引風機高壓變頻在火電廠中的應用與節(jié)能分析

1、引風機高壓變頻在火電廠中的應用與節(jié)能分析余瑞鋒，楊清華，黃飛，馮彥杰(西安熱工研究院有限公司，西安市)high voltage IGBT inverting technology for boiler IDF energy saving controlYu Ruifeng，Yang Qinghua，Huang Fei， Feng Yanjie (Xi'an Thermal Power Research Institute , Xian, China)ABSTRACT：This article introduces the characteristics ofthe high volta

2、ge IGBT inverting technology, and itsapplication and actually analysis of energy saving in boilerIDF of thermal supply power plant.KEY WORDS：Thermal supply power plant;high voltageIGBT inverting technology ;IDF; energy saving摘要：文章介紹了高壓變頻技術特點，以及在鍋爐引風機系統(tǒng)上的應用情況和節(jié)能分析。關鍵詞：電廠；高壓變頻技術；引風機；節(jié)能1 引言風機和水泵是量大面廣的機

3、械耗電設備，根據(jù)統(tǒng)計，我國目前擁有的風機、水泵電動機每年的耗電量占全國耗電總量的30%以上，占工業(yè)總用電量的50%左右。目前風機和水泵運行中還有很大的節(jié)能潛力，其潛力挖掘的焦點是提高風機和水泵的運行效率。根據(jù)全國火力發(fā)電廠資料八大風機與水泵：送風機、引風機、一次風機、排粉風機、鍋爐給水泵、循環(huán)水泵、凝結水泵、灰漿泵配套電動機的總容量為5000MW，年總用電量為520億kWh，占全國火電發(fā)電量的5.8%。發(fā)電廠輔機電動機的經濟運行直接關系到廠用電率的高低。在實行競價上網的今天，降低廠用電率，就能降低發(fā)電成本從而提高市場競爭力。這已經成為各個發(fā)電廠努力追求的經濟目標。將高壓變頻技術用于風機和水泵的

4、節(jié)能改造，降低設備耗電，已得到越來越廣泛的共識。我們對華能福州電廠#1、#2機組引風機進行了高壓變頻改造，取得了很好的節(jié)能效果。下面就對該項目進行詳細介紹。2高壓變頻技術介紹2.1變頻節(jié)能原理由流體力學可知，P（功率）=Q（流量）× H（壓力），流量Q與轉速NH與轉速N的平方成正比，功率方成正比，如果風機的效率一定，當要求調節(jié)流量下降時，轉速N可成比例的下降，而此時輸出功率P成立方關系下降。即水泵電機的耗電功率與轉速近似成立方比的關系根據(jù)我國的電壓等級標準，高壓變頻主要指3kV、6kV、10kV這幾個電壓等級的變頻器，國內電廠的廠用電電壓一般為大（一般指超過200kW）的電動機基本上

5、都采用高壓電動機，這些電動機的能耗是電廠用電的主要部分，高壓變頻指的就是這些電動機的變頻調速。 2.2高壓變頻系統(tǒng)介紹 福州電廠#1、#2引風機高壓變頻系統(tǒng)由移相變壓器柜、變頻單元柜、變頻控制柜三部分所組成。 （1）移相變壓器 6kV電源經過干式36到變頻器，變壓器共有18 個二次繞組，采用延邊三角形接法，分為6個位組互差的電角度為10°為參照，分別為：超前255°、滯后5°、滯后15°移相變壓器具有三個功能：側線電壓的相位偏移以消除諧波；要的二次側電壓；實現(xiàn)隔離。 由于移相變壓器的二次個相位差，實現(xiàn)了輸入多重化電網側電流諧波，不需IEEE-519（19

6、92）和GB/T輸入電流的基波因數(shù)增大，進而可將變頻器輸P與轉速 6kV、10kV的相位組，每個相線、 超前15°滯后25°。 實現(xiàn)一、二次變壓得到間線圈間互相，由此可大大濾波器就可以49-93標準，的一次方成正比，壓力N的立。，功率較脈沖移相變壓器輸出不同，以一次繞組電壓作°、超前、需變頻器與電網的電氣存在一減弱要滿足145且由于入電源的功率因數(shù)提高到0.95以上，無需功率因素補償裝置。（2）變頻單元變頻單元的主電路拓撲結構采用多電平串聯(lián)技術，每相采用6個單元串聯(lián)，三相共18個單元，變頻單元的結構圖如下：圖1 變頻單元結構圖每個變頻單元的結構完全一致，可以互換，

