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案例頻道 【摘 要】：本文主要介紹北京利德華福電氣技術有限公司生產的HARSVERT系列高壓變頻器在循環流化床鍋爐風機上的應用，應用于梅州寶麗華集團荷樹園發電廠，主要涉及改造的風機有：引風機、一次風機、二次風機、硫化風機等。通過現場的實際應用，采用變頻調速技術來控制風機系統的風量和風壓，不僅可以起到節約能源的作用，還可以提高其控制精度和縮短響應時間，從而使風機系統運行更加合理可靠。
【關鍵詞】：高壓變頻器、循環流化床鍋爐、引風機、一、二次風機、流化風機。
一、 企業概況：
廣東寶麗華電力有限公司（以下簡稱公司），是廣東寶麗華新能源股份有限公司（深圳證券交易所上市公司，證券簡稱：寶新能源，證券代碼：000690）全資子公司，下設梅縣荷樹園電廠。
根據寶新能源核心主業新能源電力"1221"（即一個核心：新能源電力；兩大業務板塊：潔凈煤燃燒技術發電和可再生能源發電；兩大能源基地：梅縣荷樹園電廠資源綜合利用潔凈煤燃燒技術發電基地和陸豐甲湖灣清潔能源基地；形成1000萬千瓦裝機規模）發展計劃，公司梅縣荷樹園電廠是寶新能源兩大能源基地之一的資源綜合利用潔凈煤燃燒技術發電基地，規劃總裝機規模147萬千瓦。其中，2003年開始建設的梅縣荷樹園電廠一期工程資源綜合利用技術改造項目2×135MW煤矸石劣質煤發電機組（以下簡稱一期工程）是當時廣東省第一家采用先進循環流化床潔凈煤燃燒技術綜合利用煤矸石劣質煤發電、單機容量最大的資源綜合利用項目，2005年5月、9月一期工程投入運營，創造了業內建設最快、效益最佳、環境最好的奇跡。梅縣荷樹園電廠二期工程2×300MW資源綜合利用循環流化床發電機組，采用國內首臺具有自主知識產權的國產300MW等級的循環流化床鍋爐，同時也是世界上單機容量最大的第一臺投產運行的單爐膛300MW等級的循環流化床鍋爐，已于2008年6月、8月投產。梅縣荷樹園電廠三期工程2×300MW資源綜合利用循環流化床發電機組，已于2010年1月獲得國家發改委批準，現正在做前期工作，計劃2010年12月開工，2012年6月投產發電。
為綜合循環利用資源，公司梅縣荷樹園電廠以綜合利用煤矸石發電為主，以灰渣回收再利用開發新型建筑材料為輔，配套建設的新型綜合利用環保建材廠第一條隧道窯生產線已建成投產，全部生產線達產后可年產3.6億塊灰渣磚，初步形成了煤矸石-發電-灰渣磚（水泥填充材料）的循環經濟產業鏈條，實現了經濟效益、社會效益和生態效益的有機結合。
梅縣荷樹園電廠的建設，是寶新能源實施差異化競爭策略、進行錯位發展、打造中國上市公司中新能源電力龍頭的重要清潔能源基地，對梅州推動綠色崛起、實現科學發展，對建設資源節約型、環境友好型社會起到了積極地促進作用。
二、關于循環流化床鍋爐（CFB）的介紹
鍋爐的燃燒方式的三種形式：層燃（火床燃燒）、室燃（懸浮燃燒）、沸騰燃燒（介于前兩者之間）。循環流化床屬于沸騰燃燒方式，即所謂的半懸浮燃燒方式，適用于燃燒顆粒狀固體燃料。
在循環流化床鍋爐中，存有大量床料，首次啟動時人為添加床料，在鍋爐運行時床料主要由煤中的灰、未反應的石灰石、石灰石脫硫反應產物等構成。床料在從布風板下送入的一次風的作用下處于流化狀態，煤粒、床料及石灰石被煙氣夾帶在爐膛內向上運動，在爐膛的不同高度部分大顆粒將沿著爐膛邊壁下落，形成物料的內循環；較小固體顆粒被煙氣夾帶進入分離器，進行分離，絕大多數顆粒被分離下來，一部分通過回料閥直接返回爐膛，另一部分通過外置式換熱器后返回爐膛，形成物料的外循環；飛灰隨煙氣進入尾部煙道。通過爐膛的內循環和爐外的外循環，從而實現燃料不斷的往復循環燃燒。
2.1循環流化床鍋爐技術的優缺點：
優點：燃料適性好、燃燒效率高、氣體污染物排放低、負荷調節范圍大、飛灰和爐渣可綜合利用等；循環流化床技術是目前最成熟，并已經商業化運行的潔凈煤燃燒技術，在燃用劣質燃料和污染控制方面得到廣泛的商業應用。
