东方日立（成都）电控设备有限公司 王华英

摘要：本文结合引风机的实际工况，介绍了高压大功率变频器在动叶调节轴流式引风机上的应用

Abstract:This paper combines the actual working conditions of the induced draft fan, and introduces the application of high-voltage and high-power frequency converter in the axial induced draft fan with adjustable blades.

关键词：高压变频器 动调风机 节能

Key Words:High-voltage Inverter Adjustable speed fan Energy saving

1 应用背景

（1）一般在对锅炉配套风机容量进行设计时，从发电机组运行的安全性考虑出发，单侧风机运行时，需具备带75%负荷运行的能力，这样一来，当双侧风机同时运行，即便机组带到额定负荷时实现满发时，引风机的设计余量一般在20%—30%左右（若当地煤质情况较差或其他原因将会导致风机的设计余量更大），风机叶片的整体开度一般处于在30%—100%这个区间内，但是主要以集中在50%-60%范围内居多，由此可见风机并未处于其风机设计之初的最佳经济运行工作点运行。

（2）由于电网负荷的需要，火力发电机组往往是需要根据电网公司的要求实现调峰运行，机组负荷率经常处于50%—75%之间，动叶可调式引风机的叶片开度大多处于30%—80%，往往处于40%—50%范围内居多，使得绝大多数引风机更加偏离其设计的最佳经济运行工作点运行。

动调引风机变频改造可为煤电机组“三改联动”中节能降碳改造及灵活性改造提供有力的技术方案支撑

2 节能分析

动调风机工频满负荷运行时，通过调整动叶开度来适应不同负荷需求；

动调风机采用变频调速后，在通过降低转速提高动叶开度满足负荷的基础上，保持动叶开度在0°附近及以上，提升风机效率；

机组负荷越低，变频工频动叶开度差距越大，效率提升越显著；高负荷时，变频动叶开度在0°及以上，效率亦有小幅提升。

动调风机工、变频运行运行特性曲线对比如下：

 
风机工频定速运行性能图                        风机变频调速运行性能图

3 动调引风机变频改造技术方案

（1）根据动调风机特性，通过变频器与动叶风机联动的方式，保证动叶可调风机始终工作在高效区，通过转速来满足流量需求

 

频率动叶联合调整示意图

（2）频率、动叶联合调节控制方案

首先确定引风机变频器速度长时运行范围，对长时运行速度范围进行均匀分段，然后试验获取引风机各速度范围最优效率动叶角度。

  

 

频率、动叶联合调节控制示意图

根据动叶可调风机变频改造调节的原理，机组所需流量调节由动叶可调风机的叶片角度和电机的转速来决定，而能够反应风机系统所需功率的指标为变频器的输入电流，所以现场改造调试的基本方法是通过在机组不同负荷下，调节动叶角度和转速，以变频器输入电流来做为调节的标准，确定负荷点对应的动叶角度和转速，得出动叶可调轴流式风机变频器节能系统的最优控制方法。

4 东方日立DHVECTOL系列变频器原理及主要技术特点

DHVECTOL系列变频装置采用多电平串联技术，10kV系统由移相变压器、功率单元和控制器组成。10kV变频装置有24个功率单元，每8个功率单元串联构成一相。每个功率单元结构以及电气性能完全一致，可以互换，其电路结构如下图1所示，为基本的交-直-交单相逆变电路，整流侧为二极管三相全桥，通过对IGBT逆变桥进行正弦PWM控制，可得到如下图2所示的波形。变频器的输入侧由移相变压器给每个单元供电，移相变压器的副边绕组分为三组，构成48脉冲整流方式；这种多级移相叠加的整流方式可以大大改善网侧的电流波形，使其负载下的网侧功率因数接近1。另外，由于变压器副边绕组的独立性，使每个功率单元的主回路相对独立，每个功率单元等效为一台单相低压变频器。输出侧由每个单元的U、V输出端子相互串接成星型接法直接给高压电机供电，通过对每个单元的PWM波形进行重组，可得到如下图3所示的阶梯正弦PWM波形。这种波形正弦度好，dv/dt小，可减少对电缆和电机的绝缘损坏，无须输出滤波器就可以使输出电缆长度很长，电机不需要降额使用，可直接用于旧设备的改造；同时，电机的谐波损耗大大减少，消除了由此引起的机械振动，减小了轴承和叶片的机械应力。

