英威腾CHH100系列高压变频器在电厂引风机上的应用
关键词：
高压变频器 引风机 节能降耗
引言
高压交流变频调速技术是上世纪90年代迅速发展起来的一种新型电力传动调速技术，主要用于交流电动机的变频调速，其技术和性能胜过其它任何一种调速方式（如降压调速、变极调速、滑差调速、内反馈串级调速和液力耦合调速）。变频调速以其显著的节能效益、高精确的调速精度、宽范围的调速范围、完善的电力电子保护功能，以及易于实现的自动通信功能，得到了广大用户的认可和市场的确认，在运行的安全可靠、安装使用、维修维护等方面，也给使用者带来了极大的便利和快捷的服务，使之成为企业采用电机节能方式的首选。
山西某发电厂一期两台机组为500MW汽轮发电机组，两台机组锅炉分别装有两台引风机，均为轴流风机，风量调节为入口挡板调节方式；机组运行中，引风机的入口挡板开度最大不到85%左右。由于这样的调节方法仅仅是改变通道的流通阻力，而驱动源的输出功率并没有改变，节流损失相当大，浪费了大量电能。致使厂用电率高，供电标煤耗高，发电成本不易降低。同时，电机启动时会产生5～7倍的冲击电流，对电机构成损害。锅炉引风机系统自动化水平低，不能及时调节，运行效率低。为此采用变频调节方式对风机系统进行改造，以减少溢流和节流损失，提高系统运行的经济性。
山西某发电厂一期两台机组为500MW汽轮发电机组，两台机组锅炉分别装有两台引风机，均为轴流风机，风量调节为入口挡板调节方式；机组运行中，引风机的入口挡板开度最大不到85%左右。由于这样的调节方法仅仅是改变通道的流通阻力，而驱动源的输出功率并没有改变，节流损失相当大，浪费了大量电能。致使厂用电率高，供电标煤耗高，发电成本不易降低。同时，电机启动时会产生5～7倍的冲击电流，对电机构成损害。锅炉引风机系统自动化水平低，不能及时调节，运行效率低。为此采用变频调节方式对风机系统进行改造，以减少溢流和节流损失，提高系统运行的经济性。
锅炉引风机高压变频调速系统构成
1.锅炉引风机的运行工况及特点
根据目前设备配置和运行状况，风量随机组负荷变动，当需要调节风量时，由于风机的型号在早期已经选定，故只能通过入口挡板开度来解决风量的问题，造成极大浪费，同时由于这些调节装置的响应速度，及与风量的非线性关系，使得同机组DCS系统配合不利，自动化水平大大降低。有鉴于此，将每台炉的引风机改为变频驱动。风量由DCS或手动给定4～20mA信号调节。
2.锅炉引风机高压变频调速系统构成
CHH100-2200-6（适配2200kW/6kV电机）高压变频器1台、系统旁路开关柜（2200kW）1台（手动，用于变频/工频切换）、2台500MW机组配置引风机4台，采用“一拖一”变频控制，共有4套引风机变频调速系统。
CHH100-2200-6变频器参数如下：
CHH100-2200-6（适配2200kW/6kV电机）高压变频器1台、系统旁路开关柜（2200kW）1台（手动，用于变频/工频切换）、2台500MW机组配置引风机4台，采用“一拖一”变频控制，共有4套引风机变频调速系统。
CHH100-2200-6变频器参数如下：
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变频器容量（kVA）
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2250
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模拟量输入
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3路模拟量输入AI1、AI2、AI3
AI1、AI2：0～10V/0～20mA
AI3：-10V～10V
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适配电机功率（kW）
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2200
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模拟量输出
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4路模拟量输出AO1～AO4
输出范围：
AO1、AO2：0～10V
AO3、AO4：0～10V/0～20mA
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额定输出电流（A）
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220
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加减速时间
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0.1～3600s
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输入频率（Hz）
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45～55
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控制开关量输入输出
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16路数字量输入
8路继电器输出
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额定输入电压（V）
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6000V±10%
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运行环境温度
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-10℃ ～+40℃
（＞40℃加装强制风冷单元）
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输入功率因数
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0.95（>20%负载）
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贮存/运输温度
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-40～70度
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变频器效率
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额定负载下>0.96
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冷却方式
