1000MW級(jí)機(jī)組動(dòng)葉可調(diào)式軸流一次風(fēng)機(jī)變頻改造創(chuàng)新與實(shí)踐

來源：《變頻器世界》 2017年5月刊

摘要：華潤(rùn)電力（賀州）有限公司2*1045MW機(jī)組，每臺(tái)鍋爐配2臺(tái)動(dòng)葉可調(diào)式軸流一次風(fēng)機(jī)，2016年9月對(duì)#2機(jī)組一次風(fēng)機(jī)先進(jìn)行了變頻改造。1000MW級(jí)機(jī)組動(dòng)葉可調(diào)式軸流一次風(fēng)機(jī)變頻改造在國(guó)內(nèi)同行業(yè)中尚屬首次，由于一次風(fēng)機(jī)可靠性要求高，在設(shè)計(jì)上采用了全自動(dòng)旁路，另外變頻設(shè)備散熱采用空水冷系統(tǒng)，這不僅增加了設(shè)備可靠性，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)二次節(jié)能，大大節(jié)省了空調(diào)運(yùn)行成本。本文詳細(xì)介紹了一次風(fēng)機(jī)變頻從設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行數(shù)據(jù)及節(jié)能效果評(píng)價(jià)等方面的創(chuàng)新與實(shí)踐。

Keywords：Primary fan；Inverter；Energy saving

1  前言

　　我司鍋爐一次風(fēng)機(jī)是按照熱值為4775kcal的貧瘦煤設(shè)計(jì)，由于煤炭市場(chǎng)變化，實(shí)際燃用煤種為發(fā)熱量在5500kcal左右的高熱值煙煤，風(fēng)機(jī)運(yùn)行裕量極大，機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，一次風(fēng)機(jī)動(dòng)葉開度只有60%左右，電動(dòng)機(jī)最大功率只有1950kW左右，遠(yuǎn)低于額定容量2500kW，根據(jù)2015年機(jī)組負(fù)荷率（平均565MW）及對(duì)未來幾年電力市場(chǎng)的預(yù)估，未來我司負(fù)荷率將會(huì)更低，雖然一次風(fēng)機(jī)為動(dòng)葉調(diào)節(jié)軸流風(fēng)機(jī)，但是由于負(fù)荷較低、風(fēng)機(jī)動(dòng)葉開度較小，大部分時(shí)間仍然工作在低效區(qū)（約60～70%），存在很大的節(jié)能空間。基于上述實(shí)際情況，電廠的一次風(fēng)機(jī)節(jié)能改造是個(gè)必然趨勢(shì)。

2  設(shè)備概述

　　我司每臺(tái)機(jī)組配兩臺(tái)上海鼓風(fēng)機(jī)廠生產(chǎn)的PAF20-12.5-2型雙級(jí)動(dòng)調(diào)軸流一次風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)及配套電機(jī)參數(shù)見表1所示，一次風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)見表2所示。

表1  風(fēng)機(jī)及配套電機(jī)參數(shù)

表2  一次風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

3  設(shè)備布置及改造方案

（1）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量，本著改動(dòng)最小、費(fèi)用最低的原則，綜合考慮設(shè)備安裝位置、電纜長(zhǎng)度、敷設(shè)通道等因素在一次風(fēng)機(jī)A旁新建變頻器配電室，每間變頻器室內(nèi)兩臺(tái)變頻器背向布置。現(xiàn)場(chǎng)布置圖如圖1所示。

圖1  現(xiàn)場(chǎng)布置圖

（2）設(shè)備一次系統(tǒng)改造方案。主系統(tǒng)接線圖如圖2所示。

圖2  主系統(tǒng)接線圖

一次風(fēng)機(jī)變頻采用一拖一帶自動(dòng)旁路的方式，每臺(tái)風(fēng)機(jī)配一套變頻器系統(tǒng)，配備自動(dòng)旁路柜，變頻器在運(yùn)行中如果突然發(fā)生故障，此時(shí)變頻器會(huì)自動(dòng)把QF2斷路器跳開，然后DCS自動(dòng)把QF4斷路器斷開，QF4斷開后延時(shí)5S（等剩磁電壓衰減完畢）合旁路斷路器QF3，電機(jī)由變頻狀態(tài)切換到工頻運(yùn)行，此時(shí)DCS將控制風(fēng)門逐漸恢復(fù)到改造前的開度、保證工頻運(yùn)行的風(fēng)量符合鍋爐系統(tǒng)要求。電機(jī)和風(fēng)機(jī)均使用原有設(shè)備。變頻器系統(tǒng)布置在爐后側(cè)面新建的變頻器室內(nèi)。

10kV動(dòng)力電纜：一次風(fēng)機(jī)原電纜（ZRC-YJV-8.7/10 3X120）從電機(jī)側(cè)拆下，改接至變頻柜輸入端開關(guān)QF2上口及旁路開關(guān)QF3上口，變頻器輸出端開關(guān)下口新增敷設(shè)一根電纜（ZRC-YJV-8.7/10 3X120）到電機(jī)接線盒。

