国产高压变频器在电厂辅机节能改造中的应用实践

一、引言
　　全面建设节约型企业，大力开展节能降耗，以提升企业经济效益为目的，积极探索节能新途径。随着电力电子技术的不断发展进步，利用新技术来提高企业生产设备的管理水平和节能降耗工作是企业采取的有效措施。随着国产高压变频器制造技术的不断提高，整体造价的降低，高压变频器在电厂辅机中的应用已较为普遍，其安全稳定性及节能性已达到或接近国外进口品牌变频器。
二、辅机运行工况分析
1、锅炉引风机
　　我公司#2炉为410T/H锅炉，采用双引风机式，风机型号为Y4-73N0.23.5F，配置功率为800kW，额定电压为6kV的三相交流异步电动机，风门采用档板调节，正常运行开度为50%左右，风机实际风量约为额定风量的一部分，风机远离额定点运行，其实际运行效率很低，由于挡板的存在，形成档板前后风压差，造成节流损失，同时风机档板执行机构为大力矩电动执行机构，故障较多，风机自动率较低。
2、锅炉给水泵
　　我公司汽水系统为公用母管式，采用4台给水泵并联运行，正常运行工况为3台工作，1台备用。其中#1、#2给水泵电机的额定功率为3200KW，额定电压为6KV，采用液力耦合器带动给水泵；#3、#4给水泵电机的额定功率为2800KW，额定电压6KV，为电机直接带动给水泵运行的定速泵。由于#3或#4给水泵运行时，出口压力高，为防止过负荷运行，导致其它两台液力耦合器给水泵只能提高出口压力，使给水母管压力达到13.5MPa，而正常运行时的汽包压力为9.4MPa，与正常汽包压力之间的差别约为4.0MPa。不仅浪费了大量的电能，较高的水压还对管道、水泵叶轮和阀门造成损害。
　　为解决以上情况，我们对电厂辅机设备锅炉引风机、给水泵进行变频调速技术改造，已达到节约能源、降低损耗，提高设备使用寿命，优化工艺控制的目的。现就改造过程中的一些工作情况介绍如下。
三、辅机变频改造节能分析
1、锅炉引风机
　　利用变频器作为风量的调节器，最直接的效益就是节能降耗。采用变频调速的主要特点是消除或减少档板的节流损失，节能的效果与风机的性能、运行工况、档板的开度等有关。下面就例举我公司#2炉引风机改造测算情况作一介绍。
1.1改造前运行参数（#2锅炉所带负荷为370T/h）

1.2 改造前工频功率计算公式：


1.3 改造后功率计算公式：

1.4 #2锅炉引风机节能计算

　　对比#2锅炉引风机变频调速前后的电功率：单台引风机减少电功率180kW，节电率为33%。以上是理想条件下的节电率，在实际运用中，为了考虑变频器故障切换为工频运行时，风门需保留它用。变频调节运行时风门尽管全开，还有一定的阻碍，影响计算结果，另外，各种运行工况的不同，节电效果也不一样，所以实际节电率要比以上估算结果有一定的出入。但从以上结果来看，节电显著，值得改造。
2、锅炉给水泵
　　#3、4给水泵为定速运行，采用变频调速的主要特点是消除或减少阀门调整节流损失大、出口压力高、管损严重、系统效率低，造成的能源浪费。下面就例举我公司#4给水泵改造测算情况作一介绍。
2.1改造前运行参数（#4锅炉给水泵）

#1、2、4给水泵节能计算（正常运行3台泵母管运行）
2.2工频运行功率计算

2.3变频改造后预计运行功率计算
由于汽包压力为9.4mPa，考虑管损及其他损耗，给水泵的出口压力应达到12mPa，单台给水泵的流量要达到360m3/h。
#4给水泵变频计算：

