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1. 工程概況
西北某發(fā)電廠，始建于1969年。#3機(jī)組（200MW）于1983年二期擴(kuò)建時(shí)投產(chǎn)。由于調(diào)峰任務(wù)重，常帶140-180MW負(fù)荷運(yùn)行。該機(jī)組配置兩臺(tái)AL-R252離心式送風(fēng)機(jī)，靠調(diào)節(jié)送風(fēng)機(jī)擋板來(lái)控制鍋爐進(jìn)風(fēng)量，以適應(yīng)機(jī)組負(fù)荷變化的需要。當(dāng)機(jī)組在額定負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，風(fēng)機(jī)效率較為理想，但當(dāng)機(jī)組降負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，一部分功率被消耗在擋板上，且機(jī)組負(fù)荷越低，消耗在擋板上的功率越大，從而使風(fēng)機(jī)效率隨機(jī)組負(fù)荷降低而迅速下降。
該系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中還存在一些其他問(wèn)題：
（1）擋板動(dòng)作遲緩，手動(dòng)時(shí)運(yùn)行人員操作不靈活，如操作不當(dāng)還會(huì)造成送風(fēng)機(jī)振動(dòng)。投自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，很難滿足最佳調(diào)節(jié)品質(zhì)。
（2）送風(fēng)機(jī)擋板執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障較多，不能適應(yīng)長(zhǎng)期頻繁調(diào)節(jié)，使送風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)一直不能正常投入自動(dòng)運(yùn)行。
（3）送風(fēng)機(jī)電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，采用直接啟動(dòng)方式，啟動(dòng)電流為額定電流的5-7倍，電機(jī)受到的機(jī)械，電氣沖擊較大，經(jīng)常發(fā)生轉(zhuǎn)子籠條斷裂事故。
（4）電機(jī)容量比送風(fēng)機(jī)額定出力大，多余容量不能利用，降低了效率，浪費(fèi)了電能。
（5）擋板受沖擊，磨損較嚴(yán)重。
為了解決上述問(wèn)題，決定對(duì)甲側(cè)送風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，利用電機(jī)變頻調(diào)速方法實(shí)現(xiàn)送風(fēng)量調(diào)節(jié)，達(dá)到節(jié)能和實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制的目的。
2. 變頻改造方案簡(jiǎn)介
#3爐甲側(cè)送風(fēng)機(jī)為普通國(guó)產(chǎn)電機(jī)，主要參數(shù)如下：型號(hào)為YKK630-6，額定功率為1250kW，6極，額定電壓為6 kV，額定電流為145A，額定頻率為50Hz，額定轉(zhuǎn)速為985r/min，絕緣等級(jí)為F級(jí)。
2007年3月初完成了#3爐甲側(cè)送風(fēng)機(jī)變頻改造項(xiàng)目，在電機(jī)與開關(guān)之間增加了一套高壓變頻裝置，并保留了原有工頻回路作為旁路。改造后系統(tǒng)由四大部分組成：高壓變頻器、隔離變壓器、電機(jī)和開關(guān)，電氣接線圖如圖1所示。
 圖1 #3爐甲側(cè)送風(fēng)機(jī)電氣接線圖 送風(fēng)機(jī)高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用深圳市科陸變頻器有限公司生產(chǎn)的CL2700型高壓變頻器，CL2700型高壓變頻器具有以下性能特點(diǎn)：
1.高效率、無(wú)污染、高功率因數(shù)
CL2700系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用的是功率單元串聯(lián)的高-高方案，采用了多繞組高壓移相變壓器，二次側(cè)繞組中流過(guò)的電流在變壓器一次側(cè)疊加時(shí)，形成非常逼近正弦波的電流波形。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，50Hz運(yùn)行時(shí)，網(wǎng)側(cè)電流諧波 < 2%，電機(jī)側(cè)輸出電壓諧波 < 1.5%（即使在40Hz時(shí)，仍然 < 2%），成套裝置的效率 > 97%，功率因數(shù) > 96%。完全滿足了IEEE 519-1992對(duì)電壓、電流諧波含量的要求。
另外，通過(guò)采用自主開發(fā)的專用PWM控制方法，比同類的其它方法還可進(jìn)一步降低輸出電壓諧波1～2%
2.先進(jìn)的故障單元旁路運(yùn)行（專業(yè)核心技術(shù)）
為了提高系統(tǒng)的可靠性，整個(gè)變頻調(diào)速系統(tǒng)中考慮了一定的輸出電壓余量，并在各功率單元中增加了旁路電路。當(dāng)某個(gè)功率單元出現(xiàn)故障時(shí)，可以自動(dòng)監(jiān)測(cè)故障并啟動(dòng)旁路電路，使得該單元不再投入運(yùn)行，同時(shí)程序會(huì)自動(dòng)進(jìn)行運(yùn)算，調(diào)整算法，使得輸出的三相線電壓仍然完全對(duì)稱，電機(jī)的運(yùn)行不受任何影響。這種控制方法處于國(guó)際先進(jìn)，國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的水平，它將大大提高系統(tǒng)的可靠性和運(yùn)行的穩(wěn)定性。
