自动旁路型智能高压变频调速系统在CFB锅炉风机高压变频改造应用

1　引言

　　浙江江山虎热电有限公司作为何家山水泥有限公司（江山虎集团）的余热发电生产线，担负着向何家山水泥2500t/d生产线供电的任务。自备电厂配置75t/h循环流化床锅炉1台、余热锅炉2台，母线电压10.5kv。主要辅机情况如表1所示。

　　发电机组设计出力为15mw，蒸发量75t/h左右，正常运行时机组满负荷运行，但由于锅炉辅机系统设计选型初期考虑到冷空气动力场测试、强风吹扫的工艺要求，针对风机匹配系数（s.f.）都留有裕度，当发电机组处于长期发电运行中，其需要的风量都小于上述工艺的要求，造成锅炉辅机系统大部分时间都基本上属于大马拉小车的局面。

2　自动旁路选型的初衷

　　作为何家山水泥生产线最重要的生产动力源，自备电厂负荷较大波动将直接影响到整条水泥生产线产量。为保证锅炉机组出力的稳定性，而火力发电机组最重要的辅机机组一次风机、二次风机、引风机变频改造后运行的可靠性就是用户最关心的问题，为保证风机在变频调速状态下能够无扰动地、平稳地切换到工频和在工频运行状态下，无扰动地、平稳地切换到变频运行状态下是非常必要的，日常维护保养和故障处理均需要这一功能。所以改造设计中都考虑有工频旁路系统，其切换方式一般有两种方式：一为刀闸切换的手动旁路系统，适用于对工艺实时性要求不高的用户（例如供水行业、存在压火运行时段的cfb锅炉、调峰机组、存在热备用设备等等）;二为开关切换的自动旁路系统，对于实时性要求很高，工艺不允许有中断生产线重要设备。前者切换方式比起后者初投资较省（只是开关与刀闸的差价），但是要求在断开进线开关，停止风机运行的情况下进行工/变频切换。在现行满负荷运行的条件下，是不允许停止引风机和一次风机的。只能在低负荷压火运行时经过系统调度允许时才能进行，此时发电机组也会受到较大影响，这是用户所不允许的。因此用户经过多方考证最终决定选用智光电机zinvert智能高压变频调速系统自动旁路系列。

　　工/变频互切的关键问题就是切换过程的同期问题，在解决变频器运行过程中内部出现故障可靠地切换到工频，早期已经能够很好的解决;但变频器检修完毕，对用户工艺运行系统不造成影响，电机在旋转状态下可靠地由工频瞬间转换至变频运行，没有技术的保证是不行的，智光电机自主研发stt（speedtracingtechnology）专利技术有效地解决了这一技术瓶颈，众所周知工频切换变频，瞬时电机定子电源失电后由于转子残流、剩磁产生的频率、幅值衰减的定子残压、变频器输出不能承受与发电机非同期并网的类似冲击，一般的变频器会过流保护，运用此技术可确保电机在调速范围内的任何转速下，无需停车即可直接启动系统，启动时无任何电流冲击，真正实现“飞车启动”，此技术不但可以有效实现工/变频自动无扰切换，而且对于用户母线紧急切换、减小瞬时可恢复性故障（电力电子设备多偶尔由干扰引起的软故障）造成对用户负载的间断，这保证工艺持续性工作具有重大意义，大大提高高压变频器的可靠性。图1所示为zinvert高压变频瞬停失电重启试验波形。

3　自动旁路方案设计

　　3.1　一次主回路设计（一次风机、二次风机、引风机均满足此要求）

　　每台风机按一拖一方式配置（即一台高压变频调速系统拖动一个负载），其电气接线图如图2所示。

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　　该方案在设计中考虑了如下问题：

　　（1）刀闸k1、k2、k3、k4无机械闭锁功能，只是在检修时由手动断开以形成明显的断开点，确保工作人员的安全。在工频和变频运行状况下均处于闭合状态。

　　（2）工频旁路接触器j3与变频进线接触器j1、变频出线接触器j2具备电气闭锁功能，不能同时闭合。

　　（3）在变频运行状况下，j1、j2闭合，j3断开。如需自动切换至工频运行，此时先停止变频器输出，跳闸用户10kv开关柜，再由电气控制依次断开j2、j1，然后闭合j3使电机切换至工频侧，再合闸开关柜，使电机工频运行。

　　（4）在工频旁路运行状况下j3闭合，j2、j1断开。如需自动切换至变频运行，此时由电气线路控制先跳闸10kv开关柜，再断开j3，然后依次闭合j2、j1，再合闸开关柜，启动变频器，完成由工频旁路运行到变频运行的自动切换。

　　3.2　二次控制回路说明

　　变频器全部交由上位机dcs控制，对用户的接口说明如下：

　　（1）集控室操作员站根据现场工艺要求通过标准4～20ma调速信号控制变频器转速输出，变频器通过4～20ma模拟信号实时反映现场电机运行电流、电机运行转速（ai两路、ao一路）;

　　（2）变频器运行、停止、待机，轻故障报警、重故障停机、远程/就地控制方式、工频旁路/变频状态量实时上传上位机（di节点若干，根据改造需要进行拓展或缩减）;

