300MW机组风机变频调节的应用及改造后的节能分析

摘 要：文章叙述了龙岩发电有限责任公司300 MW机组各风机改变频调速后的应用情况，介绍了风机改造后的运行方式和节能效果。

关键词：变频调速；风机；300 MW机组；节能减排；应用

中图分类号：TM921.51 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2012）35-0121-02

根据我国现行的有关设计规程规定，我厂二期#5、6机组采用东锅生产的DG1025-17.4-Ⅱ18型锅炉是亚临界参数国产化循环流化床汽包炉，自然循环，单炉膛，一次中间再热，汽冷式旋风分离器，平衡通风，露天布置，燃煤，固态排渣。锅炉风量主要是由两台一次风机和两台二次风机供给。一次风机系统主要用于流化床料，并为燃料提供初始燃烧空气。二次风机主要是为分段燃烧、控制炉温、抑制NOx的产生提供空气。两台引风机调节炉膛压力，以维持炉膛处于微负压状态。原来一、二次风机采用液偶调节，引风机采用入口门调节。

1 变频原理

1.1 变频节能原理

由流体力学可知，P（功率）=Q（流量）×H（压力），流量Q与转速N的一次方成正比，压力H与转速N的平方成正比，功率P与转速N的立方成正比。如果水泵的效率一定，当要求调节流量下降时，转速N成比例下降，而此时轴输出功率P成立方关系下降。

风机、水泵等设备传统的调速方法是通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节给风量和给水量，其输出功率大量的能源消耗在挡板、阀门地截流过程中。

采用变频，调节了变频器输出给电机的频率降低电机转速来控制风量，即使将变频器使用的损耗包括在内也同样省电。风量、流量与转速是成正比的关系，动力和转速成3次方正比。节能主要的体现就是风机和水泵配套的电机驱动功率的减少。

高压变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一种频率电源控制装置。具有调速平滑、节能、适应面宽、运行方式灵活等优点。我厂凝结水泵、一次风机、二次风机及引风机变频器均由北京利德华福电气技术有限公司生产。

1.2 变频器结构

我司现有变频器均为高—高电压源型变频系统，通过交—直—交变换实现变频输出。变频器分为主电路和控制电路两部分。对电动机提供调压调频电源的电力变换部分，称为变频器的主电路。主电路包括手动/自动旁路柜、移相变压器、功率单元。向主电路提供保护、控制及信号的电路称为控制电路，包括主控箱、工控机及PLC系统。

自动/手动旁路柜的作用是变频器故障或维修时电动机自动或手动切换到工频运行，减少变频器退出运行对机组负荷的影响。

移相整流变压器将6 kV电源变换为多组低压电源，各副边绕组在绕制时采用三角接法，相互之间有固定的相位差，形成多脉冲整流方式，使得变压器副边各绕组（即功率单元输入）的谐波电流相互抵消，不反映到高压侧，改善电源侧电流波形，消除变频器对电源的谐波污染。变压器的每个副边低压绕组相互独立，并单独为一个功率单元供电，每个功率单元的主回路相对独立，并工作在低压状态。一期移相变输出21组副边，共计7组21个功率模块；二期移相变输出15个副边，共计5组15个功率模块。

每个模块为基本的低压交-直-交单相逆变电路，由三相整流，虑波、IGBT逆变桥及旁路回路构成。整流桥为二极管三相全桥。IGBT逆变桥进行输出波形控制。旁路回路是当任一单元内模块故障，50 ms内将本模块自动旁路，不影响其它单元工作，但变频器将降额持续运行。

每相由5个/7个功率模块输出端按星型接法串联组成功率单元，通过对每个单元的输出PWM波形进行叠加重组，得到右图阶梯PWM波形。波形正弦度好，dv/dt小，无须输出滤波器，可直接用于原有电机及电缆设备。

