台州电厂#7A #7B一次风机中压变频改造实例

1 概述

在火力发电厂中，风机和水泵是最主要的耗电设备，这些设备都是长期连续运行并常常处于变负荷运行状态，节能潜力巨大。发电厂辅机的经济运行，直接关系到厂用电率的高低。随着电力行业改革的不断深化，厂网分家、竞价上网等政策的逐步实施，降低厂用电率，降低发电成本，已成为发电厂努力追求的经济目标。在目前电力短缺的情况下，厉行节能，已被推到能源战略的首位。我厂#7机组额定容量为330MW，#7炉配有两台离心式一次风机，采用6kV、1600kW定速电机驱动运行，靠调节进口挡板开度来调整一次风量，以适应锅炉负荷变化。由于当初选型时风量裕量和压力裕量都比较大，改造前机组满负荷运行时一次风机电流约120A，挡板开度在60%左右，风压约8.9 kPa，节流损失较大。在此背景下，对#7炉一次风机进行变频控制改造，降低厂用电，为社会多提供一点电力就显得很有必要。

2 可行性分析

一次风机是火电厂燃煤锅炉直吹式制粉系统中的主要设备之一。根据锅炉运行工况，控制一次风机进口挡板开度调节风量大小。风机的流量-压力关系曲线如图1所示。在现场控制中，通常采用风机定速运行由进口挡板来控制风量。当流量从Q₀减小至Q₁时，挡板开度减小使管网阻力由r₀变为r₁，受其节流作用压力H₀变为H₁，工作点由原来的A点移至B点。风机轴功率实际值（kW）可由公式： P =Q·H／（ηc·ηb）×10^-3得出。其中，P、Q 、H 、ηc 、ηb 分别表示功率、流量、压力、风机效率、传动装置效率，直接传动为1。假设总效率（ηc·ηb）为1，则风机由A点移至B点工作时，电机节省的功耗为A Q₀ O H₀和B Q₁ O H₁的面积差。如果能采用调速手段改变风机的转速，那么当流量从Q₀减小至Q₁时，工作点将由原来的A点移至C点，风机的运行也更趋合理。在挡板全开，没有管网阻力的情况下，能耗势必降低。此时，电机节省的功耗为A Q₀ O H₀和C Q₁ O H₂的面积差；与挡板控制相比更为有效合理，既达到了改变风量的目的，又明显改善了风机运行工况，设备功耗也随之得到大大降低。据统计，#7机组2001~2002年有关指标及一次风机用电率见下表1。#7A、#7B一次风机及电机的技术参数见表2、表3。

表1 一次风机用电率

表2 #7A、#7B一次风机技术参数

表3 #7A、#7B一次风机电机技术参数

在变频控制状况下运行，假定年运行小时为8000h,全年的平均负荷率为85%,风量约为60%，则一次风机的实际功率为30%×1600kW=480kW，2台一次风机年耗电量为:

480kW×8000h×2=7680000kWh

若选定的高压变频器容量为2400kVA,其综合效率为97%，则年损耗电量为:

2400kVA×0.9×0.03×8000×2=1036800 kWh

若室内配置10kW功率的空调，则年耗电10×8000=80000 kWh

全年节电：18303568×8000/8157-(7680000+1036800+80000)=9154474kWh

全年节约资金：2002年平均上网电价为0.32元/kWh，考虑到机组低负荷时节电多而电价低，设全年平均节电价0.20元/kWh，则全年节电效益为9154475kWh ×0.20/kWh＝183万元；高压变频改造总投资约450万元，按上述工况运行，则大约需2.5年即可收回改造投资。因此，从经济性方面来说，一次风机高压变频改造是可行的。

从技术性方面来说，电机的调速控制可采用液力偶合器、电磁转差离合器、绕线式电动机转子串电阻调速、变极调速、变频控制等方式。在电力电子器件、变频和交流电机控制技术发展的基础上，国内外许多科研机构及大公司都倾注大量人力物力对中高压变频器进行了研究，高压变频器技术已趋于成熟，已成为目前电机调速技术的首选方案。

