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高壓變頻器在昆明鹽礦發(fā)電廠的應(yīng)用

發(fā)布時(shí)間:2014-04-14 作者:新風(fēng)光

1 引言
  我國(guó)火電廠尤其是老廠主要用電設(shè)備存在較嚴(yán)重的能源浪費(fèi)現(xiàn)象,一般老廠自用電占發(fā)電量的9%~10%,其中送風(fēng)又占自用電的10%,引風(fēng)機(jī)占15%,給水泵占20%。而新建電廠自用電占發(fā)電量的6%左右,可見(jiàn)節(jié)能降耗的潛力是很大的。為此各火電廠都把挖潛節(jié)能降耗的工作提到議事日程,從技術(shù)改造著手,尋求節(jié)能降耗的途徑和辦法。變頻調(diào)速技術(shù)無(wú)疑是電廠風(fēng)機(jī)水泵節(jié)能的重要途徑。
2高壓變頻節(jié)能原理
  異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速是通過(guò)改變定子供電頻率f來(lái)改變同步轉(zhuǎn)速而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的,在調(diào)速中從高速到低速都可以保持較小的轉(zhuǎn)差率,因而消耗轉(zhuǎn)差功率小,效率高,是異步電動(dòng)機(jī)較為合理的調(diào)速方法。
  由公式n=60f/p(1-s)可以看出,若均勻地改變供電頻率f,即可平滑地改變電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍寬、平滑性較高、機(jī)械特性較硬的優(yōu)點(diǎn),目前,變頻調(diào)速已成為異步電動(dòng)機(jī)較主要的調(diào)速方式,在很多領(lǐng)域都獲得了廣泛的應(yīng)用。
  高壓變頻調(diào)速具有如下顯著的優(yōu)點(diǎn):
  (1)由負(fù)載檔板或閥門(mén)調(diào)節(jié)導(dǎo)致的大量節(jié)流損失,在變頻改造后不再有節(jié)流損失。
 ?。?)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)明顯提高。
 ?。?)可實(shí)現(xiàn)零轉(zhuǎn)速啟動(dòng),避免啟動(dòng)沖擊電流,減輕了沖擊扭振。
 ?。?)高壓變頻器本身?yè)p耗極小,整機(jī)效率在97%以上。
  對(duì)離心式風(fēng)機(jī)而言,流體力學(xué)有以下原理:輸出風(fēng)量Q與轉(zhuǎn)速n成正比;輸出壓力H與轉(zhuǎn)速n的平方成正比;輸出軸功率P與轉(zhuǎn)速n的立方成正比;即:
  Q1/Q2=n1/n2,H1/H2=(n1/n2)2,P1/P2=(n1/n2)3
  當(dāng)風(fēng)機(jī)風(fēng)量需要改變時(shí),如調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)的開(kāi)度,則會(huì)使大量電能白白消耗在閥門(mén)及管路系統(tǒng)阻力上。如采用變頻調(diào)速調(diào)節(jié)風(fēng)量,可使軸功率隨流量的減小大幅度下降。變頻調(diào)速時(shí),當(dāng)風(fēng)機(jī)低于額定轉(zhuǎn)速時(shí),理論節(jié)電為:
  E=〔1-( n′/n)3〕×P×T (kW·h)
  式中: n是額定轉(zhuǎn)速,n′是實(shí)際轉(zhuǎn)速,P是額定轉(zhuǎn)速時(shí)電機(jī)功率,T是工作時(shí)間。
  可見(jiàn),通過(guò)變頻對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造,不但節(jié)能,而且大大提高了設(shè)備運(yùn)行性能。以上公式為變頻節(jié)能提供了充分的理論依據(jù)。
3風(fēng)光公司高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)
