高压变频技术应用在电站一次风机上

摘要：在发电厂开展节能降耗工作中高压变频技术是主要应用技术，对一些高耗能的高压电动机进行变频改造，节电效果一般在30%～40%以上。介绍了某发电厂一次风机系统进行变频改造的背景、改造方案、节能效果，并分析了一次风机变频运行中存在的问题以及解决办法，同时提出了建议。 
关键字：一次风机；变频技术；节能降耗；冷却系统 
0 引言 
    随着电力行业改革的不断深化，电力企业逐步由生产型向经营型转变，由高耗能企业向节约型企业发展。为提高企业效益，降低发电成本将是经营型企业长期坚持的目标，为此，节能降耗工作便成为发电企业生产经营管理的重要内容。火电厂如何实现低耗是一个被长期关注和不断发展的行业问题。在能源危机的大背景下，节能降耗技术也得到了日新月异的发展和普及。利用一些比较成熟稳定的新技术，对设备进行技术改造，一次性投入，实现长期节能降耗，这是一本万利，是利企利国的事情。 
    天津大唐盘山发电有限责任公司2×600MW火电机组是我国华北地区建设投产zui早的600MW亚临界火电机组，是京津唐电网的主力机组，曾被国家计委列为1996年利用国家外汇储备购买国产发电设备发展民族工业的试点项目。工程于1998年10月开工，其中3#机组于2001年12月18日正式投产，4#号机组于2002年6月5日正式投产。其对锅炉一次风机和汽机凝结水泵进行变频改造是实现节能降耗的具体例证。 
1 一次风机系统简介 
    该公司每台机组配有两台沈阳鼓风机厂生产的双吸入前弯离心式一次风机。风机采用电机定速运转、入口电动动叶调整风机出力。一台一次风机容量为50％BMCR（锅炉zui大连续负荷）。其具体参数如下。 
    风机形式双吸入离心泵 
    风机型号G9-2×367F 
    风压15542Pa 
    风量160.5m3/s 
    电机型号YKK710-4 
    额定电压6kV 
    额定电流260A 
    功率2400kW 
    转速1494r/min 
    绝缘等级F 
    锅炉一次风机主要是给锅炉制粉系统提供输粉 
    的风源，属于锅炉三大风机之一，也是火力发电厂主 
    要的高耗能设备。对于正压直吹式制粉系统，一次风 
    机正常运行时主要起携带和干燥煤粉的作用，并提 
    供煤粉着火初期所需空气。盘山发电公司锅炉一次 
    风机系统的布置如图1所示。 
2 一次风机变频改造介绍 
    由流体力学可知 
    P=qh（1） 
    式中：P为功率； 
    q为流量； 
    h为压力。 
    而q∝n；h∝n2；P∝n3（n为转速）。如果水泵的效率一定，当要求调节流量下降时，转速n可成比例的下降，而此时轴输出功率P成立方关系下降。即水泵电机的耗电功率与转速近似成立方比的关系。例如：一台水泵电机功率为55kW，当转速下降到原转速的4/5时，其耗电量为28.16kW，省电48.8％，当转速下降到原转速的1/2时，其耗电量为6.875kW，省电87.5％。变频器是利用电力半导体器件将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，它先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。频率可控即电机转速可控，从而达到节能的目的。 
    G9-2×367F型一次风机的额定电流为260A，当发电机在额定负荷600MW下运行时，一次风机zui大电流为186.，只有额定电流的71.7%，低负荷运行时zui低电流到133A左右，是额定电流的51.2%左右，因此，一次风机具有很大的节能空间。经多方论证，公司决定将一次风母管压力控制由节流控制改为转速控制，以降低能耗，提高机组的整体经济效益。  

    2.1改造方案 
    盘山发电公司分别在2003年和2004年利用机组小修的机会为两台机组的4台一次风机电机进行了变频改造。采用的是罗克韦尔公司的ABPowerflex7000系列的双PWM（PulseWidthModulation，脉冲宽度调制）、无输入隔离变压器的电流型变频调速装置，属于“一拖一”手动旁路方式，变频器接入原电气回路如图2所示。
  