3 设备选型

目前，国内外高压变频器的生产厂家较多，主要有AB、罗宾康、ABB、西门子、三菱及国内的利德华福、天宠等等。各厂家所生产的高压变频器核心差别在于所选用的器件类型有所不同，相应地系统配备（变压器、电抗器、滤波装置等）都会有所差别，系统的可靠性、效率、谐波抑制效果、热损值、故障模式都会有所差别。不同的结构设计又会使得散热效果、环境要求、应用友好性和系统可维护性存在诸多差别。经过调研，2004年1月初，我厂邀请了浙大能源科技有限公司（罗克韦尔自动化AB）、保定中能自控技术有限公司（罗宾康）、北京利德华福技术有限公司、北京天宠电力技术有限公司等四个单位参加#7炉一次风机高压变频改造设备招标，经对各厂家的业绩以及所提供的技术方案进行认真的审查，并结合其报价进行综合比较，选定浙大能源科技有限公司（罗克韦尔自动化AB公司）。从技术角度看，AB 公司CSI-PWM电流源型变频器设计简单，可靠性高，应用已经有超过10年的历史，发展相对成熟。其免维护设计、大屏幕操作员界面和独有的自动整定功能使得系统的可靠性、可维护性、可用性方面较为突出，而且经过十几年的发展，该产品已正日益成为标准化产品。

4 设备主要技术性能

浙大能源科技有限公司中标的设备包括美国AB公司生产的PowerFlex7000变频器、保定天威顺达公司生产的干式整流变压器及广东明阳电器有限公司生产的旁路柜三部分，利用原有的6kV开关和电动机，系统框图如图2所示。

图2 #7A、7B一次风机变频改造系统框图

4.1 PowerFlex7000中压变频器

AB高压变频器使用CSI-PWM技术，此技术已获得多于2,400,000匹马力现场安装运行记录的验证。罗克韦尔自动化/AB 是中/高压马达驱动装置的主要供应商，其产品电压等级可从2300V到6900V，功率高达16,000匹马力。CSI-PWM集电流源逆变功率结构及脉宽调制模式的优势于一体，创造了与传统六步方波电流源变频截然不同的产品。CIS-PWM使用很少功率器件，系统简单可靠。控制策略为带或不带测速反馈的直接矢量控制，其运行效果近似直流驱动装置，远远优于电压/频率定比变频器。主要特点如下：

可靠性高：AB CSI-PWM高压变频器品采用6500V/1500A的高压SGCT器件，器件数量少，耐压及电流裕量大。变频器电压等级高，变频电流小，器件开关损耗少，设备安全可靠。

输入波形好：AB CSI-PWM高压变频器的输入侧采用多脉冲(18脉冲) 整流器。18脉冲整流器可对17次以下的高次谐波进行有效的抑制，总体谐波畸变THD小于5%，不需谐波分析及外加滤波环节，可直接满足IEEE519-1992及国标的谐波抑制标准。

输出波形好：AB CSI-PWM高压变频器无需增加任何选项，可直接输出完美的正弦电压和电流波形，不存在转矩脉动，无潜在共振问题。逆变时无dv/dt及di/dt的产生，谐波畸变THD小于５%，可直接拖带普通高压电动机，电机无额外温升，连接变频器及电机之间的距离可长达15km。

四象限运行：AB CSI-PWM高压变频器固有能量回馈能力，可将降速工况(发电机运行状态)下负载反馈回的能量回送电网, 利用再生制动快速降低电机转速。电流型变频器具有电流内环，可利用强大的电流控制能力快速调节电机转速，特别适用需频繁快速调节的大惯性负载(风机)的控制。

使用简单：AB CSI-PWM高压变频器使用大屏幕液晶显示的操作员终端, 中文界面。变频器的状态、输入输出变量、自诊断结果、故障报警均可显示在屏幕上, 信息量大。通过终端上的键盘，可轻松对变频器进行参数设置及工作方式的组态。

维护方便：AB CSI-PWM高压变频器使用高集成度的SGCT器件及专利产品PowerCage机架，提高了系统模块化程度，友善的人机界面提供了所有的维护信息，从而保证了功率模块的更换时间小于5分钟。

通讯能力强：AB CSI-PWM高压变频器总共提供16个数字量DI接口及16个数字量DO接口，根据用户需要，变频器可提供4-20mA或4-10V模拟量输入输出接口。变频器可配置各种数据串行通讯接口，提供开放的网络与厂级监控设备(DCS，PLC，值班室操作站)进行通讯。变频器内的变量、参数可传给其他监控设备进行记录、显示或参与控制。变频器通讯接口选项丰富，用户可根据需要选其中之一，如 ：DeviceNet, Profibus，Modbus，Remote IO, ContrlNet及RS-232/485等。