  風(fēng)光牌JD-BP38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(biāo)小于IEE519-1992的諧波國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),輸入功率因數(shù)高,輸出波形質(zhì)量好,不必采用輸入諧波濾波器、功率因數(shù)補(bǔ)償裝置和輸出濾波器;不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)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(jī)。具體來(lái)說(shuō),風(fēng)光高壓變頻器除具有一般普通變頻器的性能外,還具有以下突出特點(diǎn):
 ?。?)采用高速DSP作為中央處理器,運(yùn)算速度更快,控制更精準(zhǔn)。
  (2)飛車啟動(dòng)功能。能夠識(shí)別電機(jī)的速度并在電機(jī)不停轉(zhuǎn)的情況下直接起動(dòng)。
 ?。?)完整的工頻/變頻自動(dòng)互切技術(shù)?,F(xiàn)在的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)一般設(shè)置工頻旁路切換柜,變頻器發(fā)生故障時(shí)能使高壓電機(jī)轉(zhuǎn)至工頻運(yùn)行,旁路切換有手動(dòng)旁路和自動(dòng)旁路切換兩種型式,手動(dòng)旁路需人工操作,適應(yīng)于無(wú)備用裝置或不重要的運(yùn)行工況,自動(dòng)旁路可在變頻器發(fā)生故障后直接自動(dòng)轉(zhuǎn)換至工頻運(yùn)行。新風(fēng)光公司提供的自動(dòng)旁路切換柜,不僅可實(shí)現(xiàn)變頻故障情況下自動(dòng)由變頻轉(zhuǎn)換至工頻運(yùn)行狀態(tài),還可實(shí)現(xiàn)在變頻檢修完畢后由工頻瞬間轉(zhuǎn)換至變頻運(yùn)行的功能,整個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程不會(huì)對(duì)用戶設(shè)備的運(yùn)行造成任何影響。
  (4)旋轉(zhuǎn)中再啟動(dòng)功能。運(yùn)行過(guò)程中高壓瞬時(shí)掉電3s內(nèi)恢復(fù),高壓變頻器不停機(jī),高壓恢復(fù)后變頻自動(dòng)運(yùn)行到掉電前的頻率。
  (5)線電壓自動(dòng)均衡技術(shù)(星點(diǎn)漂移技術(shù))。變頻器某相有單元故障后,為了使線電壓平衡,傳統(tǒng)的處理方法是將另外兩相的電壓也降至與故障相相同的電壓,而線電壓自動(dòng)均衡技術(shù)通過(guò)調(diào)整相與相之間的夾角,在相電壓輸出最大且不相等的前提下保證最大的線電壓均衡輸出。
 ?。?)單元直流電壓檢測(cè):實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)系統(tǒng)的直流電壓,從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓的優(yōu)化控制,降低諧波含量,保證輸出電壓的精度,提升系統(tǒng)控制性能,并可使保證運(yùn)行維護(hù)人員實(shí)現(xiàn)對(duì)功率單元運(yùn)行狀況的全面把握。
 ?。?)單元內(nèi)電解電容因采取了公司專利技術(shù),可以將其使用壽命提高1倍。
 ?。?) 散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,單元串聯(lián)多重化并聯(lián)結(jié)構(gòu),IGBT承受的電壓較低,可以有較寬的過(guò)壓范圍(≥1.15Ue),設(shè)備可靠性更高。
 ?。?) 具備突發(fā)相間短路保護(hù)功能。如果由于設(shè)備原因及其他原因造成輸出短路,此時(shí)如果變頻器不具備相間短路保護(hù)功能,將會(huì)導(dǎo)致重大事故。變頻器在發(fā)生類似問(wèn)題時(shí)能夠立即封鎖變頻器輸出,保護(hù)設(shè)備不受損害,避免事故的發(fā)生。
 ?。?0) 限流功能:當(dāng)變頻器輸出電流超過(guò)設(shè)定值,變頻器將自動(dòng)限制電流輸出,避免變頻器在加減速過(guò)程中或因負(fù)載突然變化而引起的過(guò)流保護(hù),最大限度減少停機(jī)次數(shù)。
 ?。?1) 故障自復(fù)位功能:當(dāng)變頻器由于負(fù)載突變?cè)斐蓡卧蚴钦麢C(jī)過(guò)電流保護(hù)時(shí),可自動(dòng)復(fù)位,繼續(xù)運(yùn)行。