3.高性能的控制技術(shù)
CL2700系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)率先實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)易矢量控制技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并且具有加、減速自適應(yīng)功能，即可根據(jù)運(yùn)行工況參數(shù)的實(shí)際變化，自動(dòng)調(diào)整加、減速時(shí)間，在不超過(guò)最大允許電流的情況下，快速達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速;同時(shí)，系統(tǒng)可以自動(dòng)識(shí)別電機(jī)轉(zhuǎn)速，用戶可以不考慮電機(jī)目前的運(yùn)行狀態(tài)，電機(jī)不需要停止運(yùn)行就可直接實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、加速、減速或停車操作。
CL2700系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)反饋能量自動(dòng)限制功能。
4.高可靠性
控制電源可實(shí)現(xiàn)外部380V供電和高壓電源輔助供電雙路電源自動(dòng)切換，即使兩路電源都出現(xiàn)故障時(shí)，控制系統(tǒng)仍然可以工作足夠長(zhǎng)的時(shí)間，控制整個(gè)系統(tǒng)安全停機(jī)，發(fā)出報(bào)警，并記錄故障時(shí)的所有狀態(tài)參數(shù)。
采用高速光纖通信，可有效避免電磁干擾。
當(dāng)單元故障數(shù)目超過(guò)設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)可自動(dòng)切換到工頻運(yùn)行。
整流變壓器有完善的溫度監(jiān)控功能。
獨(dú)特設(shè)計(jì)的功率柜風(fēng)道，主要發(fā)熱元器件都靠近或處于風(fēng)道中，散熱效果好，保證了系統(tǒng)的過(guò)載能力。
抗電網(wǎng)電壓波動(dòng)能力強(qiáng)，當(dāng)電網(wǎng)電壓在-15%～+15%范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)可以正常工作;對(duì)于功率單元，在電壓-25%～20%范圍內(nèi)變化時(shí)，都可正常工作。
3 送風(fēng)機(jī)變頻改造效益分析
交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法，可從以下公式分析：
n=60f（l-S）/P
式中：n-電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速;
f-電動(dòng)機(jī)定子供電頻率;
p-電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù);
s-電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率。
由上式可知，如果均勻地改變電動(dòng)機(jī)定子供電頻率，可以平滑地改變電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。實(shí)際上，在改變供電頻率的同時(shí)，還需要維持電機(jī)磁通恒定，即保持電動(dòng)機(jī)的輸出力矩不變。因此，在電動(dòng)機(jī)調(diào)速過(guò)程中，應(yīng)保持定子供電電壓和頻率的比值v/f為一定值。改變頻率的調(diào)速屬于轉(zhuǎn)差率基本不變、同步轉(zhuǎn)速和電動(dòng)機(jī)理想轉(zhuǎn)速同步變化條件下的調(diào)速，所以變頻調(diào)速的調(diào)速精度、功率因數(shù)和效率都較高，容易實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動(dòng)控制。
根據(jù)風(fēng)機(jī)相似定律：N/Nb=（ng/nb）3，功率與電機(jī)轉(zhuǎn)速的立方成正比，風(fēng)機(jī)的風(fēng)量與轉(zhuǎn)速成正比，當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，風(fēng)機(jī)所消耗的電功率按3次方比例關(guān)系下降。在機(jī)組低負(fù)荷情況下，對(duì)風(fēng)量的需求相對(duì)較少，例如，要求風(fēng)量在80%的情況下，采用變頻控制時(shí)，電機(jī)消耗的功率=（80%）3≈50%;而采用擋板調(diào)節(jié)風(fēng)量時(shí)，電機(jī)消耗的功率約為90%，能量流失嚴(yán)重。由此可見，采用變頻調(diào)節(jié)后，入口擋板全開，幾乎消除了擋板節(jié)流阻力，節(jié)能效果明顯。
3.1理論計(jì)算
主要技術(shù)數(shù)據(jù)如下：電機(jī)功率為1250kW，電機(jī)效率為95%，cosφ=0.85，變頻系統(tǒng)（含隔離變壓器，PF7000變頻器）效率不低于96.5%，在滿負(fù)荷時(shí)，變頻系統(tǒng)功率因數(shù)≥0.96。根據(jù)西北電網(wǎng)火電機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行情況（調(diào)峰力度大，機(jī)組年運(yùn)行小時(shí)數(shù)低），設(shè)年運(yùn)行小時(shí)數(shù)為5000h，電價(jià)0.3元/度。
下面在風(fēng)門開度分別為90%、80%、70%和60%的情況下進(jìn)行效益分析。