 

4.1高效、环保

东方日立高压大功率变频器采用单元串联多电平技术方案，这种技术方案被称为最适合中国国情的技术方案，被称为完美无谐波绿色变频器。目前已被国内高压变频器厂家大量采用。该方案不仅具有双向低谐波的优点，还具有高效率高功率因数、高效率的特点。

 

东方日立变频器采用的移相变压器可有效抵消电网谐波中的偶次谐波，并消除(6K-1)次以下的奇数次谐波（K为变频器每相的串联单元数）。由于电网谐波中的3、5、7次等高次谐波含量较高，通过移相变压器可有效滤除47次以下的奇数次谐波（以8级为例），尽量减少变频器电源的谐波污染。完全符合IEEE5191992及中国供电部门对电压失真最严格的要求，高于国标GB14549-93对谐波失真的要求。以下为变频器网侧谐波分布与国标要求的比较图。

 

4.2高功率因数

DHVECTOL系列变频器在整个调节范围内都可维持高功率因数，标准值达到0.96以上，负载极小时功率因数也可以达到0.9以上。

 

曲线比较了DHVECTOL系列电压源型变频器和调速技术的功率因数情况，从图上我们可以得出，电压源型变频调速技术比电流源型变频调速、串级调速、电磁离合式电机等技术的功率因数高出很多，采用电压型变频器完全不需要增加功率因数补偿设备，而其它技术则需要增加专用的功率因数补偿设备。

4.3输出脉动转矩小

DHVECTOL系列变频器不需要外部输出滤波器就可提供正弦输出电压，变频器有较低的输出电压失真，不增加电机的运转噪音。DHVECTOL系列变频器大大降低了输出的谐波电流（低于4%），避免了电机发热和转矩脉动，从而减少了设备上的电应力和机械应力。

 

实测出的变频器输出电压与输出电流波形

4.4电机软启动，无冲击电流

DHVECTOL系列变频器对电机进行软启动，根据电机的现场使用要求，我们可以改变电机的启动时间而得到多条电机启动曲线，使得电机在带上负载后完好地适应负载和工艺要求，并且保证启动过程对电网不会产生冲击电流，可确保电机的安全运行并延长其使用寿命。

4.5低压整机调试功能

变频器在安装调试时，或在工频旁通运行情况下，对变频器进行维护时，一般的变频器需用户多次上下高压，很多现场管理严格的用户对于上下高压有着严格的规定及监督措施，因而造成调试时工作效率低下。尤其是变频器处于工频旁通运行时，根本无法提供变频器调试所需的高压电源。低压调试功能就是针对这种情况设置的，只需一路380V电源即可完成变频器的整机静态调试。

 

4.6飞车启动功能

东方日立变频器具有飞车启动功能，无论负载时在正转还是反转情况下，均可实现正常启动。

Ø 在电机还在旋转时进行启动；

Ø 无论电机正转还是反转均可启动；

Ø 飞车启动时变频器先输出励磁电流，检测电机转速，然后从该转速下进行启动。这种启动是智能型的，适合于任何电机转速，无需预设启动频率，而且没有任何电流冲击，启动时间短。飞车启动功能可以在电机还在旋转时自动捕捉电机的速度后进行启动，可以在任何速度下成功启动。速度给定从上向下搜索速度反馈，找到后从该速度下直接启动。启动时没有任何电流冲击。

 

4.7高低电压穿越功能

近年来国内多个火电厂由于低电压引发了主机跳机，此类事件引起了电网公司高度重视，国家电网公司、南方电网公司调度中心均下发了火电机组辅机安全隐患排查的通知和《大型汽轮发电机组一类辅机变频器高、低电压穿越规范》。西北电网公司、河北电网公司调度中心均下发了火电机组辅机低电压穿越改造的通知，东北电网公司部分电厂已经实施了火电机组辅机低电压穿越改造。东方日立率先对变频器进行技术升级，并通过权威机构的检测认证。