4  高壓變頻器在昆明鹽礦電廠的應(yīng)用
  昆明鹽礦1993年6月建成投產(chǎn),是云南省較大的鹽及鹽化工原料生產(chǎn)基地,云南省第一家無(wú)磷環(huán)保型洗滌助劑生產(chǎn)企業(yè)。昆明鹽礦自備電廠45t鍋爐配用一臺(tái)送風(fēng)機(jī)配用電機(jī)功率315kW/10kV,一臺(tái)引風(fēng)機(jī)配用電機(jī)功率400kW/10kV。該廠近年來(lái),機(jī)組壓負(fù)荷調(diào)峰和兩班制調(diào)速運(yùn)行時(shí)間占機(jī)組運(yùn)行小時(shí)數(shù)的60%,引、送風(fēng)機(jī)長(zhǎng)期處在節(jié)流運(yùn)行。針對(duì)上述能源浪費(fèi)的現(xiàn)象,該廠在2009年機(jī)組大修,對(duì)100MW機(jī)組的引、送風(fēng)機(jī)采用山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的高壓變頻器,進(jìn)行變頻節(jié)能改造。
4.1高壓變頻器主回路控制方案

  改造前:原系統(tǒng)10kV高壓開(kāi)關(guān)柜至電機(jī),電機(jī)與風(fēng)機(jī)直接連接,通過(guò)風(fēng)門(mén)擋板的開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)流量。
  改造后:系統(tǒng)10kV高壓開(kāi)關(guān)柜至風(fēng)光高壓變頻器,風(fēng)光高壓變頻器與電機(jī)相連,通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)流量,電機(jī)與風(fēng)機(jī)間不用做任何改動(dòng),且變頻調(diào)節(jié)時(shí)風(fēng)門(mén)檔板可全開(kāi)。
  根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)要求,此次2臺(tái)變頻器采用一拖一手動(dòng)旁路控制方案,其一次電路如圖1所示。

  圖1旁路柜中,共有3個(gè)高壓隔離開(kāi)關(guān),為了確保不向變頻器輸出端反送電,K2與K3采用電磁互鎖操動(dòng)機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)電磁互鎖。當(dāng)K1、K3閉合,K2斷開(kāi)時(shí),電機(jī)變頻運(yùn)行;當(dāng)K1、K3斷開(kāi),K2閉合時(shí),電機(jī)工頻運(yùn)行,此時(shí)變頻器從高壓中隔離出來(lái),便于檢修、維護(hù)和調(diào)試。
  旁路柜必須與上級(jí)高壓斷路器DL連鎖, DL合閘時(shí),絕對(duì)不允許操作旁路隔離開(kāi)關(guān)與變頻輸出隔離開(kāi)關(guān),以防止出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象,確保操作人員和設(shè)備的安全。
  故障分閘:將變頻器“高壓分?jǐn)唷毙盘?hào)與旁路柜“變頻投入”信號(hào)串聯(lián)后,并聯(lián)于高壓開(kāi)關(guān)分閘回路。在變頻投入狀態(tài)下,當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí),分?jǐn)嘧冾l器高壓輸入;旁路投入狀態(tài)下,變頻器故障分閘無(wú)效。
  保護(hù):保持原有對(duì)電機(jī)的保護(hù)及其整定值不變。
4.2高壓變頻器控制邏輯

  利用DCS控制系統(tǒng)的預(yù)留點(diǎn),設(shè)計(jì)高壓變頻改造控制、運(yùn)行監(jiān)視系統(tǒng),系統(tǒng)包括工、變頻的運(yùn)行、停止命令按鈕;轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)按鈕;變頻器復(fù)位按鈕、緊急停止按鈕;變頻器運(yùn)行電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速顯示;高壓柜以及變頻合閘顯示;變頻器故障報(bào)警顯示。