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强迫风冷
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输出频率范围（Hz）
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0～120
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环境湿度
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5~95%，无凝露
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输出变频分辨率（Hz）
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0.01
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安装海拔高度
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<1000m
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高速脉冲输入输出
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范围：0～50KHZ
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噪音水平
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＜小于75dB
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过载能力
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变频器过载：120% 60s；电机过流保护：150%
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防护等级
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IP20
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3.锅炉引风机高压变频调速系统特点
风机调速是由电厂操作人员通过DCS系统的CRT上的模拟操作器，参照烟气温度、锅炉蒸汽温度、负压等参数，对DCS的输出值进行调节，此输出值为反馈给变频器的4～20mA标准信号，对应不同的频率（速度）给定值，变频器通过比较转速输出量与DCS速度给定之间的大小，自动调节电机的转速，实现风机转速控制，从而达到调节的目的。
在此基础上，经过一段时间的积累，可将不同负荷和温度下的给定值绘制成曲线，定出安全的上下限，制成风机调速专用算法，同时利用热工一次测量元件，将采集的负荷和温度参数及负压的变化值送到机组DCS系统中，在机组DCS系统中，进行控制运算，将计算结果形成4～20mA的速度给定指令信号，反馈给变频器，变频器通过比较转速输出量与DCS速度给定之间的大小，自动调节电机的转速，实现风机的转速自动控制。
锅炉引风机变频系统具有如下特点：锅炉引风机变频系统，既可以变频调速运行，也可以直接投工频运行；为变频器提供的交流220V控制电源掉电时，由于变频器的控制电源和主电源没有相位及同步要求，变频器可以使用UPS和直流供电继续运行，不会停机；在现场DCS速度给定信号掉线时，变频器提供报警的同时，可按原转速继续运行，维持机组的工况不变；变频器配置单元旁路功能，在局部故障时，变频器可将故障单元旁路，降额继续运行，减少突然停机造成的损失；保留原电机继续使用，不改变原有风机设备任何基础；和电厂的DCS系统实现无缝连接。
■ 锅炉引风机变频调速节能分析计算
1.风机变频调速的节能原理
当采用变频调速时，可以按需要升降电机转速，改变风机的性能曲线，使风机的额定参数满足工艺要求，根据风机的相似定律，变速前后风量、风压、功率与转速之间的关系为：
Q1/Q2=N1/N2
H1/H2=(N1/N2) 2
P1/P2= (N1/N2) 3
Q1、H1、P1—风机在N1转速时的风量、风压、功率
Q2、H2、P2—风机在N2转速时相似工况下的风量、风压、功率
假如转速降低一半，即：N2/N1=1/2，则P2/P1=1/8，可见降低转速能大大降低轴功率达到节能的目的。当转速由N1降为N2时，风机的额定工作参数Q、H、P都降低了。但从效率曲线л-Q看，Q2与Q1点的效率值基本是一样的。也就是说当转速降低时，额定工作参数相应降低，但效率不会降低，有时甚至会提高。因此在满足操作要求的前提下，风机仍能在同样甚至更高的效率下工作。
假如转速降低一半，即：N2/N1=1/2，则P2/P1=1/8，可见降低转速能大大降低轴功率达到节能的目的。当转速由N1降为N2时，风机的额定工作参数Q、H、P都降低了。但从效率曲线л-Q看，Q2与Q1点的效率值基本是一样的。也就是说当转速降低时，额定工作参数相应降低，但效率不会降低，有时甚至会提高。因此在满足操作要求的前提下，风机仍能在同样甚至更高的效率下工作。
降低了转速，风量就不再用关小风门来控制，风门始终处于全开状态，避免了由于关小风门引起的风力损失增加，也就避免了总效率的下降，确保了能源的充分利用。
工频50Hz电网直接启动，对电网和机械冲击较大，声响很大，估算其启动一次的损耗：WS=0.5JωO2(1+R1/R2)TM/ TM- TL，离心风机负载的平方转矩特性与异步电动机起动时的机械特性曲线部分相似，可以TM/ TM- TL =1计。而变频软起动损耗很小，只有上述WS的1/10，则每年的起动节能也是很可观的。
当采用变频调速时，50Hz满载时功率因数为接近1，工作电流比电机额定电流值要低许多，这是由于变频装置的内滤波电容产生的改善功率因数的作用，可以为电网节约容量20%左右。
2.锅炉引风机高压变频调速节能分析计算工频50Hz电网直接启动，对电网和机械冲击较大，声响很大，估算其启动一次的损耗：WS=0.5JωO2(1+R1/R2)TM/ TM- TL，离心风机负载的平方转矩特性与异步电动机起动时的机械特性曲线部分相似，可以TM/ TM- TL =1计。而变频软起动损耗很小，只有上述WS的1/10，则每年的起动节能也是很可观的。
当采用变频调速时，50Hz满载时功率因数为接近1，工作电流比电机额定电流值要低许多，这是由于变频装置的内滤波电容产生的改善功率因数的作用，可以为电网节约容量20%左右。
（1）设备参数
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设备名称
|
引风机
|
|
风机型号
|
ARB4500-2A/90
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流量（105Nm3/h）