整个改造方案包括三部分： 
    1）变频器的安装和接入在风机旁就地搭建了专门的变频小间，其中安装的主要设备包括变频器主柜体、双路控制电源切换箱、变频器UPS（交流不停电）电源柜和变频小间柜式空调机，而变频器的所有就地操作以及运行参数和报警参数的检查设置都在变频小间内完成。 
    2）电气开关部分的改造6kV高压开关加装了变频器保护回路和“工频/变频工作方式”切换把手，配合一次风机变频运行和工频两种工作方式的切换，另外从380V低压交流厂用母线段和220V直流母线段完成了对变频器控制电源和操作电源的供电改造。 
    3）热工逻辑和DCS操作画面的改造一次风机变频器改造后主要的工作方式选择和变频器启动允许程控逻辑方案如下。 
    在DCS原有一次风机系统画面上增加一次风机工作方式提醒（如图1中所示）。在一次风机系统画面上不再增加变频器启动按钮，在不同工作方式下仍然用同一个按钮启动一次风机。在工频方式下，画面提示一次风机在工频方式，在原操作按钮上按下启动，则合6kV开关，并在风机运行中调整风机入口动叶开度以维持母管风压在设定值。在变频方式下，画面提示一次风机在变频方式，仍在原按钮上按下启动，一次风机变频工作方式下的6kV开关与变频器启动顺序是，当操作员按下启动按钮，首先合一次风机6kV开关，等待30s（变频器电抗器充电时间），检测变频器准备好信号存在，启动变频器。这时运行风机的入口动叶保持全开，通过调整电机转速改变风机出力以维持母管压力在设定值。 
    2.2变频方式下一次风机的控制方式 
    1）保留原来的一次风机挡板调节站，另外编辑一套变频调节站。一次风机在变频方式运行时，入口调整挡板应全开，通过变频器改变电机转速以调节风机出口母管压力。 
    2）一次风机在工频方式运行时，变频调节站强制手动；在变频方式运行时，挡板调节站强制手动。 
    3）变频方式启动时，强制挡板全开且变频器输出为zui低转速。变频器在就地位运行时，控制站跟踪转速反馈值，以实现无扰切换。 
    4）变频自动调节切手动条件如下（任一满足）： 
    （1）一次风机出口母管压力信号故障； 
    （2）一次风机在工频方式运行； 
    （3）当调速指令与速度反馈偏差大于150r/min。 
    2.3一次风机变频运行存在的问题 
    一次风机经过变频运行后，也发现存在一些问题，导致风机的运行安全受到威胁，节能效果受到影响。 
    2.3.1运行温度高 
    变频器运转时本身发热量大，设计的散热装置不能满足需要，在给变频小间加装大功率柜式空调后有所改善，但运行温度高的隐患仍然存在，且加装大功率空调增加了耗电量。目前，本厂凝结水泵变频器的冷系统运行效果良好，因此，已经对一次风机变频系统配置了相同的强迫水冷风循环冷却系统（系统布置如图3所示），将会利用机组检修的机会将冷却系统和变频器相联结，相信可以完*运行温度高的问题。 
    2.3.2风机变频方式下RB（负荷快速返回）保护功能实现困难 
    一次风机RB保护不能正常实现既有设计问题也有挡板质量问题。主要表现为一台一次风机跳闸后，由于跳闸风机的出、入口挡板关闭缓慢，导致一次风“回风”即部分一次风通过跳闸风机回到大气中，一次风母管压力快速下降不能保证运行制粉系统的正常输送粉导致大量煤粉的积存，同时另一台运行的一次风机有过电流跳闸的危险。2003年3#机发生过因为变频运行的1#一次风机跳闸导致机组停机的事故。分析原因主要是一次风机出、入口挡板关闭时间太长，使大量一次风长时间通过跳闸风机回风，造成一次风压力过低，运行的制粉系统和输粉管道里大量煤粉积存，当一次风压突然恢复后引起积存的大量煤粉瞬时进入炉膛爆燃，汽包水位急剧升高，导致汽包水位在几十s内由zui低水位-200mm迅速上升到+300mm，使高Ⅲ值保护动作跳闸停机。 
    可以说，一次风机RB保护不能实现和变频改造关系不大，即使工频方式下也存在同样问题。可喜的是公司历时3年，经过对一次风机RB不成功的原因分析，吸取事故教训，通过对出入口挡板的改造和多次试验调试，zui终成功实现了工频方式下一次风机RB保护功能。为下一步变频方式下实现RB保护，确保一次风机长期变频节能运行消除了安全隐患。 
    2.3.3风机工/变频切换需停电手动操作 
    一次风机工频和变频工作方式切换，需要停运风机，然后高压开关停电，手动改变变频器出入口刀闸和旁路刀闸的状态，然后重新送电，启动风机。目前正在调研有关在线无扰切换的自动旁路系统的可行性，为进一步给变频器加装自动旁路系统做准备。 
     
3一次风机变频改造后的效果 
    从运行情况看，通过变频改造以及运行优化使得机组在额定负荷时，一次风机功耗仅为1000kW左右，而改造前功耗为1700kW以上，节电率达40％以上，一次风机变频改造后耗电率为0.47%，较改造前下降了0.17个百分点，月用电量平均减少65万kW·h，年节电600余万kW·h。运行三年即可收回巨额设备成本。
 

4 建议及结语 
    综合盘山发电公司对一次风机系统进行变频改造的实际情况，提出以下建议： 
    1）加强变频装置及其辅助系统的维护工作，确保不发生因变频系统故障而发生的异常和安全事故； 
    2）做好风机变频运行的工况下，发生事故的各种事故预案和事故演习，熟练掌握变频方式下各种事故的处理方法，减少事故扩大的可能； 
    3）在实际运行中，继续探索变频调节系统各种参数的合理性和准确性，利用实际运行进一步调整各参数到zui合适范围，提高节能效果和安全系数；