山东新风光电子科技发展有限公司 徐长海 高昌起 郭金星
济宁圣地电力设计院 李利生
Zhang Baorui Xu Changhai Gao Changqi Guo Jinxing Li Lisheng
摘要：本文介绍了风光牌高压变频器在乌斯太热电厂锅炉引风变频系统中的应用情况，阐述了变频调速系统的实现机理、功能及特点，对节能效果进行了分析。从全新的角度，诠释了高压变频调速系统与现场DCS系统的高效对接，增强了锅炉引风系统的自动化性能。
Abstract: The article introduces the application instances of FengGuang High Voltage Inverter in WuSitai Thermal Power Plant Boiler Air Systems，with a description of the Frequency Control System implementation mechanism、function and features，and the energy savings is analyzed.From a new perspective，interpretation of the high-voltage frequency control system and DCS systems in efficient docking site， and enhance the automation of the boiler air system performance quoted.
1 引言
内蒙古国电能源投资有限公司乌斯太热电厂位于阿拉善左旗乌斯太经济技术开发区内，在黄河、包兰铁路和110国道西侧，距黄河直线距离约7公里处。该热电厂I期供热工程，总机组发电容量为2×300MW，于2008年10月26日一期两台300兆瓦空冷供热发电工程1号机组一次并网成功。工程采用了空冷、烟气脱硫、等离子点火、中水回收利用、静电高效除尘等先进技术。该工程的建设不仅解决了当地严重的缺电问题，同时还可满足700万平方米用户取暖。
图1 乌斯太热电厂1号机组
2变频改造项目工况介绍
该热电厂I期工程1#机组有两台引风机，风量调节为入口挡板调节方式。机组运行中，引风机的入口挡板开度最大不到85%左右。由于这样的调节方法仅仅是改变通道的流通阻力，节流损失相当大，浪费了大量电能。其主要弊端主要表现为：
（1）调节挡板前后压差增加，工作安全特性变坏，压力损失严重，造成能耗增加；
（2）风机定速运行，挡板调整节流损失大，出口压力高，系统效率低，造成能源的浪费；
（3）风道压力过高，威胁系统设备密封性能；
（4）长期的40～70％挡板开度，加速挡板自身磨损，导致挡板控制特性变差；
（5）设备起动冲击电流大，需增加配电设备容量而增加投资。
为了解决上述问题，经过了大量的技术论证，内蒙古国电能源投资有限公司乌斯太热电厂决定用高压变频器替代传统的挡板调节风量、风压的方法。风机的稳定运转对正常生产至关重要，对设备要求特别苛刻，因此在高压变频器的选用上非常谨慎。为了克服单台引风机变频改造造成的“抢风”现象发生，乌斯太热电厂选用山东新风光电子科技发展有限公司生产的“风光牌”高压变频器对2台引风机同时进行变频改造。2台电机和变频器的技术参数如表1和表2：
表1 三相异步电机技术参数
|
型号 |
YKK710-8 |
额定电压 |
6000V |
|
额定功率 |
2000kW |
额定频率 |
50Hz |
|
功率因数 |
0.85 |
接法 |
Y |
|
额定电流 |
238A |
额定转速 |
745r/min |
|
生产厂家 |
湘潭电机股份有限公司 |
||
表2 JD-BP37-2000F 高压变频器技术参数
|
变频器容量（kW） |
2000 |
模拟量输入 |
0～5V/4～20mA，任意设定 |
|
适配电机功率（kW） |
2000 |
模拟量输出 |
两路0～5V/4～20mA可选 |
|
额定输出电流（A） |
240 |
加减速时间 |
1—32000S |
|
输入频率（Hz） |
45～55 |
开关量输入输出 |
可按用户要求扩展 |
|
额定输入电压（V） |
6000V（－20%—+15%） |
运行环境温度 |
0～40度 |
|
输入功率因数 |