7、其電路結構見上圖的右邊部分。整流橋部分采用三相不可控全橋，通過整流橋將交流電整流成直流電，再通過 IGBT 逆變橋進行正弦脈沖寬度調制（即PWM控制），通過控制IGBT的通斷時間及通斷次序將直流電壓轉換為一系列寬度不等的矩形電壓脈沖。每個IGBT單元的交流輸出電壓為577V，6級串聯(lián)時的相電壓變?yōu)榧s3465V，再使3組的相位分別錯開120度，就能得到線電壓6000V的高壓電源，高壓變頻器的6kV輸出原理圖如下：圖2 高壓變頻器的6kV輸出原理圖每個單元的輸出采用正弦波PWM波形，載波頻率4.8kHz，因此輸出電流為正弦波，輸出電壓非常近似正弦波，如下圖： 圖3 高壓變頻器的輸出電壓波形圖 變頻

8、器輸出側多重化，可以在不加濾波器的情況下，將輸出電壓諧波控制在2%以內，輸出近乎完美的正弦波，滿足普通異步電機的需要。 （3）變頻控制柜 變頻控制柜是高壓變頻器的控制核心，主要包括控制器、輸入輸出模塊和網絡模件組成，其主要功能包括：參數(shù)整定、控制電源供給、與每個功率單元控制板的通訊、與外部接口等。 3引風機高壓變頻技術改造方案 3.1 引風機系統(tǒng)改造前的運行情況 華能福州電廠#1、#2機組均為350MW燃煤機組，每臺機組均配有兩臺引風機系統(tǒng)，引風機改造前均全壓啟動、采用引風機入口檔板來調節(jié)爐膛負壓。這種傳統(tǒng)方式缺點主要在于引風機系統(tǒng)能耗損失大，不利于節(jié)能。 3.2 引風機變頻改造方案 （1）、

9、引風機的電氣一次回路 每臺引風機高壓變頻器采用一拖一自動旁路方式，一次原理圖如下： 6kV母線圖4 引風機一次原理圖 上圖中，虛框內的部分是旁路柜，旁路柜主要由三個斷路器組成，分別是：變頻器進線斷路器QF1、變頻器出線斷路器QF3、工頻斷路器QF2。6kV電源由原引風機電源高壓QF開關通過QF1到高壓變頻裝置，變頻裝置輸出經QF3送至電動機，電機變頻運行；6kV引風機電源還可經QF2直接起動電動機，電機工頻運行。（2）、變頻和工頻的自動切換邏輯A.變頻切工頻：先斷QF1和QF3，再合QF2，切換機組負2A/B風機工頻 荷（MW） 電流之和（A） 總功耗（kW） 160 166.349 1503

10、.967963180 171.136 1547.247421200 177.534 1605.091995 220 183.004 1654.546484 240 191.746 1733.583256 260 203.76 1842.20231 280 213.959 1934.411877 300 228.627 2067.025852320246.032224.367071到工頻運行。B.工頻切變頻：先斷QF2，再合上QF1、QF3，最后啟動變頻器。（3）、變頻器和旁路柜三個斷路器間的聯(lián)鎖邏輯要求：QF1，QF3與QF2之間，以及和變頻器間有電氣聯(lián)鎖和邏輯聯(lián)鎖，確保任何工況下變頻和工頻不

11、能同時合閘。QF1合閘許可：QF3合閘且QF2分閘且變頻器允許QF1合閘。QF2合閘許可：QF1分閘且QF3分閘。 QF3合閘許可：QF2分閘。 QF3分閘許可：QF1分閘。4節(jié)能評估福州電廠#1#2機組引風機變頻改造完后，運行了2個月，我們對其中#2引風機變頻器在這兩個月以來的運行情況作了評估。 3.1 引風機耗電量計算公式在DCS上直接可以查詢到電機的電流，由電流可以得到電機功耗，其計算公式為：P=SQRT(3)*U*I*COS 其中，P電機功耗 U電機額定電壓 I電機實際運行電流COS功率因數(shù)為0.87；變頻下，電機的功率因數(shù)取0.97。3.2 工頻和變頻下各自耗電量計算（1）工頻狀態(tài)下

