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1 概述
在火力發電廠中，風機和水泵是最主要的耗電設備，這些設備都是長期連續運行并常常處于變負荷運行狀態，節能潛力巨大。發電廠輔機的經濟運行，直接關系到廠用電率的高低。隨著電力行業改革的不斷深化，廠網分家、競價上網等政策的逐步實施，降低廠用電率，降低發電成本，已成為發電廠努力追求的經濟目標。在目前電力短缺的情況下，厲行節能，已被推到能源戰略的首位。我廠#7機組額定容量為330MW，#7爐配有兩臺離心式一次風機，采用6kV、1600kW定速電機驅動運行，靠調節進口擋板開度來調整一次風量，以適應鍋爐負荷變化。由于當初選型時風量裕量和壓力裕量都比較大，改造前機組滿負荷運行時一次風機電流約120A，擋板開度在60%左右，風壓約8.9 kPa，節流損失較大。在此背景下，對#7爐一次風機進行變頻控制改造，降低廠用電，為社會多提供一點電力就顯得很有必要。
2 可行性分析
一次風機是火電廠燃煤鍋爐直吹式制粉系統中的主要設備之一。根據鍋爐運行工況，控制一次風機進口擋板開度調節風量大小。風機的流量-壓力關系曲線如圖1所示。在現場控制中，通常采用風機定速運行由進口擋板來控制風量。當流量從Q0減小至Q1時，擋板開度減小使管網阻力由r0變為r1，受其節流作用壓力H0變為H1，工作點由原來的A點移至B點。風機軸功率實際值（kW）可由公式： P =Q•H／（ηc•ηb）×10-3得出。其中，P、Q 、H 、ηc 、ηb 分別表示功率、流量、壓力、風機效率、傳動裝置效率，直接傳動為1。假設總效率（ηc•ηb）為1，則風機由A點移至B點工作時，電機節省的功耗為A Q0 O H0和B Q1 O H1的面積差。如果能采用調速手段改變風機的轉速，那么當流量從Q0減小至Q1時，工作點將由原來的A點移至C點，風機的運行也更趨合理。在擋板全開，沒有管網阻力的情況下，能耗勢必降低。此時，電機節省的功耗為A Q0 O H0和C Q1 O H2的面積差；與擋板控制相比更為有效合理，既達到了改變風量的目的，又明顯改善了風機運行工況，設備功耗也隨之得到大大降低。據統計，#7機組2001~2002年有關指標及一次風機用電率見下表1。#7A、#7B一次風機及電機的技術參數見表2、表3。
表1 一次風機用電率
表2 #7A、#7B一次風機技術參數
表3 #7A、#7B一次風機電機技術參數
在變頻控制狀況下運行，假定年運行小時為8000h,全年的平均負荷率為85%,風量約為60%，則一次風機的實際功率為30%×1600kW=480kW，2臺一次風機年耗電量為:
480kW×8000h×2=7680000kWh
若選定的高壓變頻器容量為2400kVA,其綜合效率為97%，則年損耗電量為:
2400kVA×0.9×0.03×8000×2=1036800 kWh
若室內配置10kW功率的空調，則年耗電10×8000=80000 kWh
全年節電：18303568×8000/8157-(7680000+1036800+80000)=9154474kWh
全年節約資金：2002年平均上網電價為0.32元/kWh，考慮到機組低負荷時節電多而電價低，設全年平均節電價0.20元/kWh，則全年節電效益為9154475kWh ×0.20/kWh＝183萬元；高壓變頻改造總投資約450萬元，按上述工況運行，則大約需2.5年即可收回改造投資。因此，從經濟性方面來說，一次風機高壓變頻改造是可行的。
從技術性方面來說，電機的調速控制可采用液力偶合器、電磁轉差離合器、繞線式電動機轉子串電阻調速、變極調速、變頻控制等方式。在電力電子器件、變頻和交流電機控制技術發展的基礎上，國內外許多科研機構及大公司都傾注大量人力物力對中高壓變頻器進行了研究，高壓變頻器技術已趨于成熟，已成為目前電機調速技術的首選方案。