（3）設(shè)備散熱：變頻設(shè)備由大功率電力電子元件組成，對(duì)設(shè)備本體散熱要求較高。兩臺(tái)變頻器發(fā)熱量按照總功率3%計(jì)算為150kW。為保證設(shè)備節(jié)能穩(wěn)定運(yùn)行，采用空水冷方式進(jìn)行冷卻；每間配電室配備2臺(tái)60kW水冷器，冷卻水源引至廠內(nèi)工業(yè)冷卻水。同時(shí)每臺(tái)機(jī)配備10匹分體式空調(diào)作為緊急備用。若采用普通電空調(diào)約需13臺(tái)10匹空調(diào)，不僅配電室面積大，空調(diào)運(yùn)行消耗的電能造成運(yùn)行成本高，空水冷系統(tǒng)的應(yīng)用不僅降低了用電成本而且使得室內(nèi)冷空氣形成閉式循環(huán)，保證室外的灰塵無法進(jìn)入，大大提高變頻器本身使用壽命。空水冷系統(tǒng)圖如圖3所示，空水冷系統(tǒng)安裝布置圖如圖4所示。

圖3  空水冷系統(tǒng)圖

圖4  空水冷系統(tǒng)安裝布置圖

（4）變頻器選型及參數(shù)：變頻器采用TMEIC（東芝三菱），型號(hào)為TMdrive-MVe2—3000kVA-10KV，采用無速度傳感器矢量控制方式。

1）TMEIC MVe2變頻器原理及結(jié)構(gòu)

                  ??圖5.MVe2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D??

圖5右手邊為TMEIC 10kV變頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D，該變頻為全球最新研發(fā)技術(shù)、投入市場(chǎng)近5年。由于采用了新的輸入可控整流控制技術(shù)和三菱第五代三電平IGBT使得變頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單，三電平單元串聯(lián)耐壓高、數(shù)量少、故障概率大大降低，它與目前市場(chǎng)上傳統(tǒng)的2電平IGBT串聯(lián)結(jié)構(gòu)有著本質(zhì)的不同，必然是高壓變頻器發(fā)展的方向和突破。

2）TMEIC MVe2 變頻器的特點(diǎn)

（a）變頻器的輸入

由于MVe2變頻器采用單相IGBT PWM整流，減少了整流元件數(shù)量，整流電流和電壓同相位，可降低單元和變壓器二次繞組之間整流電流的諧波。與二極管整流相比，諧波更小，損耗更低。同時(shí)提高了整流側(cè)的功率因數(shù)。在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)整機(jī)功率因數(shù)為1.0。在整流過程中輸入的諧波和功率因數(shù)均可以控制。由于單元采用PWM整流，可以再生制動(dòng)，四象限運(yùn)行。可以提供額定容量80%的回饋能力，減速時(shí)可以將電機(jī)和負(fù)載的動(dòng)能變成電能反饋回電網(wǎng)，無需制動(dòng)電阻，就可以實(shí)現(xiàn)快速的減速和制動(dòng)。MVe2 的輸入功率因數(shù)如圖6所示，MVe2的輸入諧波如圖7所示。

圖6  MVe2 的輸入功率因數(shù)圖7  MVe2的輸入諧波（接近于0）

（b）變頻器的輸出

10kV輸出41電平，輸出電平數(shù)更多，輸出波形更好。輸出電壓波形如圖8所示，輸出電流正弦波。

三電平輸出與兩電平輸出的對(duì)比。

圖8 兩電平 IGBT與三電平IGBT逆變對(duì)比

（c）變頻器輸出波形

圖9 MVe2 輸出波形

3）MVe2的輸入變壓器

MVe2變頻器輸入采用單相PWM整流、諧波極小，這樣使得輸入變壓器二次側(cè)繞組不需要移相，結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單；同時(shí)采用三電平IGBT串聯(lián)輸出，提高了單元耐壓等級(jí)、減少了單元數(shù)量使得輸入變壓器二次側(cè)繞組數(shù)量大大減少、工藝更簡(jiǎn)單可靠。

4）MVe2變頻單元的硬件構(gòu)成

整流：IGBT、逆變：IGBT為三菱原裝產(chǎn)品，中間直流回路電容：可自愈式金屬薄膜電容，使用壽命長(zhǎng)。

（5）變頻裝置保護(hù)配置：一次風(fēng)機(jī)原10kV電源開關(guān)保護(hù)配置不變，作為旁路運(yùn)行方式的保護(hù)。在變頻器上口開關(guān)柜配置CSC241C、保護(hù)裝置中設(shè)置第二套定值作為變頻方式運(yùn)行的變壓器主保護(hù)。變頻裝置本體保護(hù)和電機(jī)的各種保護(hù)由變頻裝置自身保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)。

2.6 緊急停機(jī)：變頻裝置自身帶有緊急停機(jī)按鈕。另外在電動(dòng)機(jī)事故按鈕增加一對(duì)常開接點(diǎn)，接至變頻裝置用來在電動(dòng)機(jī)故障時(shí)就地同時(shí)切除變頻裝置運(yùn)行。

