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1 引言
　　廣西信發(fā)鋁電有限公司電廠(chǎng)有3臺155MW發(fā)電機組（汽機），4臺520t/h 鍋爐，作用有兩個(gè)：一個(gè)是發(fā)電供生產(chǎn)需要，另一個(gè)是供給氧化鋁廠(chǎng)所需蒸汽。每臺鍋爐配備兩臺離心式引風(fēng)機，拖動(dòng)電機選用YKK630-4型電動(dòng)機，額定功率：2000kW，額定電壓：6kV，額定電流：226A，功率因素：0.89，額定轉速：1490r/min，靠改變風(fēng)機風(fēng)門(mén)的開(kāi)度來(lái)調節風(fēng)量。采用液力耦合器調速，其缺點(diǎn)表現在：風(fēng)機的效率低，損耗大，尤其低速運行時(shí)，效率更低。由于液耦經(jīng)常出現故障，所以長(cháng)期基本處于恒速狀態(tài)。
　　電廠(chǎng)的發(fā)電負荷根據用電和用汽要求，通常在額定負荷的50%～100%之間進(jìn)行調整、變化。發(fā)電機輸出功率的變化，鍋爐系統相關(guān)設備也要隨著(zhù)負荷的變化作相應的調整。鍋爐的送風(fēng)量、引風(fēng)量相應變化，引風(fēng)機出力調整采用通過(guò)改變風(fēng)機風(fēng)門(mén)的開(kāi)度來(lái)調節。節流損失大，特別是在低負荷運行時(shí)，電動(dòng)機輸出功率大量的能源消耗在擋板上，節流損失更大。異步電動(dòng)機在啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)電流一般達到電動(dòng)機額定電流的5～8倍，對電動(dòng)機、動(dòng)力電纜造成較大沖擊，對廠(chǎng)用電系統穩定運行也有一定的影響，同時(shí)強大的沖擊轉矩和沖擊電流，縮短了電動(dòng)機和風(fēng)機機械的使用壽命。通過(guò)大量應用表明，應用高壓變頻調速裝置來(lái)改變電機轉速，滿(mǎn)足不同負載的工藝要求，是解決以上矛盾的有效手段。
　　為了降低廠(chǎng)用電率，減少機組運行成本，公司電廠(chǎng)領(lǐng)導決定在3#、4#發(fā)電機組4臺引風(fēng)機上采用山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的4套2000kW/6kV高壓變頻器對3#、4#發(fā)電機組引風(fēng)機分別進(jìn)行改造。
2變頻調速節能原理
　　在交流調速中，交流電機的調速公式N=60f1（1-s）/p，而電機功率P′=P（N′/N）？，當電機頻率下降時(shí)，電機的轉速成比例減小，流量按（2）式比例減小，功率按（1）式大大降低，從而達到節能的目的。
　　其減少的功耗 △P=P0〔1-（N1/N0）？〕（1）式
　　減少的流量   △Q=Q0〔1-（N1/N0）〕（2）式
　　其中N1為改變后的轉速，N0為電機原來(lái)的轉速，P0為原電機轉速下的電機消耗功率，Q0為原電機轉速下所產(chǎn)生的流量。
　　由上式可以看出，流量與轉速成正比，壓力與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的三次方成正比，當風(fēng)機轉速降低后，其軸功率隨轉速的三次方降低，驅動(dòng)風(fēng)機的電動(dòng)機所需的電功率亦可相應降低，而當風(fēng)機轉速發(fā)生變化時(shí)，其運行效率變化不大，所以調速是風(fēng)機節能的重要途徑。采用變頻調速后可以實(shí)現對引風(fēng)機電動(dòng)機轉速的線(xiàn)性調節，通過(guò)改變電動(dòng)機轉速使爐膛負壓、鍋爐氧量等指標與因風(fēng)機風(fēng)量維持一定的關(guān)系。