  DCS系統(tǒng)輸出 4~20mA電流信號(hào)控制JD-BP38高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的運(yùn)行頻率, 來(lái)控制電機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速。JD-BP38高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)反饋4~20mA電流信號(hào)指示JD-BP38高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的輸出頻率、輸出電流。JD-BP38高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)同時(shí)接收DCS控制系統(tǒng)的啟動(dòng)、停止、急停、復(fù)位控制信號(hào),調(diào)整運(yùn)行狀態(tài)。
  當(dāng)JD-BP38高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)故障時(shí),系統(tǒng)輸出故障停機(jī)和報(bào)警信息,用于提示用戶啟動(dòng)故障處理措施,同時(shí)JD-BP38高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)將信號(hào)發(fā)送給DCS,在DCS系統(tǒng)上顯示故障,以便于及時(shí)的排除故障。如果系統(tǒng)出現(xiàn)緊急情況,DCS監(jiān)視人員立即點(diǎn)擊變頻器緊急停止按鈕,此時(shí)變頻器立即封鎖輸出,并及時(shí)跳開(kāi)高壓斷路器開(kāi)關(guān)。
  為保證JD-BP38高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)操作的安全性,需從改造電機(jī)的進(jìn)線開(kāi)關(guān)柜把斷路器的狀態(tài)信號(hào)接入JD-BP38高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。JD-BP38高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)輸出的故障跳閘信號(hào)接入斷路器的分閘回路,連跳高壓信號(hào)接入安全回路,當(dāng)出現(xiàn)嚴(yán)重故障時(shí)及時(shí)跳開(kāi)斷路器,保護(hù)JD-BP38高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)及電機(jī)。
  如圖2所示,當(dāng)所有開(kāi)機(jī)條件都具備后,DCS發(fā)出變頻運(yùn)行命令,變頻器內(nèi)置PLC發(fā)出“合閘”信號(hào)至10kV高壓柜,高壓斷路器開(kāi)關(guān)合閘,變頻器進(jìn)行軟充電,5S后充電完成,變頻器處于就緒狀態(tài),由DCS給出4~20mA信號(hào)控制變頻器頻率來(lái)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。
4.3高壓變頻器運(yùn)行及試驗(yàn)測(cè)試
  改造后,對(duì)高壓變頻器進(jìn)行模擬調(diào)試、空載調(diào)試、帶負(fù)荷調(diào)試都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。測(cè)試項(xiàng)目及結(jié)果是:
 ?。?) 功率因數(shù)測(cè)試:引、送風(fēng)電機(jī)功率因數(shù)均在0.97~0.99。
 ?。?) 變頻器效率測(cè)試:兩臺(tái)變頻器效率均在97%~98%。
  (3) 變頻器對(duì)公用電網(wǎng)的諧波影響測(cè)試:測(cè)試10kV電網(wǎng)系統(tǒng)總畸變率1.48%~1.84%,符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)小于4%的規(guī)定,測(cè)試110kV、220kV電網(wǎng)系統(tǒng)總畸變率1.02%~1.42%,符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)小于2%的規(guī)定。