4  控制及邏輯說明

（1）變頻運(yùn)行方式

正常運(yùn)行期間兩臺(tái)一次風(fēng)機(jī)變頻自動(dòng)運(yùn)行，動(dòng)葉手動(dòng)放置在60～80%開度，通過變頻器自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，調(diào)整一次風(fēng)壓；

（2）工頻運(yùn)行方式

兩臺(tái)風(fēng)機(jī)均工頻運(yùn)行期間，保持原邏輯不變，通過調(diào)整風(fēng)機(jī)動(dòng)葉自動(dòng)調(diào)節(jié)一次風(fēng)壓；

（3）一臺(tái)變頻一臺(tái)工頻運(yùn)行

1）變頻器投入自動(dòng)調(diào)節(jié)一次風(fēng)壓，工頻運(yùn)行風(fēng)機(jī)手動(dòng)調(diào)節(jié)動(dòng)葉開度，調(diào)整兩臺(tái)風(fēng)機(jī)出力平衡；

2）工頻運(yùn)行風(fēng)機(jī)動(dòng)葉投入自動(dòng)調(diào)節(jié)一次風(fēng)壓，變頻運(yùn)行風(fēng)機(jī)手動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，調(diào)整兩臺(tái)風(fēng)機(jī)出力平衡；

3）動(dòng)葉及變頻器禁止同時(shí)投入自動(dòng)。

4）變頻切工頻

（4）動(dòng)葉開度與負(fù)荷對(duì)應(yīng)關(guān)系

動(dòng)葉與負(fù)荷對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3所示。、

表3  動(dòng)葉與負(fù)荷對(duì)應(yīng)關(guān)系

（5）其它說明問題

1）電機(jī)、風(fēng)機(jī)原保護(hù)不變，保護(hù)直接跳閘10kV開關(guān)，滿足條件直接觸發(fā)RB；

2）只有在變頻器發(fā)生重故障時(shí)自動(dòng)切換為工頻運(yùn)行，其它情況下的切換均在風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行后由手動(dòng)切換完成。

5  項(xiàng)目節(jié)能后評(píng)價(jià)

（1）改造前后一次風(fēng)機(jī)10kV電機(jī)電流情況統(tǒng)計(jì)，改造前后一次風(fēng)機(jī)電流對(duì)比如表4所示。

表4  改造前后一次風(fēng)機(jī)電流對(duì)比

（2）改造前后一次風(fēng)機(jī)電流隨負(fù)荷變化趨勢(shì)如圖10所示。

圖10  改造前后一次風(fēng)機(jī)電流隨負(fù)荷變化趨勢(shì)

根據(jù)表4計(jì)算：取所有測(cè)試負(fù)荷下各臺(tái)風(fēng)機(jī)運(yùn)行電流，計(jì)算的改造前與改造后平均電流下降27.6A，平均每小時(shí)節(jié)電：1.732×10000×27.6×0.88=420.6kW，按此計(jì)算每年可節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用：152萬元。耗電量比原來降低了21.5%，節(jié)能效果顯著。

（3）改造后機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。變頻在調(diào)試和運(yùn)行以來未發(fā)生過故障。

6  結(jié)束語(yǔ)

由于一次風(fēng)壓要求高，一次風(fēng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速、大動(dòng)葉開度時(shí)失速余量較低，在負(fù)荷變動(dòng)或啟、停磨機(jī)時(shí)存在失速風(fēng)險(xiǎn)，目前#2機(jī)組改造后運(yùn)行時(shí)間較短，各負(fù)荷對(duì)應(yīng)的安全動(dòng)葉開度仍在進(jìn)一步試驗(yàn)摸索中。風(fēng)機(jī)仍未達(dá)到最佳運(yùn)行狀態(tài)。此次一次風(fēng)機(jī)變頻改造采用一拖一自動(dòng)旁路加空水冷的變頻改造模式，在保證設(shè)備運(yùn)行可靠性的前提下達(dá)到了節(jié)能的目的。為動(dòng)調(diào)軸流一次風(fēng)機(jī)的節(jié)能改造提供了參考，具有很好的經(jīng)濟(jì)意義和推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡小金. 鍋爐一次風(fēng)機(jī)變頻改造與節(jié)能分析（機(jī)電技術(shù)2012年12月）。

[2] 郭慶華，風(fēng)機(jī)變頻改造節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用（出版源 《風(fēng)機(jī)技術(shù)》2005（2）：43-45）。

{3} TMEIC，Mve2 高壓變頻器中文手冊(cè) （2016年版）

作者簡(jiǎn)介：

王飛宇（1979-），男，工程師，華潤(rùn)電力（賀州）有限公司技術(shù)部電氣專業(yè)主任工程師。電話：18607847095，傳真：0774-3369998，郵箱wangfeiyu22@126.com。

嚴(yán)山清（1977- ），男，工程師，華潤(rùn)電力（賀州）有限公司技術(shù)部電氣專業(yè)主任工程師。電話：15177660087，傳真：0774-3369998，郵箱yshanqing2000@163.com。

竇克明（1975-），男，工程師，東芝三菱電機(jī)工業(yè)系統(tǒng)（中國(guó)）有限公司銷售經(jīng)理。電話：15323385548，郵箱 kemingdou@tmeic-cn.com