|
20.376
|
|
全压（pa）
|
1256
|
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电动机型号
|
YKK2200-16
|
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电动机功率Pdn（kW）
|
2200
|
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电动机转速N0(r/min)
|
372
|
|
电动机电压U0（kV）
|
6
|
|
电动机电流I0（A）
|
292
|
|
电动机功率因数
|
0.84
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（2）发电机不同负荷下风机运行参数统计
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引风编号
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机组负荷(MW)
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302
|
350
|
457
|
499
|
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A
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开度（%）
|
53
|
85
|
69.7
|
74
|
|
电机电流（A）
|
168.5
|
191
|
182.4
|
185.7
|
|
|
B
|
开度（%）
|
52
|
85
|
69.3
|
72.2
|
|
电机电流（A）
|
168.2
|
189
|
177.6
|
180
|
（3）引风机节能效果分析计算
工频情况的功率计算：由于在运行过程中，炉侧需根据机组负荷变化的要求同时调整A、B风机完成过程控制量的调节，且A、B风机运行性能指标一致；因此可以对A、B引风机运行数据分别合并处理。并且采用流量百分比和挡板开度之间关系的变化趋势曲线对引风机的变频功耗进行推倒。
Pd：电动机功率；U：电动机输入电压；I：电动机输入电流；COSφ：功率因数。计算公式：Pd=1.732×U×I×COSφ。根据公式，由电机的Pdn、I0、U0可计算得出COSφ值。引风机数据处理后得下表：
工频情况的功率计算：由于在运行过程中，炉侧需根据机组负荷变化的要求同时调整A、B风机完成过程控制量的调节，且A、B风机运行性能指标一致；因此可以对A、B引风机运行数据分别合并处理。并且采用流量百分比和挡板开度之间关系的变化趋势曲线对引风机的变频功耗进行推倒。
Pd：电动机功率；U：电动机输入电压；I：电动机输入电流；COSφ：功率因数。计算公式：Pd=1.732×U×I×COSφ。根据公式，由电机的Pdn、I0、U0可计算得出COSφ值。引风机数据处理后得下表：
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机组负荷(MW)
|
302
|
350
|
457
|
499
|
|
平均开度值（%）
|
52.5
|
85
|
69.5
|
73.1
|
|
电机电流和（A）
|
336.7
|
380
|
360
|
365.7
|
|
总功率（kW）
|
2939.15
|
3317.13
|
3142.54
|
3192.30
|
通过对上述数据中总功率和挡板平均开度之间关系的变化趋势分析，可以看出风门挡板开度和总功率之间略呈线形关系。如下图所示：
 |
现取457、499MW负荷点的平均开度百分比和电动机总功率数据对100%开度情况下的总耗电功率数据特性趋势进行计算，并且推测出100%开度情况下的总耗电功率值：
P100=(3192.30-3142.54)/(73.1-69.5)×(100-73.1)+3192.73=3935.89kW
即：100%挡板开度电动机全速运行情况下的实际总功率为3935.89kW。
变频情况下的功率计算及节电率分析：风机设备属平方转矩负载，其转速N与流量Q，压力H以及轴功率P具有如下关系：Q∝N,H∝N2,P∝N3,即，流量与转速成正比，压力与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。通过风机数据，依据P//Pdn=( N // N0)3=(Q//Q0)3公式可依次求得风机在采用变频调速运行时各负荷对应的风机总功耗。Pdn为挡板100%全开情况下的功率值等于P100。对于风机负载，风门开度的比值可近似看成是风量的比值。
则变频运行情况下，较工频运行情况下的节电率：л= (Pd- Pb)/ Pd×100%。根据上述公式可得下表结果：
P100=(3192.30-3142.54)/(73.1-69.5)×(100-73.1)+3192.73=3935.89kW
即：100%挡板开度电动机全速运行情况下的实际总功率为3935.89kW。
变频情况下的功率计算及节电率分析：风机设备属平方转矩负载，其转速N与流量Q，压力H以及轴功率P具有如下关系：Q∝N,H∝N2,P∝N3,即，流量与转速成正比，压力与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。通过风机数据，依据P//Pdn=( N // N0)3=(Q//Q0)3公式可依次求得风机在采用变频调速运行时各负荷对应的风机总功耗。Pdn为挡板100%全开情况下的功率值等于P100。对于风机负载，风门开度的比值可近似看成是风量的比值。
则变频运行情况下，较工频运行情况下的节电率：л= (Pd- Pb)/ Pd×100%。根据上述公式可得下表结果：
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机组负荷(MW)
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302
|
350
|
457
|
499
|
|
平均开度（%）
|
52.5
|
85
|
69.5
|
73.1
|
|
变频总功率（kW）
|
569.5351
|
2417.127
|
1321.287
|
1537.428
|
|
节电率（%）
|
80.62
|
27.13
|
57.95
|
51.84
|
结束语
随着厂网分开，竞价上网日趋激烈，如何降低发电成本、提高发电企业竞价上网的竞争能力、加强内部管理、挖潜节能是电厂必须认真研究的一件大事，采用高压变频器对电厂高能耗用电设备如：送风机、引风机、给水泵、循环水泵等技术改造，不仅能收到直接的降低厂用电、降低供电煤耗，增大上电网电量带来的直接经济效益，而且设备乃至机组的安全可靠性提高，减少机组故障带来的隐形经济效益。高压变频器技术在发电厂有值得推广应用的广阔空间。
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