　　由于目前引風(fēng)機風(fēng)量調節方式不能很好地滿(mǎn)足鍋爐燃燒能力及穩定性運行需要，所以有必要對引風(fēng)機進(jìn)行節能和調節性能改造，來(lái)滿(mǎn)足機組整體調節性能的需要。變頻調速裝置可以?xún)?yōu)化電動(dòng)機的運行狀態(tài)，大大提高風(fēng)機運行效率，達到節能目的。
3 風(fēng)光JD-BP37系列高壓變頻系統技術(shù)參數
　　山東新風(fēng)光電子公司生產(chǎn)的風(fēng)光牌JD-BP37系列高壓變頻器以高速DSP為控制核心，采用無(wú)速度矢量控制技術(shù)、功率單元串聯(lián)多電平技術(shù)，屬高-高電壓源型變頻器，其諧波指標小于IEE519-1992的諧波國家標準，輸入功率因數高，輸出波形質(zhì)量好，不必采用輸入諧波濾波器、功率因數補償裝置和輸出濾波器；不存在諧波引起的電機附加發(fā)熱和轉矩脈動(dòng)、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問(wèn)題，可以使用普通的異步電機。
　　JD-BP37-2000F高壓變頻器技術(shù)參數如表1所示。

4 引風(fēng)機變頻改造控制方案
4.1方案介紹
　　變頻調速系統本體操作方面，采用DCS控制和RS485監控，提高了系統的安全性能。通過(guò)目前電廠(chǎng)已有的DCS對高壓變頻器運行狀態(tài)進(jìn)行控制，通過(guò)RS485通訊對高壓變頻器運行參數進(jìn)行多地監控。
　　在鍋爐引風(fēng)機控制系統中，變頻運行方式分為手動(dòng)控制及爐膛負壓PID調節自動(dòng)控制兩種。正常情況下，甲、乙變頻引風(fēng)機同時(shí)投入運轉，引風(fēng)控制系統將引風(fēng)機風(fēng)門(mén)開(kāi)度為全開(kāi)，由PID調節器通過(guò)控制引風(fēng)機轉速穩定爐膛負壓。
　　當單臺變頻器故障跳閘時(shí)，系統聯(lián)跳變頻器上口的高壓開(kāi)關(guān)，由引風(fēng)機原有的連鎖動(dòng)作邏輯實(shí)現單側引風(fēng)機掉閘，鍋爐聯(lián)跳單側送風(fēng)機，實(shí)現機爐自動(dòng)降負荷的控制邏輯。爐膛負壓自動(dòng)調節系統自動(dòng)提高另一臺引風(fēng)機的轉速，通過(guò)送風(fēng)機的前饋信號延時(shí)關(guān)閉跳閘引風(fēng)機的出口擋板，從而減小單臺引風(fēng)機掉閘對爐膛負壓值產(chǎn)生的擾動(dòng)影響。系統單側引風(fēng)機跳閘后，為滿(mǎn)足系統的快速響應特性，爐膛負壓自動(dòng)調節系統自動(dòng)調整PID控制參數，從而提高單臺引風(fēng)機的響應速度，保證機爐在變負荷運行時(shí)的控制品質(zhì)。
4.2現場(chǎng)有關(guān)信號對接
　　山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司的高壓變頻器的控制部分由DSP、人機界面和PLC共同構成。DSP實(shí)現PWM控制和功率單元的保護。人機界面提供友好的全中文監控界面，同時(shí)可以實(shí)現遠程監控和網(wǎng)絡(luò )化控制。內置PLC用于柜體內開(kāi)關(guān)信號的邏輯處理，可以和用戶(hù)現場(chǎng)靈活接口，滿(mǎn)足用戶(hù)的特殊需要。該高壓變頻器使用西門(mén)子S7-200系列PLC，具有較好的與DCS系統接口能力，根據風(fēng)機的特性運行要求以及高壓變頻器控制的具體要求采取了相應控制方案。DCS系統與高壓變頻器之間的信號總共有12個(gè)，其中開(kāi)關(guān)量信號9個(gè)，模擬量信號有3個(gè)。具體信號如下。