由外部故障或者扰动引起的高压变频器输入电压幅值出现跌落或持续在低电压穿越区时，高压变频器容易出现停机故障，影响系统稳定运行。具备低电压穿越功能后，变频器能够在输入电压跌落和持续在电压穿越区时，安全、稳定运行。

4.8使用自愈式金属化薄膜电容

--自愈式金属化薄膜电容器。电容为无感电容，特别适合脉冲电流的快速充、放电。无充、放电时的电压纹波，IGBT的关断过电压更低，元件耐压富裕量提高。这种自愈式电容即使过电压击穿也不会被短路，可以自愈，还可以继续使用。

--电容使用寿命极长，在整个变频器的使用寿命内，电容不需要定期更换。售后维护成本极低。由于电容不会短路，则整流器件和输入熔断器也不会短路故障，单元故障的概率降低，可靠性提高。

--自愈式薄膜电容耐压高，不需要串联，可以减少电容数量。不用考虑电容的均压问题，无电容均压电阻的损耗。电容介质损耗小，因此单元损耗小，整机效率提高。

4.9自适应升降速功能

变频器增加自适应升降速功能，能够自动判断负载工况，根据负载的变化，自动增加或降低升降速时间。在升速过程时，检测负载功率和变频器各项参数，根据指令频率进行升速速率的自动调整，可以使升速时间缩短，节约宝贵的行程周期；在降速过程时，检测负责功率和变频器各项参数，根据指令频率进行降速速率的自动调整，在变频器自身安全的前提下，使得降速时间短。

4.10功率单元智能旁通及自恢复功能

变频器单元旁通技术较为成熟，一般的变频器厂家均有配置。方案一般为在功率单元中配置可控硅进行旁通，这种旁通技术存在一个主要的问题：一旦发生某一级单元发生故障，单元进入旁通状态，需要等到变频器重新启动时才能解除旁通状态。而东方日立采用功率单元本身的IGBT回路进行旁通，在单元中无需配置可控硅、快速开关等额外的器件，避免额外风险。我方专利技术的突出点在于单元旁通后可自动判断故障是否解除，如果故障解除便可自动投入运行，无需重新启动变频器，省却一大烦恼。

例如：单元过热故障引起的单元旁通。根据我们的实际运行经验，单元过热往往是由于单元防尘滤网过脏导致通风不畅引起的。而当用户更换滤网后引起故障的外因消失，单元将回复正常，这时系统检测到故障消失，利用单元智能旁通技术使处于旁通状态的单元解除旁通状态，恢复正常运行。

功率单元智能旁通及自恢复功能技术优势如下：

——功率单元主回路简单可靠，采用专利IGBT智能驱动技术实现功率单元主回路旁通功能，技术方案更加稳定、可靠；

——允许功率单元故障消失后，变频器在运行状态下恢复旁通单元的运行，无需进行停机复位操作；

——采用专利“注入三次谐波电压提升技术”，在单元处于旁通状态时，保证变频器输出。

4.11瞬时停电再启动功能

实际现场中，当高压母线进行切换、母线上电动机成组自起动、母线上大电机起动时会造成高压电网瞬间闪动，变频器若不具备瞬停功能，会立即停机，而电机带负载会存在机械惯性，在电源恢复后电动机的速度尚未降到零，等待重新起动又会经过相当长的时间，会给生产造成重大的经济损失。DHVECTOL系列变频器具备的瞬时停电再起动功能，可以根据电源恢复时电动机自由旋转的实际速度计算出对应的输出频率，以此频率为起始频率使电动机重新起动并加速到停电前的运行状态，以适应不允许停电设备的需要。现场测试瞬时停电再启动的电流波形如下图所示。

 

瞬停再启动时电流波形

4.12轴系扭振抑制控制技术

轴系扭振的原理

l 轴系扭振是由于轴系本身具有扭振的固有频率，在电源驱动下会产生扭振，扭振会反应到电动机的定子电流上；

l 当电源容量足够大时，扭振引起的电流振荡不会对电源造成影响，所以一般工频运行时很少发生轴系损坏；

l 当变频器容量与电动机相当时，扭振引起的电流波动会导致变频器输出电压波动，加剧扭振现象，导致轴系损坏；

 