（1）擋板控制風(fēng)量時(shí)
①風(fēng)門開度為90%時(shí)，根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，電流為120A左右;
②風(fēng)門開度為80%時(shí)，根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，電流為113A左右;
③風(fēng)門開度為70%時(shí)，根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，電流為109A左右;
④風(fēng)門開度為60%時(shí)，根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，電流為107A左右;
P90= UIcosφ/η=1.732×6×120×0.85/0.95=1116kW
P80=UI cosφ/η=1.732×6×113×0.85/0.95=1051kW
P70=UI cosφ/η=1.732×6×109×0.85/0.95=1013kW
P60=UI cosφ/η=1.732×6×107×0.85/0.95=995kW
（2）變頻調(diào)速控制風(fēng)量時(shí)
P90=Pχ×（Q%）3ηMV=1250×（0.9）3/0.965=944kW
P80=Pχ×（Q%）3ηMV=1250×（0.8）3/0.965=663kW
P70=Pχ×（Q%）3ηMV=1250×（0.7）3/0.965=443kW
P60=Pχ×（Q%）3ηMV=1250×（0.6）3/0.965=280kW
（3）每年效益
P90=（1116-944）×5000×0.3=25.8萬(wàn)元
P80=（1051-663）×5000×0.3=58.2萬(wàn)元
P70=（1013-443）×5000×0.3=85.5萬(wàn)元
P60=（995-280）×5000×0.3=107.25萬(wàn)元
（4）投資回收年限計(jì)算
投資回報(bào)年限可按以下公式計(jì)算：
A=P×i×（1+i）n/[（1+i） n-1]
式中：A為每年收益，P為總投資，n為回收年限，i為利率。
假設(shè)每年收益按70萬(wàn)元計(jì)算，總投資按180萬(wàn)元計(jì)算，利率按5.5%計(jì)算，通過(guò)計(jì)算可得n=2.84，即該項(xiàng)目投資回收年限為2.84年。
3.2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)
3.3 改造前后送風(fēng)單耗比較
2007年9月，#3爐送風(fēng)機(jī)單耗為2.02kW·h/t汽，在甲側(cè)送風(fēng)機(jī)變頻改造前的相同工況下，送風(fēng)單耗為3.33kW·h/t汽，鍋爐累計(jì)蒸發(fā)量251460t汽，全月節(jié)電量為251460×（3.33-2.02）=329412.6kW·h，#209機(jī)組實(shí)際運(yùn)行時(shí)間為20天，平均負(fù)荷為175.8MW，平均節(jié)電量為1.647萬(wàn)度/天。#209機(jī)組按每年運(yùn)行5000h（約208天）計(jì)算，每度電按0.30元計(jì)算，每年可產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益102.77萬(wàn)元。
甲側(cè)送風(fēng)機(jī)變頻改造后，乙側(cè)送風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)擋板一直保持全開，鍋爐進(jìn)風(fēng)量主要靠甲側(cè)風(fēng)機(jī)變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，乙側(cè)風(fēng)機(jī)的效率總是保持在較高水平，這樣，兩臺(tái)送風(fēng)機(jī)的總體效率大大提高了。通過(guò)理論計(jì)算、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和送風(fēng)單耗三種方式進(jìn)行分析，雖然結(jié)果有所差異，但從總體上可以看出該項(xiàng)目的節(jié)能效果非常明顯。
4. 結(jié) 論
該項(xiàng)目的最大意義是節(jié)能，采用變頻器控制進(jìn)行驅(qū)動(dòng)后，與原檔板調(diào)節(jié)風(fēng)量的方式相比，風(fēng)機(jī)效率穩(wěn)定在一個(gè)較理想的范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)的能耗大大降低，特別是機(jī)組在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，效果更顯著。采用變頻調(diào)速后，提高了機(jī)組自動(dòng)裝置的穩(wěn)定性，為優(yōu)化燃燒、提高鍋爐效率提供了可靠保證。
高壓變頻器由于節(jié)能效果顯著，在電力系統(tǒng)中已廣泛應(yīng)用，采用變頻調(diào)速后，還改善了電機(jī)的啟動(dòng)性能，電機(jī)實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，有效地減少了轉(zhuǎn)子籠條斷裂故障，延長(zhǎng)電機(jī)，特別是轉(zhuǎn)子鼠籠條的壽命。這是因?yàn)殡姍C(jī)直接啟動(dòng)的電流約為額定電流的5-7倍，啟動(dòng)時(shí)間約為10s，對(duì)電機(jī)的沖擊很大。另外，變頻調(diào)速時(shí)擋板全開，可減少風(fēng)道振動(dòng)與磨損，提高機(jī)械壽命。總之，高壓變頻裝置節(jié)能效果好、技術(shù)先進(jìn)、使用成熟、性能可靠，是理想的節(jié)能改造設(shè)備。
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