　　變頻調速系統接入發(fā)電機組現有的DCS系統。變頻器需要提供給DCS的開(kāi)關(guān)量輸出包括故障報警、就緒指示、運行指示、高壓合閘允許、聯(lián)跳高壓信號、引風(fēng)機旁路開(kāi)關(guān)合閘信號、變頻KM1合閘信號；DCS需要提供給變頻器的開(kāi)關(guān)量包括：變頻啟動(dòng)（干節點(diǎn)，閉合時(shí)有效）、變頻停止（干節點(diǎn)，閉合時(shí)有效）、變頻急停（干節點(diǎn)，閉合時(shí)有效）；DCS需要提供給變頻器的模擬量有：1路4～20mA的電流源輸出，用于引風(fēng)機頻率給定，作為變頻器的轉速給定值；用于變頻器需要提供給DCS的模擬量有：2路4～20mA的電流源輸出，模擬輸出對應的物理量為輸出頻率和輸出電流。
5 變頻改造主回路介紹
　　廣西信發(fā)鋁電有限公司電廠(chǎng)3#、4#爐引風(fēng)機采用4套JD-BP37-2000F（2000kW/6kV）高壓變頻調速系統進(jìn)行調速控制，將原液力耦合器拆除，采用聯(lián)軸器直接連接電機與風(fēng)機。引風(fēng)機系統改造主回路如圖1所示。

　　3#、4#爐引風(fēng)機改造前采用工頻運行，對4臺引風(fēng)機增設變頻調速裝置，采用一拖一加手動(dòng)/自動(dòng)旁路的方式。將原引風(fēng)機風(fēng)門(mén)調節的運行方式改為由變頻調節風(fēng)機風(fēng)量的運行方式。當變頻器故障或檢修，可選擇自動(dòng)或手動(dòng)方式切換至工頻運行。當引風(fēng)機變頻運行時(shí)在DCS界面上調節風(fēng)機頻率去調整風(fēng)機轉速，從而達到調節引風(fēng)機風(fēng)量的目的。
　　為了保證發(fā)電機組安全運行，引風(fēng)機的動(dòng)力系統方案旁路方案采用手動(dòng)/自動(dòng)控制方式。選擇手動(dòng)控制方式時(shí)，如果引風(fēng)機的動(dòng)力系統方案為一拖一手動(dòng)旁路，通過(guò)判斷，確認單側引風(fēng)機跳閘的故障點(diǎn)是在變頻器本體，原有引風(fēng)機動(dòng)力系統沒(méi)有問(wèn)題的情況下，可以將引風(fēng)機手動(dòng)恢復工頻運行方式，然后調整風(fēng)門(mén)開(kāi)度。通過(guò)爐膛負壓調節系統，實(shí)現甲乙引風(fēng)機的風(fēng)量平衡，從而達到一臺引風(fēng)機變頻調速，另一臺引風(fēng)機風(fēng)門(mén)調整下兩種不同的控制對象，仍然能夠實(shí)現機爐的全負荷響應的控制要求。
　　在旁路自動(dòng)狀態(tài)下，若變頻器出現故障且自動(dòng)投入允許，系統將首先分斷變頻器高壓輸入、輸出開(kāi)關(guān)，經(jīng)過(guò)一定延時(shí)后，工頻旁路開(kāi)關(guān)合閘，電機投入電網(wǎng)工頻運行。同時(shí)DCS邏輯將風(fēng)量調節方式轉為工頻調節方式，此時(shí)運行人員參與調節，控制風(fēng)量風(fēng)壓正常，確保爐膛燃燒穩定。
　　變頻器維修完成，系統恢復變頻器運行時(shí)，可以關(guān)閉引風(fēng)機出口擋板，依靠單臺變頻引風(fēng)機帶鍋爐50%～70%的負荷，將引風(fēng)機切換至變頻運行方式，依托變頻器提供的飛車(chē)啟動(dòng)功能，在引風(fēng)機沒(méi)有完全停止的情況下恢復設備運行，從而大大減少機組減負荷的時(shí)間。
　　主回路如圖1所示，控制具體介紹如下，旁路柜在變頻器進(jìn)、出線(xiàn)端增加了兩個(gè)隔離刀閘，以便在變頻器退出而電機運行于旁路時(shí)，能安全地進(jìn)行變頻器的故障處理或維護工作。
　　旁路柜主要配置：三個(gè)真空斷路器（QF1、QF2、QF3）和兩個(gè)刀閘隔離開(kāi)關(guān)K1、K2。QF2與QF3實(shí)現電氣互鎖，當QF1、QF2閉合，QF3斷開(kāi)時(shí)，電機變頻運行；當QF1、QF2斷開(kāi)，QF3閉合時(shí)，電機工頻運行。另外，QF1閉合時(shí)，K1操作手柄被鎖死，不能操作；QF2閉合時(shí)，K2操作手柄被鎖死，不能操作。
