高压变频器在热电厂硫化床锅炉风机上的应用.doc

高压变频器在热电厂硫化床锅炉风机上的应用(上)高压变频器在热电厂硫化床锅炉风机上的应用摘 要：随着电力电子技术的发展，变频调速应用越来越普遍。它不仅调速性能平稳、控制方式灵活，而且具有各种保护功能，系统安全性高。本文分析了热电厂锅炉风机控制系统的现状及存在的一些问题，阐述了采用变频器控制锅炉风机的方案，从而实现对风机的优化控制，达到节能以及减少设备故障的目的。关键词：变频器；节能；锅炉一、现场简介：青岛恒源热电有限公司现有三台UG-75/5.3-M19-75t/h循环硫化床锅炉，一台QFW-15-2被压式汽轮发电机组，一台QFW-12-2被压式汽轮发电机组，是集中供热、发电为一体的热电联产企业，负责整个黄岛经济开发区工业热源供应。在75t/h循环硫化床锅炉引风机系统配置了三台同型号的G4-68-14D型风机，风量为126263 m3/h,风压为6023Pa，单台风机电机的功率为315KW转速为1450r/min（电机型号：YKK-450-4-315）。在一次风机系统配置了三台同型号的G4-68-14D型风机，风量为91027m3/h,风压为6681Pa，单台风机电机的功率为250KW转速为1450r/min（电机型号：YKK-450-4-250）。锅炉引风机一次风机均采用恒转矩运行，调节风门挡板调节风量，恒速电机驱动风机。二、存在问题：通过锅炉热力试验、数据统计分析，锅炉风机系统采用挡板调节方式在实际运用中存在以下问题：1、挡板式调节，对锅炉蒸发量、温度、压力进行调节时，就要同时调整风门，使之与负荷变化相适应，不仅调速线度差，而且容易造成机械设备震动大，设备损坏率高；2、挡板式调节拖动锅炉风机电机始终以额定转速转动，风机单耗和电机的功率存在浪费能源，锅炉风机电机长期在额定负荷3050%状态下运行，存在着大量浪费能源现象；3、风机电机接在10KV高压母线段，电机采用过载热偶保护，短路采用空气开关保护，保护性能差，容易造成开关越级跳闸；针对上述情况公司对设备进行变频改造，恒源公司在节约成本的策略前提下，考虑到国产高压变频器设备水平已接近国际水平，能满足运行要求，公司根据掌握的变频器资料，公开招标，进行性价比比较，结果山东新风光电子科技发展有限公司生产的JD-BP38-250F型和JD-BP38-315F型高压变频调速器胜出。三、锅炉燃烧过程的变频调速系统改造方案：经变频改造后新的控制系统结构如图一所示，引风机（315kw）、鼓风机（250kw）、供水水泵（采用西门子低压变频器进行改造）均采用单回路控制，风机均采用恒压变流量控制方式，水泵采用恒液位控制方式。风机的控制回路均由压力传感器、压力控制器、DCS及风光高压变频器组成，水泵控制回路由液位传感器、水位控制器、DCS及西门子变频器组成。 图一、锅炉风机、水泵改造系统原理图新的锅炉燃烧控制系统只是将原系统的阀门开度控制信号经DCS转接到变频器上，变频器采用DCS控制。通过4-20mA模拟信号，根据炉膛负压控制变频器的输出频率，并由DCS输出脉冲信号，控制变频器的启动和停止。变频器还可以向DCS反馈运行、停止、准备就绪、报警、故障、主电源电压异常，变压器超温等信号，以及变频器的电流、电机转速等模拟量信号。改造的工程量很小，但整体性能大幅提高。一是执行机构（包括变频器、风机、电机）的线性度得到改善；二是执行机构的反应速度也更加及时。这两点都有利于控制精度的提高和系统的稳定性。考虑到原系统均全天运行，为使系统可靠运行，操作、维护方便。改造后一台引风机使用350KW变频器，一台一次风机使用250KW变频器，正常运行时采用变频运行，变频故障时采用旁路运行，主回路如图二所示，QS1、QS2、QS3为三台高压隔离闸刀，QS1、QS3处于变频运行回路上，KM1、KM2为变频上电瞬间实现限流电阻切换时所用，K10为用户工、变频转换改造时加的一个转换开关。变频运行时，QS1、QS3闭合， QS2断开，K10打到变频位置；变频上电后，通过内部程序KM2会自动吸合将限流电阻引入主回路以消除大电流冲击，上电3S后，KM1吸合，KM2断开变频可以投入运行工频运行时，QS1、QS3断开，QS2闭合，K10打到工频位 置，实现原来的串电阻启动方式。这是高压变频器工变频手动切换的典型应用，QS1、QS2、QS3不能同时闭合，这三个闸刀在机械和电气上都实现了互锁。另外，为了安全，变频故障信号和上一级的高压开关柜也实现互锁，实现高压故障联跳功能。图二、变频器电气改造原理图四 变频器的系统结构：JD-BP38系列高压变频调速系统的结构见图三，由移相变压器、功率单元和控制器组成。