由于输出模块旁路后输出波形将产生畸变，引起机械振动，因此，只允许一个旁路，当第二模块故障旁路后变频器将自动停机。旁路一个功率模块，将自动退出一组功率模块，变频器输出电压将降低1/7，即电压为85.7%（一期）。

移相变压器、功率单元均采用风冷方式散热，冷却风扇按照100%散热容量一运一备配置，当运行风扇故障后自动切换到备用风扇。变频器柜设计有进出风口，散热风扇的出风经风道引至房间外经水冷器返回变频小室。变频器风口采用无纺滤布进行隔离灰尘。为提高冷却效率，冷却系统还配置增压风机及专门冷却空气的冷却器，冷却水取炉侧工业水。

1.3 变频控制原理

交—直—交变频控制技术的发展过程，经历了VVVF、矢量控制、直接转矩控制方式。我司现有变频器风机为矢量控制方式，凝泵为VVVF控制方式。

VVVF变频器的控制相对简单，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，得到广泛应用。但是，低频时由于输出电压较小，造成输出最大转矩减小。动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，研究出矢量控制变频调速。

矢量控制变频调速：控制原理是将交流电机模拟成直流电机进行控制，以转子磁场定向采用矢量变换的方法实现交流电机的转速和磁链控制的完全解耦。将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流Ia、Ib、Ic、通过三相—二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流I m1、I t1（I m1相当于直流电动机的励磁电流；I t1相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。

矢量控制技术调速精度高，动态响应快，在高速和低速都有比较好的控制性能。矢量控制技术对转子磁场观测的准确性受电机参数影响较大，需要准确的电机参数，参数不能随意更改。

直接转矩控制：直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。不需要将交流电动机化成等效直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算。

2 变频系统结构

自动/手动一拖一方式：每台电机配备一套变频调整系统。

QF为6kV电源侧开关，U为变频调速装置，QS1-QS2和KM1-KM3为隔离开关和真空接触器，M为电机。除变频器外，配套有散热风道及空水冷却器。

KM1、KM2不能和KM3同时闭合，在电气上实现互锁，保证系统安全可靠运行。

运行方式为：变频运行时，KM1和KM2闭合，KM3断开，由变频器带电机运行；工频运行时，KM3闭合，KM1和KM2断开，直接驱动电机。

当变频运行出现严重故障时，自动切开KM1、KM2，停用变频器，同时合上KM3，自动切工频运行，并且负载不用停机；在工频运行情况下，可经操作自动切变频方式运行；在旁路运行方式下，可断开QS1和QS2检修变频器，保证安全。

3 风机变频系统改造后效益分析

为了确定风机改造为变频调节后的经济性，分别在300 MW、270 MW、240 MW、180 MW、150 MW等负荷下对风机性能进行试验，表1为#5机组风机试验数据。

从以上数据可以看出风机采用高压变频调节后可以大大降低风机的功耗，特别是低负荷时（二次风机和引风机特别明显）。风机采用变频调节后，按2012年福建发电平均利用3 239 h计算，180 MW负荷时，风机可节平均每小时可节省6 884 KWh，年即可节省22 297 276 kWh，上网电价按0.36元计算，每年可约为民币为802.7万元。总之，风机采用高压变频调节后平均可节电率0.597%。

4 结 语

当前发电企业成为独立市场经营者，主观上企业要不断追求经济效益最大化，客观上我国电网的迅速发展又要求企业必须不断降低发电成本，以适应电价竞争机制的需要，此次变频改造后的显著效果和良好控制品质充分说明，在发电企业主辅机设备中，采用变频技术具有广阔的应用前景，推广变频技术不仅是当前企业节能降耗的重要手段，也是实现经济增长方式转变的必然要求，同时保证机组安全，稳定运行。

参考文献：

[1] 梅升.300MW机组引风机变频控制改造[J].电机与控制应用，2010，（4）.

[2] 张彦明.高压变频调速技术在电厂的应用及节能对比[J].广东电力，2009，（11）.