轴系扭振的原理

轴系扭振解决控制方法

为解决轴系扭振的问题，东方日立采用了基于控制技术的轴系扭振抑制，包括变频器谐波抑制技术，低频振荡抑制技术，电流补偿技术等。轴系扭振抑制功能可以大大降低大容量风机轴系损坏的几率，极大的提高系统的运行可靠性。

 

轴系扭振解决控制技术

l 为了从变频器侧解决扭振问题，需要从变频器输出电流中分离出轴系的扭振频率信息。

l 对扭振产生的电流振荡进行闭环控制，产生对应的电压指令信号，对电流振荡进行抑制。

l 同时将间谐波的信息送到人机界面或上位系统作为报警。

实时在线扭振监测系统

实时在线扭振监测系统由转速传感器、在线监测仪、分析系统构成，在线检测仪通过轴系转速的变化量计算出轴系扭振的幅度，当轴系扭振幅度过大时通过分析系统上报变频器和用户上位系统。

 

轴系扭振在线监测分析系统集实时数据采集和处理、在线数据分析和存储、轴系扭振的故障诊断与分析功能于一体。主要针对旋转机械设备的轴系扭振故障分析，可以实时采集、记录和阶次分析轴系相关参数，包括：转速、扭角等。

轴系扭振在线监测采集仪是一款高性能的扭振监测设备，分别可提供2个测试通道和多个测试通道（多通道增加扩展采集卡，兼容5V和24V可选），针对旋转机械结构监测扭转振动情况，提供旋转设备实时转速以及20阶的扭角数据，分辨率在0.5阶。

轴系扭振在线监测采集仪内部集成了嵌入式控制器和操作系统，内部集成软件以及硬件看门狗，保证监测不被间断。使用高速以太网与路由器、交换机、工控机或服务器相连，高速以太网保证了数据无失真发送，方便接入用户组网系统。

主要功能：

Ø 可根据不同项目测试对象进行项目管理

Ø 主界面配置编码器线圈数

Ø 采样率根据监测和试验进行选择，高速采样时可以达到0.5RPM的分辨率。

Ø 界面同时显示转速变化、阶次信息变化、扭振角时域变化以及指定阶次时间变化

Ø 存储数据原始数值

Ø 可以对数据进行回放，根据不同阶次进行分别回访，也可以同时回放

Ø 回放可显示阶次-转速-扭角3D视图，强度图，方便全局分析

 

 

轴系扭振监测分析采集仪:

n 参数特点

Ø CPU:ARMContex-A9双核667MHz          

Ø 尺寸紧凑：TBD

Ø 通信接口：以太网

Ø 通道监测，200MHz采样

Ø 采集电压信号支持5V~28V

Ø 20阶扭角显示，分辨率0.5阶

Ø 支持远程调试、远程桌面

Ø 复杂环境，-40°C~70°C宽温

Ø Linux-RT系统，稳定运行

Ø 看门狗

n 采集仪组成

采集仪由主机和外部信号接口板组成

主机：

外形尺寸：250×200×84

安装方式：嵌入式、壁挂式、桌面

工作温度：-10℃~50℃

n 外部接口单元（外部信号接口板）

安装方式：轨道安装

 

供电方式：无源

 

n 接线原理

n 外部信号接口

主机至上位机数据传输用TCP/IP协议

n 系统供电

主机供电：DC8~36V（也可单独提供直流电源，220V供电）

编码器供电：DC24V

n PLC扭振在线监测界面

多通道扭振监测采集仪

n 采集仪组成

采集仪由主机和转速输入卡组成

主机：8卡槽

CPU:ARMContex-A9双核667MHz

转速输入卡：

采集信号：5V~28V电压信号

20阶扭角显示，分辨率0.5阶

通道监测，200MHz采样

n 接线原理

n 使用环境

环境温度：-40℃~70℃

环境湿度：10%~90%(无凝结)

n 扭振在线监测界面

 

n 扭振在线监测分析界面

 