>0.95（>20%负载） |
贮存/运输温度 |
-20～70度 |
|
变频器效率 |
额定负载下>0.98 |
冷却方式 |
强迫风冷 |
|
输出频率范围（Hz） |
0～120 |
环境湿度 |
<90%，无凝结 |
|
输出变频分辨率（Hz） |
0.01 |
安装海拔高度 |
<1000m，高海拔降额使用 |
|
过载能力 |
105%连续，120% 每10分钟允许1分钟，150%允许1分钟。 |
防护等级 |
IP20 |
3锅炉引风机高压变频调速系统特点
引风机调速是由电厂操作人员通过DCS系统的显示器上的模拟操作器，参照烟气温度、锅炉蒸汽温度、负压等参数，对DCS的输出值进行调节，此输出值为反馈给变频器的4～20mA标准信号，对应不同的频率（速度）给定值，变频器通过比较转速输出量与DCS速度给定之间的大小，自动调节电机的转速，实现风机转速控制，从而达到调节的目的。
锅炉引风机变频系统具有如下特点：锅炉引风机变频系统，既可以变频调速运行，也可以直接投工频运行，同时增加可靠的闭锁回路；为变频器提供的交流220V控制电源掉电时，由于变频器的控制电源和主电源没有相位及同步要求，变频器可以使用UPS继续运行，不会停机；在现场DCS速度给定信号掉线时，变频器提供报警的同时，可按原转速继续运行，维持机组的工况不变；变频器配置单元旁路功能，在局部故障时，变频器可将故障单元旁路，降额继续运行，减少突然停机造成的损失；保留原电机继续使用，不改变原有风机设备任何基础；和电厂的DCS系统实现无缝连接。
4高压变频器技术要求及改造方案
4.1对变频调速系统的主要要求
（1）要求变频器要有高可靠性，长期运行无故障。
（2）要求变频器有旁路功能，一旦出现故障，可使电机切换到工频运行。
（3）调速范围要大，效率要高。
（4）有共振点跳转设置，能使电机避开共振点运行，让风机不喘振。
4.2变频改造方案
改造前：原系统6kV高压开关柜至电机，电机与风机直接连接，通过风门挡板的开度来调节流量。
改造后：系统6kV高压开关柜至风光高压变频器，风光高压变频器与电机相连，通过调节电机的转速来调节流量，如图2所示，此时电机与风机间不用做任何改动，且变频调节时风门档板可全开。
根据现场要求，此次2台变频器采用一拖一手动旁路控制方案，其一次电路如图2所示。
图2 高压变频改造一次系统接线图
QF为用户原高压开关；
k1、k2和k3为变频器旁路开关柜高压隔离开关；
BPQ为风光JD-BP37系列高压变频器；
M为高压电动机。
变频器控制风机为一拖一控制，旁路开关柜用于工/变频切换。k1，k2和k3为3个高压隔离开关，要求k2和k3不能同时闭合，在机械上实现互锁的同时实现电磁互锁。k2断开，k1和k3闭合，风机变频运行；k1和k3断开，k2闭合，风机工频运行。
4.3 DCS系统改造方案
图3 DCS画面方案
图4 高压变频器外围控制回路
图5 变频器控制逻辑示意图
如图3所示，利用DCS控制系统的预留点，设计高压变频改造控制、运行监视系统，系统包括工、变频的运行、停止命令按钮；转速调节按钮；变频器复位按钮、紧急停止按钮；变频器运行电流、电机转速显示；高压柜以及变频合闸显示；变频器故障报警显示。
如图4所示，DCS系统输出 4－20mA电流信号控制JD-BP37高压变频调速系统的运行频率， 来控制电机的运行转速。JD-BP37高压变频调速系统反馈4-20mA电流信号指示JD-BP37高压变频调速系统的输出频率、输出电流。JD-BP37高压变频调速系统同时接收DCS控制系统的启动、停止、急停、复位控制信号，调整运行状态。
当JD-BP37高压变频调速系统故障时，系统输出故障停机和报警信息，用于提示用户启动故障处理措施，同时JD-BP37高压变频调速系统将信号发送给DCS，在DCS系统上显示故障，以便于及时的排除故障。如果系统出现紧急情况，DCS监视人员立即点击变频器紧急停止按钮，此时变频器立即封锁输出，并及时跳开现场6kV小车开关。
为保证JD-BP37高压变频调速系统操作的安全性，需从改造电机的进线开关柜把断路器的状态信号接入JD-BP37高压变频调速系统。 JD-BP37高压变频调速系统输出的故障跳闸信号接入断路器的分闸回路，连跳高压信号接入安全回路，当出现严重故障时及时跳开断路器保护JD-BP37高压变频调速系统及电机。