3 設備選型
目前，國內外高壓變頻器的生產廠家較多，主要有AB、羅賓康、ABB、西門子、三菱及國內的利德華福、天寵等等。各廠家所生產的高壓變頻器核心差別在于所選用的器件類型有所不同，相應地系統配備（變壓器、電抗器、濾波裝置等）都會有所差別，系統的可靠性、效率、諧波抑制效果、熱損值、故障模式都會有所差別。不同的結構設計又會使得散熱效果、環境要求、應用友好性和系統可維護性存在諸多差別。經過調研，2004年1月初，我廠邀請了浙大能源科技有限公司（羅克韋爾自動化AB）、保定中能自控技術有限公司（羅賓康）、北京利德華福技術有限公司、北京天寵電力技術有限公司等四個單位參加#7爐一次風機高壓變頻改造設備招標，經對各廠家的業績以及所提供的技術方案進行認真的審查，并結合其報價進行綜合比較，選定浙大能源科技有限公司（羅克韋爾自動化AB公司）。從技術角度看，AB 公司CSI-PWM電流源型變頻器設計簡單，可靠性高，應用已經有超過10年的歷史，發展相對成熟。其免維護設計、大屏幕操作員界面和獨有的自動整定功能使得系統的可靠性、可維護性、可用性方面較為突出，而且經過十幾年的發展，該產品已正日益成為標準化產品。
4 設備主要技術性能
浙大能源科技有限公司中標的設備包括美國AB公司生產的PowerFlex7000變頻器、保定天威順達公司生產的干式整流變壓器及廣東明陽電器有限公司生產的旁路柜三部分，利用原有的6kV開關和電動機，系統框圖如圖2所示。
圖2 #7A、7B一次風機變頻改造系統框圖
輸入波形好：AB CSI-PWM高壓變頻器的輸入側采用多脈沖(18脈沖) 整流器。18脈沖整流器可對17次以下的高次諧波進行有效的抑制，總體諧波畸變THD小于5%，不需諧波分析及外加濾波環節，可直接滿足IEEE519-1992及國標的諧波抑制標準。
輸出波形好：AB CSI-PWM高壓變頻器無需增加任何選項，可直接輸出完美的正弦電壓和電流波形，不存在轉矩脈動，無潛在共振問題。逆變時無dv/dt及di/dt的產生，諧波畸變THD小于５%，可直接拖帶普通高壓電動機，電機無額外溫升，連接變頻器及電機之間的距離可長達15km。
四象限運行：AB CSI-PWM高壓變頻器固有能量回饋能力，可將降速工況(發電機運行狀態)下負載反饋回的能量回送電網, 利用再生制動快速降低電機轉速。電流型變頻器具有電流內環，可利用強大的電流控制能力快速調節電機轉速，特別適用需頻繁快速調節的大慣性負載(風機)的控制。
使用簡單：AB CSI-PWM高壓變頻器使用大屏幕液晶顯示的操作員終端, 中文界面。變頻器的狀態、輸入輸出變量、自診斷結果、故障報警均可顯示在屏幕上, 信息量大。通過終端上的鍵盤，可輕松對變頻器進行參數設置及工作方式的組態。
維護方便：AB CSI-PWM高壓變頻器使用高集成度的SGCT器件及專利產品PowerCage機架，提高了系統模塊化程度，友善的人機界面提供了所有的維護信息，從而保證了功率模塊的更換時間小于5分鐘。
通訊能力強：AB CSI-PWM高壓變頻器總共提供16個數字量DI接口及16個數字量DO接口，根據用戶需要，變頻器可提供4-20mA或4-10V模擬量輸入輸出接口。變頻器可配置各種數據串行通訊接口，提供開放的網絡與廠級監控設備(DCS，PLC，值班室操作站)進行通訊。變頻器內的變量、參數可傳給其他監控設備進行記錄、顯示或參與控制。變頻器通訊接口選項豐富，用戶可根據需要選其中之一，如 ：DeviceNet, Profibus，Modbus，Remote IO, ContrlNet及RS-232/485等。
4.2 干式整流變壓器