　　電機工頻運行時(shí)，若需對變頻器進(jìn)行故障處理或維護，切記在QF1、QF2分閘狀態(tài)下，將隔離刀閘K1和K2斷開(kāi)。
　　合閘閉鎖：將變頻器“合閘允許”信號串聯(lián)于QF1、QF2合閘回路。在變頻器故障或不就緒時(shí)，真空斷路器QF1、QF2合閘不允許；在QF1、QF2合閘狀態(tài)下，若變頻器出現故障，則“合閘允許”斷開(kāi)，QF1、QF2跳閘，分斷變頻器高壓輸入電源。
　　以變頻轉工頻自動(dòng)旁路投入為例，介紹其過(guò)程：將變頻器“旁路投入”信號并聯(lián)于QF3合閘回路。變頻運行狀態(tài)下，若變頻器出現故障且自動(dòng)投入允許，系統將首先分斷變頻器高壓輸入、輸出開(kāi)關(guān)QF1和QF2，經(jīng)過(guò)一定延時(shí)后，“旁路投入”閉合，即工頻旁路開(kāi)關(guān)QF3合閘，電機投入電網(wǎng)工頻運行，并把旁路狀態(tài)信號發(fā)送給DCS。同時(shí)DCS邏輯自動(dòng)將引風(fēng)機轉為工頻相應風(fēng)門(mén)調節方式。
　　如變頻器發(fā)生隱患，變頻器發(fā)送“變頻器報警”信號至DCS，此時(shí)變頻器繼續運行，檢修人員可到本地根據變頻器報警信號的信息排除隱患。
6 引風(fēng)機變頻改造效果
6.1節能計算
　　引風(fēng)機變頻改造工程于2012年1月一次成功投運，改造達到了預期目的。以下是3＃機組甲、乙引風(fēng)機高壓變頻器運行后，對改造前2011年4月11日至17日與改造后2012年4月11日至17日機組生產(chǎn)數據進(jìn)行比較，負荷基本相同，改造前后3#鍋爐運行統計數據如表2所示。

　　通過(guò)表2數據對比，從節電率分析，3＃機組在發(fā)電負荷相同情況時(shí)，3＃機組兩臺引風(fēng)機工頻運行每天平均耗電量33 753kW·h，3＃機組兩臺引風(fēng)機變頻運行每天平均耗電量21 279kW·h，節約電量12 474kW·h，節電率為36.96%。
　　兩臺引風(fēng)機節電費用，按全年運行7200小時(shí)統計，使用兩臺高壓變頻調速引風(fēng)機，與工頻調節相比較，經(jīng)計算，全年可以節省3 742 200 kW·h。按發(fā)電成本電價(jià)0.25元/kW·h計算，3 742 200kW·h×0.25元/ kW·h =935 550元。3＃機組與4＃機組負荷基本一致，這樣算下來(lái)，3#、4#鍋爐四臺引風(fēng)機一年共節省電費約180萬(wàn)元。
6.2其他效果
　?。?）風(fēng)機變頻改造后，電機實(shí)現了軟啟動(dòng)，消除了對電網(wǎng)和負載的沖擊，避免產(chǎn)生操作過(guò)電壓而損傷電機絕緣，延長(cháng)了電動(dòng)機和風(fēng)機的使用壽命。
　?。?）采用變頻調節，減少了擋板節流損失，且能均勻調速，滿(mǎn)足生產(chǎn)需要，節約大量的電能。
　?。?）低負荷下轉速降低，減少了機械部分的磨損和振動(dòng)，延長(cháng)了風(fēng)機大修周期，從而節省了大量的檢修費用。
　?。?）具有控制精度高、抗干擾能力強、諧波含量小的特點(diǎn)，且有完善的保護功能，有利于電動(dòng)機和風(fēng)機的安全運行。
7結束語(yǔ)
　　風(fēng)光JD-BP37系列高壓變頻器在廣西信發(fā)鋁電有限公司電廠(chǎng)3#、4#機組引風(fēng)機的調速改造中應用是成功的。高壓變頻器的先進(jìn)性、可靠性已得到許多工業(yè)應用的證實(shí)。在各行各業(yè)，對于許多高壓大功率的風(fēng)機水泵設備推廣和采用高壓變頻調速技術(shù)，不僅可以取得相當顯著(zhù)的節能效果，而且也得到國家產(chǎn)業(yè)政策的支持。