变频器共有24个功率单元，每8个功率单元串联构成一相。图三、变频器调速系统结构图变频器采用移相多脉冲整流变压器，二次侧所接各个单元产生的高次谐波电流在相位上产生偏移，因此在变压器一次侧互相抵消，将一次侧到电网的电流谐波控制到最小。变频器输入电流谐波在不加任何滤波器的情况下也能满足IEEE519国际标准，实际检测值如图四所示。图四、高次谐波THDV统计图制器核心由高速32位DSP和HMI协同运算来实现，精心设计的算法可以保证电机达到最优的运行性能。HMI提供友好的全中文监控和操作界面，同时可以实现远程监控和网络化控制。控制器用于柜体内开关信号的逻辑处理，以及与现场各种操作信号和状态信号的协调，增强了系统的灵活性。每个功率单元结构上完全一致，可以互换，其电路结构见图五，为基本的交-直-交单相逆变电路，整流侧为六支二极管实现三相全桥整流，通过对IGBT逆变桥进行正弦PWM控制，开关器件采用1700V的IGBT。而低压变频技术目前已经非常成熟，因此变频单元的可靠性极高。图五、变频器单元结构原理图变频器的相电压输出为8个单元串联输出，线电压输出17电平。每个单元的输出都采用正弦波PWM波形调制，载波频率为3kHz，因此输出电流为正弦波，输出电压非常近似正弦波。相电压的理论输出电压迭加波形如图六所示。图六、线电压的理论输出电压迭加波形另外，控制器与功率单元之间采用多通道光纤通讯技术，低压部分和高压部分完全可靠隔离，系统具有极高的安全性，同时具有很好的抗电磁干扰性能，并且各个功率单元的控制电源采用一个独立于高压系统的统一控制器，方便调试、维修、现场培训，增强了系统的可靠性。控制器有一套独立于高压电源的供电体系，在不加高压的情况下，设备各点的波形与加高压情况基本相似，在模拟调试情况下八单元串联后输出的线电压如图七所示。给整机可靠性、调试、培训带来了很大方便。图七、输出17电平线电压的波形五、风光高压变频器的主要技术特点：1、采用高速DSP(TMS320F2812)作为中央处理器，运算速度更快，让控制更精准。系统升级更方便；2、飞车启动功能，能够识别电机的速度并在电机不停转的情况下直接起动；3、瞬间掉电再启动功能，运行过程中高压瞬时掉电三秒钟内恢复，高压变频器不停机，高压恢复后变频自动运行到掉电前的频率；4、线电压自动均衡技术（采用中性点漂移技术），变频器某相有单元故障后，为了使线电压平衡，传统的处理方法是将另外两相的电压也降至与故障相相同的电压，而线电压自动均衡技术通过调整相与相之间的夹角，在相电压输出最大且不相等的前提下保证最大的线电压均衡输出；5、单元内电解电容因采取了公司专利技术（专利号ZL 2003 2 0107356.2 ），可以将其使用寿命提高一倍；高压提升机产品采用了更长寿命的电力电容；6、运行过程中外部频率给定信号出现故障（短路或开路），整机维持故障前的运行频率不变，并能给出报警信号；7、单元串联多重化结构，模块化设计。这样IGBT承受电压较低，可以有较宽的过压范围（1.15Ue），设备可靠性更高；六、应用高压变频调速系统产生的效果：青岛恒源热电有限公司选用型号JD-BP38-250F和JD-BP38-315F风光高压变频器，于2009年9月20日开始安装调试，2009年11月1日一次性投运成功。变频运行后，风门全部打开，运行频率在30-40Hz，不仅完全满热电厂生产工艺要求,而且用户操作非常方便。变频器运行非常稳定，取得了良好的经济效益。1、节能效果明显设备名称额定功率工频运行功率变频运行功率年节约电量年节约电费节电率引风机315KW265KW158KW605284KW30万元40%一次风机250KW227KW141KW495360KW24万元38%(注：年运行时间按8个月计算，电费为：0.5元/kwh) 根据青岛恒源热电厂的实际运行数据表明在风机改造高压变频后节能效果显著，2年不到就能收回投资；2、变频改造后，实现电机软启动，启动电流小于额定电流值，启动更平滑，延长电机和风机的使用寿命； 3、改善了工艺。投入变频器后风机可以非常平滑稳定的调整风量，运行人员可以自如的调控，风机运行参数得到了改善，提高了效率；4、减少阀门机械和风机叶轮的磨损。安装变频调速后，风机经常工作在比原来定速时低，大大减少了风机叶轮的磨损，减少了风机振动。延长风机的大修周期，节省检修费用和时间； 5、功率因数由原来的0.8左右提高到0.95以上，不仅省去了功率因数补偿装置，而且减少了线路损耗；七、结语：在青岛恒源热电有限公司引风机和引风机采用FG-JDBP-38型高压变频器，不但操作方