 ?。?) 用變頻和工頻啟動(dòng)電流比較:變頻啟動(dòng)電流小,電流平滑上升,工頻啟動(dòng)電流則是額定電流的6~7倍,啟動(dòng)時(shí)沖擊電流大,直接威脅電機(jī)安全運(yùn)行和使用壽命縮短。
 ?。?) 變頻器頻率范圍和精度測(cè)試:變頻器頻率調(diào)節(jié)的范圍0~50Hz,調(diào)節(jié)范圍寬、調(diào)節(jié)靈活,達(dá)到設(shè)計(jì)要求的±3%。
4.4變頻改造節(jié)能情況
  2009年12月23日,變頻器正式投入運(yùn)行,至今運(yùn)行良好。變頻器使用方便,可靠穩(wěn)定,維護(hù)量小。改造達(dá)到了預(yù)期目的。
 ?。?)直接經(jīng)濟(jì)效益分析
  引風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)長(zhǎng)期在低負(fù)荷運(yùn)行(60~100MW)時(shí),電機(jī)頻率一般為30~47Hz范圍,并且長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在40Hz左右,昆明鹽礦發(fā)電廠節(jié)能服務(wù)中心對(duì)風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)參數(shù)實(shí)際測(cè)量:測(cè)試結(jié)果為315kW/10kV節(jié)電率為38%,400 kW/10kV節(jié)電率為40%。
  根據(jù)上面的測(cè)試結(jié)果,一臺(tái)機(jī)組按照每年運(yùn)行5500小時(shí)計(jì)算,
  每臺(tái)機(jī)組每年可節(jié)約電量=引送風(fēng)機(jī)容量×機(jī)組年運(yùn)行小時(shí)數(shù)×變頻器平均節(jié)電率
  =(315kW×38%+400kW×40%)×5500h=1538350kW?h;
  增加上網(wǎng)電價(jià)收入=年節(jié)約電量×上網(wǎng)電價(jià)=1538350kW?h×0.25元/kW?h=384587.5元;
  年節(jié)約標(biāo)煤量=年節(jié)約電量×供電煤耗=1538350kW?h×0.42kg/kW?h=646107kg;
  年節(jié)約煤碳購(gòu)置費(fèi)用=年節(jié)約標(biāo)煤量×標(biāo)煤?jiǎn)蝺r(jià)=646.107t×800元/t=516885.6元。
  采用變頻調(diào)速的經(jīng)濟(jì)效益是可觀的。
 ?。?) 間接經(jīng)濟(jì)效益分析
  用變頻器啟動(dòng)電機(jī),對(duì)電機(jī)、電纜、開(kāi)關(guān)等無(wú)沖擊電流(用工頻啟動(dòng)時(shí),啟動(dòng)電流是電機(jī)額定電流的6~7倍,經(jīng)常造成電機(jī)、電纜、開(kāi)關(guān)損壞,機(jī)組被迫減負(fù)荷或停機(jī))。設(shè)備隨生產(chǎn)工藝變負(fù)荷運(yùn)行,大大降低了設(shè)備負(fù)荷率,延長(zhǎng)了風(fēng)機(jī)、電機(jī)等設(shè)備的使用壽命。減少設(shè)備維護(hù)費(fèi)用和違約電量造成的經(jīng)濟(jì)損失。這部分隱形的間接效益也是可觀的,每年節(jié)約50~100萬(wàn)元左右。
5 結(jié)束語(yǔ)
  隨著廠網(wǎng)分開(kāi),競(jìng)價(jià)上網(wǎng)日趨激烈,如何降低發(fā)電成本,提高發(fā)電企業(yè)競(jìng)價(jià)上網(wǎng)的競(jìng)爭(zhēng)能力,加強(qiáng)內(nèi)部管理,挖潛節(jié)能是電廠必須認(rèn)真研究的一件大事,采用高壓變頻器對(duì)電廠高能耗用電設(shè)備如送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、給水泵、循環(huán)水泵等進(jìn)行技術(shù)改造,不僅能收到直接的降低廠用電、降低供電煤耗,增大上網(wǎng)電量帶來(lái)的直接經(jīng)濟(jì)效益,而且設(shè)備乃至機(jī)組的安全可靠性提高,減少機(jī)組故障帶來(lái)的隱形經(jīng)濟(jì)效益。高壓變頻器技術(shù)在發(fā)電廠有值得推廣應(yīng)用的廣闊空間。