干式整流變壓器按照AB公司提供的技術規范，由保定天威順達公司生產。變壓器為6kV輸入，2.1kV輸出，18脈沖裂相，F 絕緣等級，允許溫升為120K，實際溫升小于90K，AN冷卻。初級為三角形接法帶4級調整，三組次級線圈：一組三角形接法，兩組延邊三角形接法。延邊三角形接法產生-20°、0°、20°相移。
干式整流變壓器起到跟系統隔離的作用，同時，其次級繞組進行必要的移相，以消除進線諧波。一組次級繞組輸出一個三相中間交流，移相變壓器的副邊繞組共9組(每相3組)，構成18脈波整流方式。這種多級移相疊加的整流方式可以大大改善輸入電流波形。
4.3 旁路柜
旁路柜由廣東明揚電氣公司生產，內裝K1、K2、K3三把高壓隔離開關及相關的閉鎖裝置，實現電氣和機械互鎖。其作用為變頻/工頻運行方式的切換。變頻運行方式時,K1斷開,K2和K3閉合；工頻運行方式時, K1閉合, K2及K3斷開。滿足電力系統五防要求，變頻/工頻相互閉鎖, 操作手柄與高壓柜門完全連鎖。旁路柜操作與上級高壓斷路器DL聯鎖，合閘時，絕對不允許操作隔離開關，以防止出現帶負荷拉閘現象，確保操作人員和設備的安全。本裝置設計為當程序鎖切至操作位置時跳上級高壓斷路器DL，同時旁路柜的K1、K3設有電磁鎖，K1與K2、K3不能同時合；K2、K3操作有程序鎖，合時先合K2，分時先分K3。
5 項目實施
5.1 基礎施工
2臺干式整流變安裝在原四期增壓泵房中，變頻器柜及旁路柜安裝在380V7A、7B段母線室內。2004年4月22日，開始拆除增壓泵房中的軟化水裝置，開挖電纜溝，至5月15日完成澆筑變壓器基礎及變頻器柜、旁路柜基礎槽鋼埋設等。
5.2 設備安裝
本項目設備安裝就位及電纜敷設由浙江華業公司承包，動力電纜由檢修分場接線，控制電纜由自動化分場接線。5月17日，旁路柜、干式整流變運抵我廠，5月27日，2臺干式變安裝就位。5月28日即開始干式變側動力電纜頭制作。6月5日，變頻器柜運抵我廠。6月7日變頻器柜、旁路柜均安裝就位。6月8日至10日，完成變頻器柜、旁路柜側動力電纜頭制作，電纜預試等。6月11日至16日，完成控制電纜接線，#7A、7B一次風機6KV開關柜控制回路改造以及風道制作安裝等。
5.3 裝置的連鎖保護
系統保留原有對電機的保護及其整定，以確保電機工頻旁路時的啟動和正常運行，同時實現工頻旁路時對電機的保護和變頻運行時對變頻器的保護。
為了防止產生操作和事故情況下產生過電壓等影響變頻器的壽命的因素，變頻器在控制系統受電自檢正常后才能允許合6kV開關，具體實現在6kV開關的合閘回路中，6kV開關合上變頻器充電后，自檢正常發出準備好信號，才能啟動變頻器運行。此邏輯由熱控實現，同樣在正常或緊急停運時均先停變頻器，然后斷開高壓開關，為此在綜合保護出口和風機緊急跳閘出口控制回路中串有中間繼電器，直接去關變頻器，短延時去斷開高壓開關。
5.4 設備調試
6月15日，控制電源上電開始設備調試。主要進行了以下檢查、測試項目：
a. 裝置外觀檢查。
b. 硬件及跳線設置檢查。
c. 檢查一次接線和控制回路接線正確。
d. 絕緣檢查，用2500V搖表測一次回路對地絕緣電阻歷時一分鐘其值為120MΩ。
e. 檢查冷卻風扇工作正常，風壓值為3.1V，報警值2.7V，跳閘值2.1V。
f. 核對變壓器和變頻器相位，發現#7A一次風機變頻隔離變壓器高壓側電纜接反，在旁路柜改接后正確。
g. 電阻檢查,驗證SCR、SGCT功率器件和所有相關緩沖電路正常。
h. 控制電源測試。因380V7A段電源低電壓切換時會造成變頻器停運，控制電源改接至#7機UPS。
i. 門極測試、系統測試、18脈沖相序測試。
j. 直流電源測試。
k. 變頻器參數整定。
l. 變頻器加中壓，做運行前檢查。
m. 變頻器帶電機空載調試，轉速從180~1500rpm時電流保持在20A，電壓從520V升至5800V。
n. 變頻器帶風機負載調試。
5.5 與西門子DCS系統的連接
