【方案探讨】关于《鹤岗矿务局热电厂高压变频器改造实例》的讨论

鹤岗矿务局热电厂  王中才
一.概况
鹤岗矿务局热电厂位于中国的北方煤城——黑龙江鹤岗市，隶属于矿务局系统，共四机六炉，包括两台50MW发电机组和两台25MW发电机组，四台75吨锅炉和两台220吨锅炉。其中五号和六号炉为220吨锅炉，目前正增建七号炉（220吨锅炉）。
冬季除了正常向东北电网供电外，还要负责鹤岗大部分地区的供热。长期以来我电厂220吨炉的送、引风机电机一直采用工频运行的方式，依靠送、引风机的挡板来调整风量，维持锅炉负压，风机挡板的开度一般在40%左右，这样大量的能量就浪费在风机的挡板上，造成该电厂的厂用电率高居不下。
夏季时，一般只运行一台220吨锅炉，就可以满足负荷的要求。冬季为了供暖的需要，一般两台220吨锅炉都要运行。6号炉和5号炉锅炉给水系统采用母管制，锅炉给水泵的配置为1用1备。当两炉同时运行时，一台工频给水泵的给水量及给水压力刚好满足。在一台锅炉运行的时候，启用一台给水泵，但是给水泵的出口压力为15MP，而现场实际需要的给水压力仅为12.5MP，这样给水泵的出口压力过高，需要调整。因为给水泵是由定速电机拖动的，因此只能通过炉侧阀门来控制给水流量和压力，不但经济效益差，而且由于炉前给水压力过高，对给水管道的安全运行还造成一定的隐患。
为了彻底解决上述问题，我厂决定对6号炉的四台引送风机（两台引风机，两台送风机）及一台给水泵进行技术改造，通过对电机调速来实现上述风机和给水泵的变速运行，对风量、给水流量及压力进行合理调节，以达到改善工艺和节能的目的。
二.调速方式的选择
目前，大功率高压异步电动机的主要调速方式有以下几种：串级调速、液力偶合器调速及变频调速等。
串级调速——优点是可以回收转差功率，所以调速效率比较高，但存在的问题也很多：它不适合于鼠笼型异步电机，必须更换电机；不能实现软起动，启动过程非常复杂；启动电流大；调速范围有限；响应慢，不易实现闭环控制；功率因数和效率低，并随转速的调低急剧下降；很难实现同PLC、DCS等控制系统的配合，对提高装置的整体自动化程度和实现优化控制无益；同时因控制装置比较复杂、谐波污染大对电网有较大干扰；进一步限制了它的使用，属落后技术。
液力偶合器调速——属低效调速方式，调速范围有限，高速丢转约5%-10%，低速转差损耗大,最高可达额定功率的15%,因效率与速度成正比，低速时效率极低，精度低、线性度差、响应慢，启动电流大，装置大，必须加装在设备与电机之间，不适合改造；无法软启动，偶合器故障时，无法切换运行，维护复杂、费用大，不能满足提高装置整体自动化水平的需要。
高压变频器调速——由于应用了先进的电力电子技术、计算机控制技术、现代通信技术和高压电气、电机拖动等综合性领域的学科技术，因此具有其它调速方式无法比拟的优点：
①变频器采用液晶显示数字界面，调整触摸式面板，可随时显示电压电流、频率、电机转速，可非常直观地显示电机在任何时间的实时状态。
②精确的频率分辨率和高的调速精度，完全可以满足各种生产工艺工况的要求。
③高压变频器具有国际通用的外部接口，可以同可编程控制器（PLC）和工控机等各种仪表相连，并可与原设备控制回路相连接，构成部分闭环系统，如与原DCS系统实现数据交换和连锁控制等。
④具有就地和异地操作功能，另可通过互联网实现远程监控功能。
⑤具有电力电子保护和工业电气保护功能，保证变频器和电机在正常运行和故障时的安全可靠。
⑥电机可实现软启动、软制动；启动电流小，小于电机的额定电流；电机启动时间可连续可调，减少了对电网影响。
⑦减少配件的损耗，延长设备使用寿命，提高劳动生产效率。
综合上述调速方式，我电厂选择了当前最为先进的调速形式——高压变频调速，通过对众多高压变频器厂家综合考评，决定选用北京利德华福电气技术有限公司生产的单元串联多电平结构的高压变频器，该变频器具有如下优点：
①在国内高压变频器厂家中业绩最多，系统运行稳定；
②全中文界面显示，适合国内用户；
③针对国内用户量身定做，尽量考虑国内电网的综合因素，在其可靠性，安全性方面有其独到的技术优势；
④内置PLC，易于改变控制逻辑关系，适应多变的现场需要。
三.系统配置方案
根据实际情况，四台锅炉风机变频器及一台给水泵变频器的现场主回路均采用手动一拖一的方案，如下图：

