據(jù)，290MW對(duì)應(yīng)的引風(fēng)收稿日期：機(jī)功耗為（1934.41187736+2067.02585208）作者簡(jiǎn)介：/2=2000.719 kW。余瑞鋒（1975-）根

16、據(jù)變頻下的歷史數(shù)據(jù)，290MW對(duì)應(yīng)的引風(fēng)事大型熱電廠熱工自動(dòng)控制技術(shù)研究和應(yīng)用。機(jī)功耗為（1600.88323536 + 1839.0389856） / 2 楊清華（= 1719.961 kW。師，主要從事大型熱電廠熱工自動(dòng)控制技術(shù)研究和應(yīng)用。每小時(shí)節(jié)約電能=2000.719-1719.961=280.758 黃 飛（1980-）kW事大型熱電廠熱工自動(dòng)控制技術(shù)研究和應(yīng)用。根據(jù)運(yùn)行時(shí)間和每度電的發(fā)電成本（取每度馮彥杰（1960-），男，北京，本科，高級(jí)工程師，電成本0.26元）便可得知一年下來(lái)，變頻器節(jié)約主要從事大型熱電廠熱工自動(dòng)控制技術(shù)研究和應(yīng)用。的成本，計(jì)算如下：需要說(shuō)明的是：由于這次變頻改造是為了上脫銷(xiāo)系統(tǒng)，所以改造