时域扭振曲线图速度-阶次曲线图

 

扭振曲线3D显示扭振曲线强度图

4.13降低电机磨损,延长电机和轴承使用寿命，节省维护费用

使用DHVECTOL系列变频器降低电动机转速不仅能达到较好的节能目的，而且电动机及其负载的机械磨损也大大降低，延长电机的使用寿命，还可明显为用户节省维护费用。

4.14可靠性高，维护方便

DHVECTOL系列变频器采用单元模块化技术方案，便于设备的维护和维修。IGBT模块的驱动和保护采用高可靠性专用驱动模块电路，电子元件和部件均通过高温老化试验。

DHVECTOL系列变频器变频单元组件具有互换性，若出现故障，可在几分钟内用简单工具进行更换维修。

5 应用实例

某发电有限责任公司2×600MW机组1号、2号机组于2009年11月和2010年2月投产，机组运行稳定，发电机组在低负荷运行时、引风机系统设计余量大、风机挡板调节风量效率低等因素，造成大量能源损耗、致使机组运行成本增高。为达到节能降耗、降低成本的目的，2022年对1号引风机变频改造，变频器选用了东方日立（成都）电控设备有限公司生产的DHVECTOL-HI10000/10大功率高压变频器，提高引风机系统安全、稳定性，降低厂用电率。

（1）引风机主要技术参数

1号机组锅炉配置2台现中国电建集团透平科技有限公司（原成都电力机械厂）生产的HU27454-222G型动叶调节轴流式引风机，风机设计转速为745r/min，引风机及配套电机设备规范表，引风机性能曲线图。

引风机及配套电机设备规范表

 

1号机组引风机性能曲线

（2）引风机能耗分析

1号机组为600MW燃煤机组，锅炉烟气系统流程：省煤器出口-烟气脱硝-空气预热器-除尘器-引风机-脱硫系统-烟囱。现有引风机为2017年引增合一改造后配置的全新设备，引风机即要克服其进口系统前阻力、又要克服其出口后系统阻力，通过叶轮旋转做功将锅炉燃烧产生的烟气排入大气。

1号机组锅炉系统运行参数

注1：引用发电公司#1机组电度日报表整点数据。

实际运行中，现有引风机在满负荷时最大开度为63%左右。从动叶调节风机特性判断现有引风机在中、低负荷运行效率低，有很大节能空间。

在机组负荷600MW工况下，#1机组引风机电流在322～326A。两台引风机电机电流最大不超过330A。

则引风机电动机的实际运行最大功率为：330×10×1.732×0.87＝4972kW

冗余容量为：8500-4972＝3528kW

在机组负荷300MW工况下，引风机电流在185-187A之间，电动机的实际运行最大功率为：187×10×1.732×0.87＝2817kW

冗余容量为：8500-2817＝5683kW

通过引风机试验数据分析，在机组满负荷运行时，引风机却在60％左右额定负荷下运行，其最大出力下的实际电流与额定电流之比只有0.6左右，说明该引风机选型富裕量过大，引风机长期处于低出力区域运行，明显增加了锅炉辅机厂用电耗率，影响机组的发供电煤耗升高，降低了机组的经济性。对开展机组节能降耗工作，产生了突出的负面影响。

（3）改造后节能效果明显

该发电公司于2022年12月7日完成1号引风机变频器改造项目实施，机组投入运行。机组投运后，引风机变频器100%投入，在变频运行方式下其电流下降，节能效果明显。2023年2月1号机引风机变频改造后性能试验结果如下。

引风机各个工况能耗对比

从指标上体现该项目达到了目标预期，有效的节约了厂用电率，提高了企业的经济效益，实现了良好的节能效果，达到预期指标。

6 结束语

随着我国大力推动煤电机组综合节能升级改造工作的深入进行，在国家碳达峰、碳中和的政策背景下，电厂面临深度调峰工况下运行、超低排放等严峻形势，引风机变频调速改造具有非常大的节能优势，值得大力推广。

 

 

[1] 产品技术手册 东方日立（成都）电控设备有限公司

[2] 重大技术改造项目后评估报告 西安热工院研究有限公司