缺點：由于流化床獨有的布風板裝置和飛灰再循環燃燒系統，使送風系統的風壓一般運行在10KPA以上。由于風壓的增大，使得鍋爐受熱面、耐火防磨內襯材料、風帽等系統的磨損度比一般的高，冷渣器的落渣堵塞，燃煤粒徑過大，灰渣含碳量高、蒸汽溫度難以保證，由于風壓的增大，也使得循環流化床鍋爐風機電耗大，煙風道阻力高缺點。一般循環流化床鍋爐用電比率比煤粉爐至少高4%－5%以上。
循環流化床鍋爐的風煙系統：
循環流化床鍋爐示意圖如圖所示。
循環流化床鍋爐示意圖
循環流化床鍋爐通過一次風機（有的鍋爐一、二次風機共用，稱為送風機或者鼓風機），將先經過空氣預熱器加熱過的熱空氣，送入爐膛，主要是流化爐內物料，同時提供爐膛下部密相區燃料燃燒所需要的氧氣。對于容量較大的流化床鍋爐，還專門設計有多臺流化風機，起到流化爐內物料的作用。同時，通過二次風機，提供補爐內燃料燃燒所需要的氧氣并加強物料的摻混，還對整爐內溫度場合的分布。爐膛里燃燒后的煙氣，通過循環灰分離器，飛灰回送裝置等，將燃燒未完充分的煙氣循環燃燒，廢氣最后經過除塵器，通過引風機排入大氣中。
2.2循環流化床風機系統控制難點：
由于循環流化床鍋獨特的燃燒特性，使得其對風量和風壓的控制的要求更高：
A、通過一次風壓與風量的保證物料在爐膛內的正常流化，并要使風量與燃料量相匹配，以保證燃燒的經濟性；
B、必須使引風量與送風量相匹配以維持爐膛壓力在正常范圍內（一般為較小負壓），以保證鍋爐的安全性。為了保證物料的流化，循環以化床鍋爐所配置的一次風機的風壓都較高。
循環流化床鍋爐的燃燒要求以上各風機的風量需要隨時調整，以保證鍋爐正常高效燃燒。但對于傳統設計上的風機，一般均采用入口導流器（即擋板或者風門）的開度調節風壓與風量。由于一般設計的風量、風壓均按需求比額定工況留有較大裕量，因此一般風機選型和電動機的選型偏大，運行中又由于負荷的變化可能經常需要調節，實際風門開度在30%~90%之間調整，且風門調節的風量線性度不好，在進行風門開度調節時經常出現風量變化異常情況，調節的響應速度也跟不上，加大了調節的難度。再者通過風門調節風量，使得風機經常工作的低效區，浪費大量能源。
三、循環流化床風機系統的變頻改造
對于大容量的循環流化床鍋爐，采用的是雙風機系統，其可靠性要求與普通煤粉鍋爐相同，當一臺風機（變頻器）故障時，不至于引起鍋爐滅火，只是會引起比較大的擾動，并會甩掉一部分負荷。為將擾動降到最小，所以對于大容量的循環流化床風機的一、二次風機、引風機的變頻改造采用了“一拖一”自動旁路控制系統，而對于兩用一備用流化風機，考慮到經濟性，則采用“一拖一”手動旁路的控制系統，以下本文簡單介紹HARVEST系列的變頻器及兩種控制系統在循環流化床風機上的應用。
3.1HARVEST系列高壓變頻器的介紹：
HARVEST系列高壓變頻器典型結構
北京利德華福電氣技術有限公司的HARVEST系列為單元串聯多電平高壓變頻器，采用多個獨立的低壓功率單元串聯來實現高壓輸出，主要包括移相變壓器與功率單元兩大部分。并輔以其他控制系統，如主控箱、PLC等，讓變頻器的運行狀態能夠實時記錄，并有完整的保護功能。
A、移相變壓器，主要功能為將輸入電壓降為700V左右的電壓，供給功率模塊，并通過多重化設計，使得變壓器二次側各繞組的諧波電流相互抵消，基本上消除了變頻器對電網的諧波污染。
B、功率單元是整臺變頻器實現變壓變頻輸出的基本單元，每個功率單元都相當于一臺交－直－交電壓型單相輸出的底壓變頻器，輸出等幅的PWM波形，但每個功率單元相互間有確定的相位偏移，串聯疊加以后，在變頻器輸出側得到的是正弦階梯狀PWM波。
C、變頻器的控制采用DCS遠程控制，通過一路4-20MA模擬量，直接控制變頻器的輸出轉速，以達到控制風機風壓、風量的目的。在DCS側，通過自動控制程序，根據負荷、爐膛壓力等數據進行自動調節控制。
D、變頻器控制電源采用兩路交流220V電源，兩路電源互為備用，在其中一路電源失電之后可以進行無擾切換，并將報警信號送至DCS，方便檢修人員的故障排除。