一次風機變頻控制與#7機西門子DCS的接口如下：首先，DCS上原一次風機的控制邏輯基本保持不變，控制對象改為一次風機的6KV動力電源，新增了兩臺變頻器的控制和調節。為了防止運行人員誤啟動未滿足條件的變頻器，我們增加了變頻器的啟動條件，即當該變頻器就地已準備好且其指令小于5%時才允許啟動變頻器。對于原一次風機的控制邏輯，其跳閘保護邏輯保持不變，也即保持其安全性不變，在機組發生異常情況下能快速切斷一次風量及燃料，以確保機組的安全，在此基礎上增加了啟動條件：對應變頻器的進、出線開關處于合閘狀態或其旁路開關處于合閘狀態，這樣能有效防止運行人員未檢查就地電源回路而匆忙合閘的弊端。
對于變頻器的調節，我們主要解決了鍋爐主控中所需風量和變頻器轉速之間的對應關系，將不同負荷所需的不同風量，轉換成不同的對應轉速。通過反復研究變頻器廠家提供的資料及本廠鍋爐的特性，我們設計了適合于本廠鍋爐風量特性的變頻調節PID邏輯，具體地說主要有：四層一次風量調節擋板的開度指令、鍋爐主控的風量要求、兩臺變頻器的指令平衡。通過以上參數的邏輯組態，實現一次風壓力的可靠調節。通過機組啟動后的多次擾動試驗，將其PID參數進行了多次的優化，真正做到了一次風壓力的穩定可靠調節。
和原一次風機進口調節擋板進行調節一次風量相比較，由于擋板存在熱脹冷縮問題，在熱態工況下，曾多次發生進口調節擋板卡澀，無法進行調節，并曾發生由此而使得執行機構的鏈桿拉斷，從而導致風量無法調節，使得磨煤機無法啟動，嚴重影響機組的出力。而變頻改造后，進口調節擋板平時處于全開狀態，無需參與調節，利用變頻器的轉速來進行調節其一次風量，調節特性平穩可靠，線性度好。
6 運行情況
機組負荷在130MW以下時，一套制粉系統投入運行；機組負荷在130~230 MW時，二套制粉系統投入運行；機組負荷在230~330MW以下時，三套制粉系統投入運行；在以上這三種工況下，維持一次風壓在9.0kPa時，變頻器的主要參數如下：
7 改造費用
我廠以臺電生[2004]58號文向東南公司上報了“關于#7A、#7B一次風機變頻改造費用的請示”，東南公司以東南發電生[2004]37號文批復了該項目，項目實際投資額近550萬元。
8 效益分析
8.1 節電效益
#7A、#7B一次風機變頻控制控制改造后，系統在經濟性上有了很大的改善。根據運行提供的廠用電電量積數計算，#7A、#7B一次風機運行8個月來的平均功率為590kW，發電機平均功率為306MW,見下表。
再查閱2001~2003年統計年鑒有關數據，得知機組的平均功率為297MW，計算得#7A、#7B一次風機的平均功率為1150kW。#7A、#7B一次風機控制電源及室內空調總功率為15kW。2臺一次風機變頻改造后節省的功率為：2*1150-2*590-15=1105 kW
以年運行8000小時計算節電：1105*8000/10000=884萬kWh
該項目總投資約為550萬元，使用時間15年。
以0.20元/ kWh計算，年節電經濟效益為：
884*0.20-550/15＝140.13萬元
稅后利潤：140.13*（1-33%）=93.89萬元
8.2 其他效益
8.2.1 與原擋板調節相比，變頻改造后加快了一次風量的調節速度，提高了機組的穩定性。
8.2.2 避免了電機啟動時大電流沖擊對電機的損壞，延長了電機和擋板的檢修周期和壽命，減輕了維修工作量。
[結束語]
#7A、#7B一次風機變頻器至今已投運8個月，性能穩定，運行情況良好。今后要加強設備點檢及運行巡檢，保持室內環境衛生，在室溫高于30℃時開啟室內空調機。做好日常維護工作，每季度對柜門濾網進行一次清灰，以避免其他廠曾出現的因超溫而跳閘的現象。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號