4.2 干式整流变压器

干式整流变压器按照AB公司提供的技术规范，由保定天威顺达公司生产。变压器为6kV输入，2.1kV输出，18脉冲裂相，F 绝缘等级，允许温升为120K，实际温升小于90K，AN冷却。初级为三角形接法带4级调整，三组次级线圈：一组三角形接法，两组延边三角形接法。延边三角形接法产生-20°、0°、20°相移。

干式整流变压器起到跟系统隔离的作用，同时，其次级绕组进行必要的移相，以消除进线谐波。一组次级绕组输出一个三相中间交流，移相变压器的副边绕组共9组(每相3组)，构成18脉波整流方式。这种多级移相叠加的整流方式可以大大改善输入电流波形。

4.3 旁路柜

旁路柜由广东明扬电气公司生产，内装K1、K2、K3三把高压隔离开关及相关的闭锁装置，实现电气和机械互锁。其作用为变频/工频运行方式的切换。变频运行方式时,K1断开,K2和K3闭合；工频运行方式时, K1闭合, K2及K3断开。满足电力系统五防要求，变频/工频相互闭锁, 操作手柄与高压柜门完全连锁。旁路柜操作与上级高压断路器DL联锁，合闸时，绝对不允许操作隔离开关，以防止出现带负荷拉闸现象，确保操作人员和设备的安全。本装置设计为当程序锁切至操作位置时跳上级高压断路器DL，同时旁路柜的K1、K3设有电磁锁，K1与K2、K3不能同时合；K2、K3操作有程序锁，合时先合K2，分时先分K3。

5 项目实施

5.1 基础施工

2台干式整流变安装在原四期增压泵房中，变频器柜及旁路柜安装在380V7A、7B段母线室内。2004年4月22日，开始拆除增压泵房中的软化水装置，开挖电缆沟，至5月15日完成浇筑变压器基础及变频器柜、旁路柜基础槽钢埋设等。

5.2 设备安装

本项目设备安装就位及电缆敷设由浙江华业公司承包，动力电缆由检修分场接线，控制电缆由自动化分场接线。5月17日，旁路柜、干式整流变运抵我厂，5月27日，2台干式变安装就位。5月28日即开始干式变侧动力电缆头制作。6月5日，变频器柜运抵我厂。6月7日变频器柜、旁路柜均安装就位。6月8日至10日，完成变频器柜、旁路柜侧动力电缆头制作，电缆预试等。6月11日至16日，完成控制电缆接线，#7A、7B一次风机6KV开关柜控制回路改造以及风道制作安装等。

5.3 装置的连锁保护

系统保留原有对电机的保护及其整定，以确保电机工频旁路时的启动和正常运行，同时实现工频旁路时对电机的保护和变频运行时对变频器的保护。

为了防止产生操作和事故情况下产生过电压等影响变频器的寿命的因素，变频器在控制系统受电自检正常后才能允许合6kV开关，具体实现在6kV开关的合闸回路中，6kV开关合上变频器充电后，自检正常发出准备好信号，才能启动变频器运行。此逻辑由热控实现，同样在正常或紧急停运时均先停变频器，然后断开高压开关，为此在综合保护出口和风机紧急跳闸出口控制回路中串有中间继电器，直接去关变频器，短延时去断开高压开关。