E、變頻器冷卻采用空水冷方式冷卻加空調輔助冷卻，變頻器散熱的熱風，通過水冷器進行熱交換，又回到室內繼續循環，采用空水冷方式冷卻，變頻器室實際與外界沒有空氣交換，對變頻器室的環境起好很好的改善效果，同時，在后期維護上，空水冷相對于其他散熱方式，如空調循環，維護量都相對應少很多。在變頻室內還安裝有空調，在空水冷設備正常投入使用的情況下，空調只做為備用。
3.2“一拖一”手動旁路變頻改造介紹，主要應用負載為流化風機：
如圖所示，“一拖一”手動旁路變頻器一次回路由三個手動刀閘構成，變頻器輸入刀閘QS1，變頻器輸出刀閘QS2，工頻旁路刀閘QS3。并且三個刀閘之間有完整的互鎖功能：變頻器輸出刀閘QS2與工頻旁路刀閘QS3之前的機械互鎖，其中一個合閘之后，另一個不能合閘，主要是防止兩個刀閘同時合閘時，變頻器的反送電，導致變頻器功率單元的損壞。
循環流化床鍋爐的流化風機一般是三到五臺，主要看爐膛及風煙管道的結構及配套風機功率大小，寶麗華電廠流化風機為三臺，正常運行情況下為兩用一備，其中備用流化風機變頻器處于熱備用狀態，即變頻器的輸入刀閘QS1與輸出刀閘QS2為合閘狀態，且高壓開關QF在合閘狀態，變頻器處于高壓帶電待機狀態，在其他兩臺風機或者變頻器如果出現故障時，可以隨時啟動備用風機，立即投入使用，再將故障風機退出運行檢修，檢修完畢后再投入備用。
由于流化風機是兩用一備，在其出現故障之后可以立即開啟備用風機，留有充裕的檢修時間，所以考慮到經濟狀態，采用“一拖一”手動旁路系統即可滿足連續生產的要求。
3.3“一拖一”自動旁路變頻改造介紹，主要應用負載為引風機，一、二次風機：
如圖所示，“一拖一”自動旁路變頻器一次回路由兩個手動刀閘及三個真空接觸器構成，變頻器輸入刀閘QS1，輸入接觸器KM1，變頻器輸出刀閘QS2，輸出接觸器KM2，工頻旁路接觸器KM3。要檢修變頻器時，可以將手動刀閘QS41與QS42斷開，形成明顯的斷點，以確保安全。變頻運行時，合上KM41與KM42，當變頻器出現故障時，系統會自動分斷KM41與KM42，并延時合上KM43，電機以工頻狀態運行。
雖然對于雙風機循環流化床鍋爐系統，其中一臺風機有故障時，鍋爐并不會熄火，只需要降負荷運行。為保證系統的連續運行，引風機，一、二次風機采用“一拖一”自動旁路系統，在變頻器發生故障時，變頻器將自動將KM41與KM42分閘，并發“重故障”狀態信號至DCS，DCS接到變頻器“重故障”狀態信號之后，開始發出關風門指令，當風門關到一定開度時，變頻器自動合上KM43，此時風機以工頻狀態運行。
在經過現場多次的試驗后，當變頻器出現故障時，此時風門開度最好關到30%左右為最佳值，此時再將風機以工頻狀態運行起來，對整個鍋爐系統的影響最小。在多次試驗風門開關速度以后，確定了變頻器故障切換工頻的時間，即當變頻器出現故障之后立刻開始計時，并分閘KM41與KM42，同時發“重故障”信號至DCS，DCS開始執行關風門邏輯，在經過29秒之后，風門大概關至30%開度，此時變頻器自動將KM43合閘，風機恢復工頻運行。
所以，對于引風機、一、二次風機系統來說，當變頻器有故障時，只有大概30秒左右的負荷壓力波動時間，即可以恢復到雙風機運行狀態。這樣可以保證系統的連續運行。
可能對于不同現場來說有不一樣的運行工況，可能風門的機械動作時間也不盡相同，HARSVERT系列變頻器可以從界面上面自由設定切換工頻的時間，以滿足不同現場的工況的要求。
四、結束語：
對于寶麗華集團荷樹園電廠變頻器的改造情況來看，循環流化床鍋爐風機系統的變頻改造取得了很好的效果，方便了運行人員的調節，整個鍋爐運行工況相對于工頻狀態下穩定得多，再者，通過變頻改造，也降低了廠用電比率，起到很好的節能效果。
參考文獻資料：
1、 倚鵬 主編，高壓大功率變頻器技術原理及應用，人民郵電出版社，2008.2第一版
2、 中國動力工程學會編，火力發電設備技術手冊，北京：機械工業出版社，1999
3、 廣東寶麗華電力有限公司介紹
現場圖1
現場圖2
現場圖3
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號