此结构是手动旁路的典型方案,原理是由3个高压隔离开关QS1、QS2和QS3组成（其中QF为原高压开关柜内的断路器）。要求QS2和QS3不能同时闭合，在机械上实现互锁。变频运行时，QS1和QS2闭合，QS3断开；工频运行时，QS3闭合，QS1和QS2断开。在检修变频器时，有明显断电点，能够保证人身安全，同时也可手动使负载投入工频电网运行等。
四.高压变频器改造实施情况
根据现场实际设备，选择变频器的型号如下：



上述五台高压变频器于2005年8月19日运抵现场，至10月1日，全部安装调试完毕，并投入运行，累计工期为一个月。
用于锅炉风机调速的变频器安装于零米处，在锅炉主控间配备一台上位机，同时对四台风机变频器进行监控。另外对原有高压开关柜控制回路进行改造，从变频器控制柜取一对常开节点串入高压开关柜的分闸回路，该节点定义为“合闸允许”，闭合有效。当变频器送控制电自检正常后，该节点闭合，可以通过原有的合闸回路给变频器送高压电。另从变频器控制柜取一对常开节点并入高压开关柜分闸回路，该节点定义为“紧急分断”，闭合有效，当变频器运行中出现重故障时，变频器将自动停机，同时该节点闭合，高压开关跳闸，断开变频器主回路高压电源，对变频器进行及时有效的保护。给水泵变频器的高压开关柜除了上述改造外，在变频器运行前还将原有的电机差动保护回路断开，如果电机需要转入工频运行，则该保护投入。
锅炉给水泵变频器安装于给水泵旁，将上位机监控系统安装于给水泵操作间内，对高压开关柜同样进行类似的改造，以满足变频器投运的要求。
五.运行情况及节能分析
四台锅炉风机变频器从投运以来一直正常运行，由于6号锅炉不是采用DCS控制方式，炉控操作盘上安装空间有限，因此变频器没有使用硬连线方式进行远程的控制，而是通过安装一台专用的监控上位机对变频器进行启动、停止及设定频率等相应操作。因为上位机无法安装于司炉工正前方，在操作及时性上难以保证，因此当前四台锅炉风机变频器运时仍需要挡风板配合，即：根据锅炉负荷情况，通过上位机将变频器调整到较低的运行频率（一般在40赫兹左右），挡风板开度在80%左右，当锅炉风量需要微调时，通过挡风板进行及时调整，保证风量调节的及时性。
给水泵变频器投运以来运行一直都很正常，在6号炉或7号炉单独运行时，给水泵采用变频器调速控制，将炉侧给水阀门全部打开。进入冬季供暖后，6号炉和7号炉同时运行时，单台给水泵需要满负荷运行才能满足负荷要求，因此需要将变频器退出运行，电机转入工频运行。待用户7号炉投入运行时（在建，220吨锅炉），则可以实现两台给水泵同时运行，一台工频运行，另一台变频运行，变频给水泵将起到补充给水的作用，通过变速电机来调整锅炉给水量及给水压力。
变频器投入运行以来，节能效果显著，风机节能数据如下：

注：以上按每年365天计算，按现在6号炉每年累计共运行10个月计算运行系数为：10/12=0.833 ,  每年可节约电费为：158×0.833=131 万元
六.结束语
从几个月的运行情况来看，北京利德华福电气技术有限公司生产的高压大功率变频器性能良好，可靠性高，节能效果明显，满足连续生产对调速系统的要求，达到了节能和改善工艺的目的。
目前我电厂又续购了八台变频器，准备对5号炉和在建的7号炉的锅炉辅机进行变频调速改造，目前该八台变频器正在生产中，相信不久的将来就会继续成功应用在我厂。