12、，引風機耗電量計算：工頻狀態(tài)下，改造前2A/B引風機的母線側電流和功耗在不同負荷下對應的數(shù)據(jù)如下：（2）變頻狀態(tài)下，引風機耗電量計算： 變頻改造后，2A/B引風機的母線側電流和功耗在不同負荷下對應的數(shù)據(jù)如下： 機組負2A/B變頻變頻 荷（MW） 電流之和 總功耗 （A）（kW） 160 71.043 716.1304903180 77.748 783.7184995200 84.651 853.3023962220 96.806 975.8277134240 115.642 1165.699114260 137.162 1382.625879280 158.814 1600.883235300

13、 182.44 1839.038986320205.252068.96926我們將工頻狀態(tài)下和變頻狀態(tài)下的兩個表格制成圖表，如下所示：圖表5：機組負荷和引風機功耗關系圖 3.3節(jié)能分析（1）不同負荷對應的節(jié)能效率分析 節(jié)能效率的計算公式：節(jié)能效率=（工頻下總功耗-變頻下總功耗）/工頻下總功耗根據(jù)工頻狀態(tài)下和變頻狀態(tài)下的功耗表格，計算得出機組負荷和節(jié)能效率之間的關系，如下表格并制成圖表：機組負荷（MW） 節(jié)能效率（%）160 52.38392652180 49.34756467200 46.8377888222041.02143864240 260 280 300 3209個煙道也改了，現(xiàn)在煙道

14、比改造前的煙道截面積更大，但更彎曲。如果考慮電機本身和煙道因素，節(jié)能的效果應該會更加明顯。5 結語經過兩個月的運行，改造后變頻器的運行情況良好，節(jié)能效果十分明顯，尤其當機組在低負荷運行時更為明顯。當然除了節(jié)能效果外，運用變頻的好處還表現(xiàn)在：1.對爐常工作在低轉速下，圖表6：機組負荷和節(jié)能效率關系圖 損耗和風機（2）經濟分析3.由于風機運行時2009年，華能福州電廠的總發(fā)電量為85.11門時會發(fā)生億千瓦時，根據(jù)這個數(shù)據(jù)我們可以計算出每臺機器，改善了電動機的組一年下來的平均負荷，公式如下：起動時的機械沖P=Cd/Q/T 開展對高壓變頻技術的其中P代表機組平均負荷 參 Cd總發(fā)電量1 張選正，顧紅兵

15、中高壓變頻器應用技術北京電子工Q機組數(shù)量，本項目中為4臺機組 業(yè)出版社，20076T年運行時間，本項目取每年運行3052 李遵基. 中壓變頻器在火力發(fā)電廠送風機控制中的應用.天，每天24小時中國電力，2000，6.將數(shù)據(jù)帶入公式可得出：3 高鋒陽，莊圣賢，杜亞江，韓竺秦牽引移相變壓器網側機組平均負荷(kW) = 8511000000 / 4 / 305 諧波消除研究./24=290676.2 kW，合290MW左右。根據(jù)工頻下的歷史數(shù)據(jù)，290MW對應的引風收稿日期：機功耗為（1934.41187736+2067.02585208）作者簡介：/2=2000.719 kW。余瑞鋒（1975-）根

16、據(jù)變頻下的歷史數(shù)據(jù)，290MW對應的引風事大型熱電廠熱工自動控制技術研究和應用。機功耗為（1600.88323536 + 1839.0389856） / 2 楊清華（= 1719.961 kW。師，主要從事大型熱電廠熱工自動控制技術研究和應用。每小時節(jié)約電能=2000.719-1719.961=280.758 黃 飛（1980-）kW事大型熱電廠熱工自動控制技術研究和應用。根據(jù)運行時間和每度電的發(fā)電成本（取每度馮彥杰（1960-），男，北京，本科，高級工程師，電成本0.26元）便可得知一年下來，變頻器節(jié)約主要從事大型熱電廠熱工自動控制技術研究和應用。的成本，計算如下：需要說明的是：由于這次變頻改造是為了上脫銷系統(tǒng)，所以改造