考虑#1、2给水泵为液力耦合器拖动，其η不超过0.90，#4给水泵变频改造后给水泵总负荷约5575KW。
2.4节电比例计算

　　对比现负荷下变频调速前后的电功率：#4给水泵变频改造后总给水电功率减少554kW，节电率为9.0%。从以上结果来看，节能显著，并且能提高对工艺参数控制，值得改造。
四、高压变频器性能选择
　　利用变频调节技术无疑要在原有的回路中加装一套变频调速设备，也就增加了一个设备故障点,该产品性能的好坏，将直接影响着机炉的安全稳定运行，因此变频器的性能选择至关重要。我们在选择时除了考虑一些常规的性能指标外，还着重注意了以下几点:设计上是否相对有其特点，选用的元件是否稳定、成熟；产生的谐波分量是否符合有关标准；电源短时中断恢复时对其影响程度；个别元件故障时能保持短时间的运行等功能。
　　目前，市场上高压变频器产品较多，变频调节类型也有多种。一般说来，国外有的产品其元件及性能应较好，但价格较高，同时与用户意见的交流、售后服务较为困难。
　　我们在对辅机设备调节系统改造前，收集、了解了国内一些调节装置的资料，并进行了比较，最后选择了广州智光电气股份有限公司的ZINVERT变频调速系统。
五、辅机设备变频器的改造控制方案简介
　　我们此次改造应用的ZINVERT型智能高压变频调速系统主控制部分以新型电机控制专用双DSP（数字信号处理器）为控制核心，辅以大规模可编程逻辑器件，实现SPWM波形控制及各种信号的检测、分析判断和处理。控制器和功率单元箱之间通过光纤进行信号传输，可有效避免电磁干扰，增强系统的可靠性。同时控制系统具有丰富的模拟、数字接口，可用于与中控DCS连接和扩展，以满足现场运行与控制的需要。操作时可通过在控制柜上“远程/就地”转换开关的切换实现“就地控制”与“远方控制”。我公司“远方控制”与原有的DCS连接，在引风机、给水泵控制画面中增加了变频器画面，与变频器输出接口联接，进行数据通讯，运行人员可以通过DCS中的画面对引风机、给水泵变频器的工作电流、转速以及运行、停止、故障等状态进行实时监控。
1、 #2锅炉IIB引风机变频装置与电动机连接方式

　　#2锅炉IIB引风机电动机配套变频型号为：ZINVERT-A6H1000/06Y，系统采用一拖一工／变频自动旁路切换方式（见上图）。其中QF表示6KV高压开关（原有设备）、KM1-KM3为高压真空接触器、M表示电动机（原有设备）、K1-K2为高压隔离开关；全部选用10kV开关。K1、K2与KM1、KM2联锁，即K1、K2断开时，KM1、KM2无法合闸。KM3和KM2互锁，KM3和KM1不互锁。KM3和KM2不能同时合闸。
　　自动变频切换工频过程：电机变频运行时，变频器接收到“变频切工频”的信号后，自动断KM1、KM2，然后合KM3，电机工频运行。自动工频切换变频过程：电机工频运行时，变频器接收到“变频切工频”的信号后，自动断开KM3，然后合上KM1，最后合KM2，启动电机变频运行。在变频器出现严重故障时（除负载故障外），负载能够自动转入工频电网中，切开变频调速系统，并且负载不用停机；另外在工频旁路运行的情况下可以通过断开K1和K2检修变频器。
2、 #4给水泵变频装置与电动机的连接方式

