包钢热电厂风机变频改造研究范文

《包钢科技杂志》2016年第3期

摘要:

文章针对变频技术在包钢热电厂的实际运用，分析了变频调速在实际运行中的节能效果、变频改造需要解决的关键技术以及风机在低速运行中喘振对变频调速的影响以及最佳节能的解决方法，为变频技术在各行业广泛运用提供技术支持。

关键词:

电厂风机;变频改造;节能

火力发电厂中的各种动力设备中，风机、水泵类负载占绝大部分，大部分采用拖动电动机，其中95%左右为交流异步电动机直接拖动，恒速运行。目前调节流量的方法多为节流阀调节，由于这种调节方法仅仅是改变了通道的通流阻抗，而驱动源的输出功率并没有改变，浪费了大量能源。尤其现在电力行业改革不断深化，市场竞价愈加激烈，各电厂急切需要降低厂用电率、降低发电成本提高竞争力。随着变频技术的逐步成熟，高压风机变频改造技术较好地解决了风机运行中出现裕量过大等一系列问题。

1行业现状

1．1锅炉风机调速运行常用方案

①变频器技术;

②加装液力偶合器装置;

③采用双速交流电动机;

④直流电动机驱动;

⑤绕线式异步电动机转子串级调速。以前三项技术为主。其中第三方案(采用双速交流电动机)由于在运行中调速范围窄，操作困难大等问题，投入率较低。而变频器技术的应用目前通过运行比较和测试，节电效果比较显著，是近年大力推广的节电改造技术。

1．2风机变频调速节能分析

风机是流体机械，由流体动力学可知，流量Q与转速n成正比，扬程H与转速n2成正比，电机功耗P与转速n3成正比。当转速由额定转速ne降为n时，流量由额定值Qe降至Q，与额定功耗Pe相比较，采用转速调节时电机的功耗为:P=(n/ne)3Pe［1］。如果流量Qe由100%降到50%，则转速ne由100%降到50%，扬程H降到25%，而电机的功耗降到12.5%Pe，即节约电能87.5%Pe。即使扣除挡板调节时的功耗与额定功耗的差、转速下降可能会引起电机的效率下降等因素，节电效果也是非常显著的。

2包钢热电厂实例

包钢热电厂8#锅炉甲乙送风机变频器采用的高压变频器，可用于驱动额定电压6kV额定功率630kW额定电流小于77A一般负载的高压异步电动机。

2．1工作原理

电机的转速满足如下的关系式:n=(1－s)60f/p=n0×(1－s)其中:p为电机极对数;f为电机运行频率;s为转差率。从式中看出，电机的同步转速n。正比于电机的运行频率(n0=60f/p)，由于转差率s一般情况下比较小(0～0.05)，电机的实际转速n约等于电机的同步转速n0，所以调节了电机的供电频率f，就能改变电机的实际转速［2］。电机的转差率s和负载有关，负载越大则转差率增加，所以电机的实际转速还会随负载的增加而略有下降。高压变频器是采用若干个低压PMW变频功率单元串联的方式实现直接高压输出。工作原理是6kV电压经过副边多重化的隔离变压器降压后给功率单元供电。功率单元为三相输入，单相输出的交直交PMW电压型逆变器结构，与相邻功率单元的输出端串联起来形成Y连接，实现高压变频的高压直接输出，以供给高压电动机。

2．2变频器电气系统配置

变频器有两种工作状态:变频运行状态、工频运行状态。变频器正常时处于变频运行状态，异常时处于工频运行状态，因此必然涉及变频状态和工频状态之间的切换方式问题。切换方式也包括两种:自动切换方式、手动切换方式。考虑到锅炉一次风压稳定对于机组安全运行的重要性及其它电厂一次风机变频改造的经验，决定采用手动旁路系统。变频器的电气系统配置见图1。QF为一次风机原6kV断路器，QS1、QS2、QS3为手动刀闸。当QS1、QS2同时闭合、QS3断开时表示:“变频位”;当QS1、QS2同时断开、QS3闭合时表示:“工频位”;变频位和工频位之间的闭锁由就地机械装置来保证。变频位和工频位只是上述开关状态的表示，并不表示风机已处于相应的运行状态。只有当风机处于“变频位”状态，且6kV断路器QF闭合后，才表示风机处于“变频运行”状态;同理只有当风机处于“工频位”状态，且6kV断路器QF闭合后，才表示风机处于“工频运行”状态。