如图5所示，当所有开机条件都具备后，DCS发出变频运行命令，变频器内置PLC发出“合闸”信号至6kV高压柜，现场6kV小车开关合闸，变频器进行软充电，5S后充电完成，变频器处于就绪状态，由DCS给出4-20mA信号控制变频器频率来改变电机转速。
5 现场调试
5.1模拟试机
现场拆除电机与风机之间的连接轴。DCS给出开机信号，变频器接收到开机信号后，变频器送出合闸信号至高压开关柜，高压断路器合闸，高压开关柜送出高压就绪信号至变频器，变频器就绪5S后开始起动，在DCS侧调节变频器的频率，得到相应的电机转速，变频调速系统运行正常。
5.2速断值的整定
变压器应设电流速断保护，它与瓦斯保护配合，可快速切除变压器高压侧及其内部的各种故障，构成变压器主保护。变压器速断保护的动作电流按下列条件整定：
（1）为了保护选择性，速断保护的动作电流，按躲过变压器二次侧母线短路时流过保护装置的最大短路电流整定：
试中，
为可靠性系数，对于DL型继电器，取1.3-1.4，对于GL型继电器，取1.5-1.6；
为最大运行方式下，变压器二次侧母线发生短路时，折算到一次侧的次暂态电流。
（2）电流速断保护的动作电流还应躲过变压器空载投入时的励磁涌流（通常取3-5倍的变压器额定电流）
（3）取上述条件中的较大数值作为速断保护的一次动作电流。
在调试过程中，首先按躲过5倍变压器额定电流整定，在合闸过程中出现2次电流速断跳闸；而按7倍变压器额定电流整定后，多次合闸均未出现合闸时电流速断跳闸情况。因此，高压变频器中移相变压器的继电保护速断值应按下式整定：
5.3 过流值的整定
因移相变压器二次侧只有连接线及功率单元，很难按电力变压器整定原则中提到的方法整定。当功率单元出现故障时，应由变压器内部保护进行排除。为防止变压器低压侧出现故障时，主保护未发生作用，在高压侧设置如下过流保护定值：
它可以作为断路器对变频器系统保护的后备保护，整定后系统运行正常。
本台变频器一次性投运成功，引风机变频改造及时顺利完成。
6节能效果
6.1变频启动后的差动保护
本系统主回路设有对电机有差动保护功能，在电机封星点处接入电流互感器检查电机运行过程中的差动电流作为电机保护的一种后备保护。由于变频器在启动时频率给定由0Hz到设定的频率，在低频启动时交流磁场建立的初期会产生不平衡电流，将引起差动保护动作，随着频率的上升不平衡电流逐渐减小降低，这样由于差动保护电流采集发生了变化导致差动回路不能正常运行，所以只能选择在变频运行时退出差动保护；所以在对电机要求有差动保护只能投到电机工频运行中。在变频方式工作时，此功能取消，通过对综保的设置来实现，否则在变频器启动时引起差动保护跳闸动作。
6.2设备改造投运后在不同负荷下，对单台引风机在工频与变频运行工况下进行了对比如下：
工频运行时平均负荷在：
200MW时，每日用电量大约为19872kWh。占厂用电率0.42%
250MW时, 每日用电量大约为21924kWh。占厂用电率0.37%
300MW时，每日用电量大约为33048kWh。占厂用电率0.46%
变频运行时平均负荷在：
200MW时，每日用电量大约为9612kWh。 占厂用电率0.2%
250MW时，每日用电量大约为18360kWh。占厂用电率0.31%
300MW时，每日用电量大约为30240kWh。占厂用电率0.42%
经过上述统计可看出，在相同负荷下，每日可节省电量：
200MW时，每日节电大约为10260kWh。 每小时节电427.5kWh。
250MW时，每日节电大约为3564kWh。 每小时节电148.5kWh。
300MW时，每日节电大约为2808kWh。 每小时节电117kWh。
经上述分析可看出，在将引风机改为变频运行时，电机耗电量在低负荷情况下最明显，厂用电率大约可降低0.22%，在高负荷下每小时大约也可节约117kWh。在两台变频设备同时投入运行后 ，效益更加可观。
7结束语
山东新风光电子科技发展有限公司型号为JD-BP37-2000F的高压变频器在乌斯太热电厂运行4个月来，其性能稳定、节能效果明显，可以根据锅炉的燃烧情况进行风量调节，大大提高锅炉的稳定性，并且节煤效果很好，提高了运行的经济性。
在锅炉引送风的燃烧系统中应用高压变频器节能降耗，是国家大力提倡节能降耗政策不可缺少的技术手段。除此之外，变频器对锅炉的稳定运行也起着决定性的作用。高压变频器越来越广泛地应用在电力、冶金、石化、水泥、矿山等高压电机驱动的各个行业。