　　#4给水泵电动机配套变频型号为：ZINVERT-A7H3750/06Y，系统采用一拖一工／变频手动旁路切换方式。它是由1个单刀单掷隔离刀闸K1和1个单刀双掷刀闸开关K2组成（见上图），其中QF表示6KV高压开关（原有设备），变频与工频旁路间切换，可以通过K1、K2刀闸切换完成，刀闸K2采用单刀双掷刀闸，保证避免变频输出与工频输入短接闭锁功能。
　　6kV电源经变频装置输入刀闸K1到高压变频装置，变频装置输出经刀闸K2送至电动机；电源还可经刀闸K2切换工频位置至电机，直接起动电动机。一旦变频装置出现故障，可马上依次断开输入侧进线开关QF及进线刀闸K1，切换刀闸K2至工频位置，将变频装置隔离，然后合输入侧进线开关QF在工频电源下起动电机运行。刀闸K1、刀闸K2操作与进线开关位置之间具有闭锁和防止误操作功能。刀闸技术绝缘耐压、动稳、热稳、机械寿命、电气寿命等参数满足回路要求及相关标准。
六、辅机设备变频器系统调试
　　变频器安装后，投入系统运行前还需进行必要的调试，其目的主要是检查所选择的变频器其性能、功能是否达到设计要求以及满足实际生产需要。主要内容有:
1、具备条件:
a) 相关变频器工作的一、二次设备安装、组态完毕；
b) 变频器柜内变压器耐压试验、直流电阻测量合格；
c) 6kV电缆、变频器柜内开关、支持瓷瓶、避雷器等试验合格；
d) 检查各接线正确、紧固；
e) 变频器参数设置正确；
f) 辅机等机务设备具备试车条件。
2、试验项目:
a) 开关闭锁功能试验:主要检查出线刀闸和旁路刀闸的机械闭锁功能、“高压允许合闸”闭锁功能、防止带负荷拉合刀闸功能。
b) 静态调试:将变频器控制电源送上，开关处于试验状态。检查“接地控制”(控制柜控制)、“远方控制”(DCS控制)时的开关动作状态及变频器面板、DCS画面上的各种状态显示是否正确对应。
c) 动态调试:开关、变频器柜将正式通电。分别检查“工频旁路”状态以及“变频控制”状态下，在DCS上或变频器控制柜上操作引风机、变频器的启、停、调是否正常，转速、电流是否正确；在“工频旁路”状态时与“变频控制”状态时的转向是否正确；在“变频控制”时人为模拟故障保护动作、信号是否正确。
d) 带负荷试验:主要了解正常运行工况下变频器的风量、流量、电流、转速(频率)；检查变频器额定输出电流时的电机转速、变频器频率。以便确定变频器的“始动频率”值以及是否投用限流功能。
e) 动力电源切换试验:变频器在正常运行时,电源发生短时波动或工作厂用电中断备用电切换成功,这时变频器应不发生跳机。
七、辅机设备变频改造后的效果
1、#2锅炉IIB引风机变频改造后效益分析
改造前#2炉负荷为370T/h（表一）

由表一的统计数据可知，变频器改造前的日平均日耗电量为25806.6KWh
改造后#2炉负荷为370T/h（表二）

由表二的统计数据可知，改造后经过计算#2锅炉两台引风机每天的平均电量约为18370.67KWh
每天的节约电量为：25806.6-18370.67=7435.93KWh，实际节电率为28.8%。
2、#4给水泵变频改造后效益分析（根据锅炉的上水量与产汽量进行统计）
改造前, #1、#2、#4给水泵运行统计（表一）

由表一的统计数据可知，变频器改造前的日平均日耗电量为169002KWh
改造后, #1、#2、#4给水泵运行统计（表二）

由表二的统计数据可知，变频器改造后的日平均日耗电量为157417KWh
　　每天的节约电量为：169002-157417=11585KWh，实际节电率为6.9%。
由以上统计数据的计算分析可以看出，采用变频调速运行后，仅仅节电每年带来的经济效益十分明显，并且通过测算引风机、给水泵变频改造投资在一年内全部收回。另外变频改造的附加优势：
a)电源侧的功率因数可提高到0.95以上，大大的减少无功功率的吸收，进一步节约上游设备的运行费用。
b)采用变频调节后，通过调节电机转速实现节能；转速降低，主设备及相应辅助设备如轴承等磨损较前减轻，维护周期、设备运行寿命延长；变频改造后风门开度可达100％，运行中不承受压力，可显著减少风门的维护量。在使用变频器过程中，只需定期对变频器除尘，不用停机，保证了生产的连续性。从实际改造情况看，采用变频调速后，运行与维护费用大大降低。
c) 采用高压变频改造后，电机实现软启软停，启动电流不超过电机额定电流的1.2倍，对电网无任何冲击，电机使用寿命延长。在整个运行范围内，电机可保证运行平稳，损耗减小，温升正常，无任何附加的异常振动和噪音。
d) 智能高压变频调速系统适应电网电压波动能力强，电压工作范围宽，电网电压在-35%～+15%之间波动时，系统均可正常运行。
八、结束语
　　综上所述，ZINVERT变频器在我公司辅机设备中应用是相当成功的，不仅可以取得相当显著的节能效果，是电厂节能降耗的一个有效的途径，同时也改善了辅机设备的使用寿命和自动控制水平，而且也得到国家产业政策的支持，代表了今后电力行业节能技改的发展方向。