2．3结构布置

高压变频器由变压器柜、控制/单元柜、开关柜三部分组成。三相高压电经高压开关柜进入，通过降压变压器、移相给功率单元柜内的功率单元供电，功率单元分为三组，一组为一相，每相的功率单元的输出首尾相串。主控制柜中的控制单元通过光纤对功率柜中的每一功率单元进行整流、逆变控制与检测，这样根据实际需要通过操作界面进行频率的给定，控制单元把控制信息发送到功率单元进行相应得整流、逆变调整，输出满足负荷需求的电压等级。

2．4节能效果

2．4．1节能效果的同年对比

改造前，一季度锅炉两台送风机电机的电耗总计为782880kW•h，平均单月耗电260960kW•h。改造后，同年6月份两台送风机电机的电耗总计为134520kW•h时，比一季度平均单月节电126440kW•h，节电率为48.5%。

2．4．2节能效果的同期对比

同比上一年6月份锅炉两台送风机电机的电耗总计为277080kW•h，节电142560kW•h，节电率达51.5%。从以上三个方面看出，变频改造完成后，两台送风机的节电效果非常明显，忽略锅炉每年4～6天的检修时间，按两台风机单月节电126440kW•h算，则全年节电126440×12=1517280kW•h，以每kW•h电0.36元计算，每年节约电费约1517280×0.36=54.6万元。

3改造方案应解决的关键技术

3．1变频器相关问题

对锅炉风机进行变频器改造，必须考虑变频器的特性是否满足燃烧工况的要求，同时在技术上必须解决下列问题，以免带来投资损失。

(1)锅炉的安全运行是全厂动力的根本保证，虽然变频调速装置可靠，但一旦出现问题，必须确保锅炉的安全供给，所以，必须实现工频—变频运行的切换。

(2)锅炉风机的拖动电机功率一般较大，对于大功率的风机，可能存在扭曲共振，运行中一旦发生共振，将严重损坏风机和拖动电机，所以，必须计算风机—电机连接轴系扭振临界转速，并采取相应的技术措施。

(3)变频调速控制系统由于调速范围大，如果变频器长时间运行在1/2工频以下，则电机发热成为突出问题，一方面是由于电机自冷却风扇的转速低而失效，另一方面是谐波引起的损耗发热，如果出现这种情况，必须对电机采取强迫风冷等措施。

(4)如果采用工频—变频自动切换，则电机由变频切至工频运行时，必须延时一定时间(一般5s)后定速接触器才自行合闸，以防操作过电压。当电机由工频切换至变频运行时，必须同样延时一定时间(一般10s)后变速接触器才自行合闸，以防感应电势损坏变频器功率元件。(目前还没实现)。

(5)变频器调节控制部分和电机电源控制部分要求最好集中布置，以便运行中事故处理和开、停机操作。

(6)变频器常用的保护检验要准确。要有制动装置，启动时防止倒转功能。

3．2一次风机变频后的“抢风”问题

通过对一次风机结构和工作特性的研究可知风机具有明显的马鞍形特征。在风机性能曲线的左半部具有一个马鞍形区域，在此区段内运行有时会出现流量大幅度脉动等不正常情况，即出现“喘振”问题。而喘振仅仅是不稳定工况区内可能遇到的现象之一，在该区域内还会出现不正常的零气动力工况，这便是旋转“失速”现象。风机在不稳定工况区运行时，还可能发生流量、全压和电流的大幅度波动，气流会发生往复流动，产生强烈振动，这就是通常提到的“抢风”。锅炉一次风机改为变频调速后，两台风机并列运行，就非常容易发生“抢风”现象，威胁风机及整个系统的安全性。下面针对两台风机的运行工况进行分析说明。如图2所示，如果风机参数选择适当，运行时操作正确，两台风机并联运行时的风道性能曲线Ⅳ与风机并联合成性能曲线Ⅲ交于点1，则每台风机将在点1'工作，风机在此工况下工作是稳定的，不会出现“抢风”现象。如果风机工作不当，风道性能曲线Ⅴ与风机合成性能曲线Ⅲ交于点2与点3，落在∞字形区域内工作，则风机工作点可能是点2或点3。如果两台风机的风道阻力稍有差别，或者风道系统中风量稍有变动，其结果是风机处于点3并联工作，此时两台风机工作点分别是点3'和点3″运行。其中点3'工作风机风量大且在稳定区工作，而另一台在点3″工作的风机的风量小，且工作点落在不稳定工况区内。这样两台性能相同的风机输送的流量稳定在点2上，两台风机尚能运行，但是两台风机分别在点3'和点3″工作的状况不是稳定不变的，这两台风机的工作点会发生互换出现了“抢风”。风机在此工况下工作，严重时甚至会出现一台风机的风量大，另一台风机则产生倒流。因此，在两台风机并联运行时，为避免抢风现象发生，就应当采取措施避免风机的工作点落在∞字形区域内［3］。锅炉一次风机变频改造后，风机在低负荷运行时的工作点离不稳定区(左边界)较近，导致机组在低负荷区间运行时，出现两台一次风机“抢风”即风机的并列困难;通过两台一次风机的快速协调平衡系统，对运行参数进行调整，降低系统一次风压、改变系统通风量，“抢风”问题得到解决。