　　（3）变频器启动、停止、急停、报警解除为用户控制变频器do节点;

　　（4）电气联锁信号：高压合闸允许、跳闸信号、合闸信号、用户开关位置接至原用户断路器控制回路;

　　（5）工艺联锁信号：关用户风门信号（di）、风门位置信号（do）。

　　工艺联锁信号说明：在高压变频自动由变频转工频运行时，风机会有转速的突变，风量突然增大可能导致炉膛熄火或者难以满足炉膛负压。所以在考虑高压变频器自动变频转工频运行时，高压变频器首先会给用户发出一个关用户风门信号，然后要求用户回馈风门关闭信号给高压变频器。高压变频器接到此信号后会自动合闸断路器，风机工频启动。

　　风门关闭到位信号是用户根据风门的开度自行判断后发出的，其逻辑是当风门关闭到某一设定开度以下时，dcs系统发出“风门关闭到位”信号给高压变频器;当风门处于某一设定开度以上时，“风门关闭到位”信号接点断开。风门开度的确定是由用户根据现场设备情况确定的，应是电机工频启动时风门的允许最大开度，判断风门开度并发出信号是由用户的dcs系统完成的。

　　联锁风机挡板保持炉膛负压稳定在允许范围内是自动旁路的必要条件，否则整套锅炉系统自动投入mft大联锁，压火运行。

4　自动旁路方案实践

　　广州智光电机有限公司的zinvert高压变频调速系统自动旁路功能应用成熟，在本工程投运初期，在负荷85％比较稳定的情况下未并网运行前期对自动旁路、工/变频互切功能做了全面的考核，高压带负荷变频运行状态下模拟一重故障跳闸信号实现变频转工频，自动投切过程仅用时10s左右（包括风门关闭到位时间），投切过程中炉膛负压波动不大，负荷保持稳定，得到了用户的充分肯定。在变频系统就绪的情况下，“stt”技术可靠地保证平稳地实现了工频到变频的切换，切换过程很平稳，电机按照变频设定转速自行调整，无任何冲击，负荷波动不大。所有操作（除变频故障模拟）均在上位机完成，操作简单，旁路过程全部自动完成，实现了真正的节能自动化改造。

　　自动旁路过程说明：

　　（1）变频转工频：

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　　（2）工频转变频：

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　　（3）需要注意的问题：根据现场工况的不同要求，风门从全开到设定范围的关闭时间是通过现场试验来确定的，没有固定数值可参考，确定后plc在程序中可以相应修改其延时周期;许多工艺mft都是做在电机进线开关，变频改造后工/变频互切过程都有跳进线开关的过程，此瞬间暂时解除此联锁，设置延时来满足转换过程中瞬时的分合闸要求。如果变频器的进线接触器采用断路器（可分断故障电流）则不必跳进线开关，连锁逻辑就不必做改动了。

5　变频改造收益

　　5.1　节能效果评估

　　变频投入运行后截取满负荷，母线电压10.5kv，蒸发73～80t/h，发电量16mw稳定后截取2007年7月9日0:00至7月11日16:00进行数据记录，与改造前工频锅炉机组运行基本相同情况下的运行数据记录，进行平均值计算、综合节能比较分析如表2所示：

表2　综合节能比较分析

　　5.2　改造后其他附加收益

　　（1）改善了工艺。投入变频器后可以平滑稳定地调整风量，提高了效率。

　　（2）延长电机和风机的使用寿命。一般风机均为离心式风机，启动时间长，启动电流大（约6～8倍额定电流），对电机和风机的机械冲击力很大，严重影响其使用寿命。而采用变频调速后，可以实现软起动和软制动，几乎不产生冲击，可大大延长机械的使用寿命。

　　（3）减少挡板机械和风机风叶的磨损，减少了电机振动和轴承磨损。延长电机风机的大修周期，节省检修费用和时间。

　　（4）现场噪音大大降低，极大地改善了电厂的运行环境，运行人员反映很好。

　　（5）减少了维护费用和检修工作量。原电机在运行过程中，经常造成风机和电机的损坏，维护工作量大，检修费用高。自改变频调节后保证了风机在正常范围内运行。

　　（6）便于实现电厂机组控制系统自动化。电厂风机的风量自动调节的难点是在过去用阀门挡板调节时，存在执行机构的开度与流量的关系曲线的非线性问题。往往由于执行机构的磨损量过大，挡板特性发生变化，并有调节开度与风量非线性、有突变拐点的问题，可能致使调节过程失误，自动控制系统无法正常工作。而变频调速具有线性、接近无级（0.01hz）调节特性，为实现电厂的自动化打下了良好的技术设备基础。

6　结束语

　　高压变频调速装置现已广泛应用于火力发电机组cfb锅炉，煤粉锅炉成套辅机系统，取得了显著的社会效果和经济收益，而广州智光电机zinvert智能高压变频调速系统自动旁路系列在电厂成功实践使得锅炉辅机系统运行方式更趋于合理，成套机组的自动化程度、控制水平得到了进一步提高，极大地提高了装置现场运行的可靠性和维护的方便性，为高压变频调速系统向高性能发展提供了一定的技术基础。