5.4 设备调试

6月15日，控制电源上电开始设备调试。主要进行了以下检查、测试项目：

a. 装置外观检查。

b. 硬件及跳线设置检查。

c. 检查一次接线和控制回路接线正确。

d. 绝缘检查，用2500V摇表测一次回路对地绝缘电阻历时一分钟其值为120MΩ。

e. 检查冷却风扇工作正常，风压值为3.1V，报警值2.7V，跳闸值2.1V。

f. 核对变压器和变频器相位，发现#7A一次风机变频隔离变压器高压侧电缆接反，在旁路柜改接后正确。

g. 电阻检查,验证SCR、SGCT功率器件和所有相关缓冲电路正常。

h. 控制电源测试。因380V7A段电源低电压切换时会造成变频器停运，控制电源改接至#7机UPS。

i. 门极测试、系统测试、18脉冲相序测试。

j. 直流电源测试。

k. 变频器参数整定。

l. 变频器加中压，做运行前检查。

m. 变频器带电机空载调试，转速从180~1500rpm时电流保持在20A，电压从520V升至5800V。

n. 变频器带风机负载调试。

5.5 与西门子DCS系统的连接

一次风机变频控制与#7机西门子DCS的接口如下：首先，DCS上原一次风机的控制逻辑基本保持不变，控制对象改为一次风机的6KV动力电源，新增了两台变频器的控制和调节。为了防止运行人员误启动未满足条件的变频器，我们增加了变频器的启动条件，即当该变频器就地已准备好且其指令小于5%时才允许启动变频器。对于原一次风机的控制逻辑，其跳闸保护逻辑保持不变，也即保持其安全性不变，在机组发生异常情况下能快速切断一次风量及燃料，以确保机组的安全，在此基础上增加了启动条件：对应变频器的进、出线开关处于合闸状态或其旁路开关处于合闸状态，这样能有效防止运行人员未检查就地电源回路而匆忙合闸的弊端。

对于变频器的调节，我们主要解决了锅炉主控中所需风量和变频器转速之间的对应关系，将不同负荷所需的不同风量，转换成不同的对应转速。通过反复研究变频器厂家提供的资料及本厂锅炉的特性，我们设计了适合于本厂锅炉风量特性的变频调节PID逻辑，具体地说主要有：四层一次风量调节挡板的开度指令、锅炉主控的风量要求、两台变频器的指令平衡。通过以上参数的逻辑组态，实现一次风压力的可靠调节。通过机组启动后的多次扰动试验，将其PID参数进行了多次的优化，真正做到了一次风压力的稳定可靠调节。

和原一次风机进口调节挡板进行调节一次风量相比较，由于挡板存在热胀冷缩问题，在热态工况下，曾多次发生进口调节挡板卡涩，无法进行调节，并曾发生由此而使得执行机构的链杆拉断，从而导致风量无法调节，使得磨煤机无法启动，严重影响机组的出力。而变频改造后，进口调节挡板平时处于全开状态，无需参与调节，利用变频器的转速来进行调节其一次风量，调节特性平稳可靠，线性度好。

6 运行情况

机组负荷在130MW以下时，一套制粉系统投入运行；机组负荷在130~230 MW时，二套制粉系统投入运行；机组负荷在230~330MW以下时，三套制粉系统投入运行；在以上这三种工况下，维持一次风压在9.0kPa时，变频器的主要参数如下：

（气温33℃，变频器室进风口温度为25℃）

7 改造费用

我厂以台电生[2004]58号文向东南公司上报了“关于#7A、#7B一次风机变频改造费用的请示”，东南公司以东南发电生[2004]37号文批复了该项目，项目实际投资额近550万元。

8 效益分析

8.1 节电效益

#7A、#7B一次风机变频控制控制改造后，系统在经济性上有了很大的改善。根据运行提供的厂用电电量积数计算，#7A、#7B一次风机运行8个月来的平均功率为590kW，发电机平均功率为306MW,见下表。

再查阅2001~2003年统计年鉴有关数据，得知机组的平均功率为297MW，计算得#7A、#7B一次风机的平均功率为1150kW。#7A、#7B一次风机控制电源及室内空调总功率为15kW。2台一次风机变频改造后节省的功率为：2*1150-2*590-15=1105 kW

以年运行8000小时计算节电：1105*8000/10000=884万kWh

该项目总投资约为550万元，使用时间15年。

以0.20元/ kWh计算，年节电经济效益为：

884*0.20-550/15＝140.13万元

税后利润：140.13*（1-33%）=93.89万元

8.2 其他效益

8.2.1 与原挡板调节相比，变频改造后加快了一次风量的调节速度，提高了机组的稳定性。

8.2.2 避免了电机启动时大电流冲击对电机的损坏，延长了电机和挡板的检修周期和寿命，减轻了维修工作量。

[结束语]

#7A、#7B一次风机变频器至今已投运8个月，性能稳定，运行情况良好。今后要加强设备点检及运行巡检，保持室内环境卫生，在室温高于30℃时开启室内空调机。做好日常维护工作，每季度对柜门滤网进行一次清灰，以避免其他厂曾出现的因超温而跳闸的现象。