3．3防喘振控制思想

图3给出了风机在不同转速下的特性曲线，可以看出转速不同，相应的驼峰点和驼峰流量也不同。转速越低，驼峰点越向左移，驼峰流量越小，把不同转速下的驼峰点连接起来，就构成了一条曲线，曲线右侧为稳定工作区，曲线左侧为不稳定区。我们把驼峰流量为极限流量的驼峰点连接曲线称之为喘振抢风极限线。显然，只要在任何转速下，能控制风机的流量，使其大于极限流量，则风机便不会发生抢风问题，这就是防喘防抢控制的基本思想。考虑到吸入气体的状态，如压力、温度、密度及系统风量、风压变化等都会引起风机特性曲线的变化，因此应考虑一定的安全容量，确保实际工作点不会太靠近不稳定区极限，以避免发生抢风喘振事故。在一次风系统中采用“调速－比例调门法”比较适合电厂安全和节能需要。变频协调控制单元将变频节能与防喘振协调控制。根据一次风系统的要求，风机流量波动时维持出口压力在某一定值范围内，因此取出口压力P1，送入变频节能与防喘振控制器中，由压力变送器，协调控制器，高压变频器，电动机和风机构成一个闭环控制系统，通过不断地参与风机转速自动调整，来达到稳定出口压力的目的。图4给出了两条典型的安全操作线，其中安全操作线1为固定流量安全操作线控制，安全操作线2为一条与喘振极限线相似的曲线，其流量比喘振极限流量大5%～15%，解决了转速较低时安全操作线1存在的耗能问题，是一个最节能的安全控制方式。

3．4一次风机RB时变频器过负荷保护动作防范当一次风系统变频器故障不能连续运行时，会触发机组RB功能动作。若系统处理不当或反应不及时，最终将会引起机组跳闸。结合锅炉一次风机RB分析，主要有以下几方面的原因会导致一次风机变频器过负荷保护动作:

(1)一次风机RB工况初期，系统通风量过大，在单点压力情况下，流量超标引起变频器过负荷;

(2)一次风机RB工况初期，风机的运行工况严重偏离高效点，运行效率极低;

(3)一次风机性能曲线陡峭，驼峰型特性明显，效率低。

3.5防止一次风机变频器过负荷保护动作的措施

(1)一次风变频器的设计过程中提供负荷限制功能，防止变频器过负荷保护动作跳闸;

(2)优化RB时一次风系统逻辑。

4结束语

高压变频调速控制作为一种新型实用的调速方法，其性能优于其它调速方式，是现代化大型电厂广泛采用的一种节能控制手段。包钢热电厂8#、9#炉风机变频改造促进了企业经济效益的明显提高，并且它以高性能、高可靠性和调节的灵活性以及操作的简便性得到了普遍认可。

参考文献：

［1］王朝晖．泵与风机［M］．北京:中国石化出版社，2007．

［2］毛正孝．泵与风机［M］．北京:中国电力出版社，1999．

［3］石红梅．变频技术原理与应用［M］．北京:机械工业出版社，2011．

作者:刘智光 单位:包钢(集团)公司办公厅