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高壓變頻器在昆明鹽礦發電廠的應用

2014-04-14 11:28:25

  高壓變頻器在昆明鹽礦發電廠的應用
  The Application of High Voltage Inverters in Kunming Salt Mine Power Plant

  山東新風光電子科技發展有限公司   林紅波 李源
  云南昆明鹽礦  趙永福
  Lin Hongbo   Li Yuan   Zhao Yongfu

  摘  要:本文介紹了山東新風光電子科技發展有限公司生產的高壓變頻器在昆明鹽礦鍋爐風機的變頻節能增效情況。結果表明,采用高壓變頻器對當今自發電廠可有效降低發電成本,提高發電企業競價上網的競爭能力。
  關鍵詞:高壓變頻器   風機 節能
  Abstract: This paper describes Shandong WindSun Electronics Science & Technology  Co.,Ltd. produced high voltage inverters in fans of Kunming Salt Mine power plant frequency energy efficiency boiler situation. The result shows that today's high voltage inverter from the power plant can reduce the cost of power generation, power generation companies to improve the competitiveness of bidding.
  Key words: High voltage inverter   Fan   Energy-saving
  1 引言
  我國火電廠尤其是老廠主要用電設備存在較嚴重的能源浪費現象,一般老廠自用電占發電量的9%~10%,其中送風又占自用電的10%,引風機占15%,給水泵占20%。而新建電廠自用電占發電量的6%左右,可見節能降耗的潛力是很大的。為此各火電廠都把挖潛節能降耗的工作提到議事日程,從技術改造著手,尋求節能降耗的途徑和辦法。變頻調速技術無疑是電廠風機水泵節能的重要途徑。
  2高壓變頻節能原理
  異步電動機的變頻調速是通過改變定子供電頻率f來改變同步轉速而實現調速的,在調速中從高速到低速都可以保持較小的轉差率,因而消耗轉差功率小,效率高,是異步電動機最為合理的調速方法。
  由公式n=60f/p(1-s)可以看出,若均勻地改變供電頻率f,即可平滑地改變電動機的同步轉速。異步電動機變頻調速具有調速范圍寬、平滑性較高、機械特性較硬的優點,目前,變頻調速已成為異步電動機最主要的調速方式,在很多領域都獲得了廣泛的應用。
  高壓變頻調速具有如下顯著的優點:
  (1)由負載檔板或閥門調節導致的大量節流損失,在變頻改造后不再有節流損失。
  (2)網側功率因數明顯提高。
  (3)可實現零轉速啟動,避免啟動沖擊電流,減輕了沖擊扭振。
  (4)高壓變頻器本身損耗極小,整機效率在97%以上。
  對離心式風機而言,流體力學有以下原理:輸出風量Q與轉速n成正比;輸出壓力H與轉速n的平方成正比;輸出軸功率P與轉速n的立方成正比;即:
  Q1/Q2=n1/n2,H1/H2=(n1/n2)2,P1/P2=(n1/n2)3
  當風機風量需要改變時,如調節風門的開度,則會使大量電能白白消耗在閥門及管路系統阻力上。如采用變頻調速調節風量,可使軸功率隨流量的減小大幅度下降。變頻調速時,當風機低于額定轉速時,理論節電為:
  E=〔1-( n′/n)3〕×P×T (kW·h)
  式中: n是額定轉速,n′是實際轉速,P是額定轉速時電機功率,T是工作時間。
  可見,通過變頻對風機進行改造,不但節能,而且大大提高了設備運行性能。以上公式為變頻節能提供了充分的理論依據。
  3風光公司高壓變頻調速系統技術特點
  風光牌JD-BP38系列高壓變頻器以高速DSP為控制核心,采用無速度矢量控制技術、功率單元串聯多電平技術,屬高-高電壓源型變頻器,其諧波指標遠小于IEE519-1992的諧波國家標準,輸入功率因數高,輸出波形質量好,不必采用輸入諧波濾波器、功率因數補償裝置和輸出濾波器;不存在諧波引起的電機附加發熱和轉矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題,可以使用普通的異步電機。2007年,高壓變頻器被評為中國名牌產品,是國內高壓變頻器行業為數不多的兩個名牌產品之一。具體來說,風光高壓變頻器除具有一般普通變頻器的性能外,還具有以下突出特點:
  (1)采用高速DSP作為中央處理器,運算速度更快,控制更精準。
  (2)飛車啟動功能。能夠識別電機的速度并在電機不停轉的情況下直接起動。
  (3)完整的工頻/變頻自動互切技術。現在的高壓變頻調速系統一般設置工頻旁路切換柜,變頻器發生故障時能使高壓電機轉至工頻運行,旁路切換有手動旁路和自動旁路切換兩種型式,手動旁路需人工操作,適應于無備用裝置或不重要的運行工況,自動旁路可在變頻器發生故障后直接自動轉換至工頻運行。新風光公司提供的自動旁路切換柜,不僅可實現變頻故障情況下自動由變頻轉換至工頻運行狀態,還可實現在變頻檢修完畢后由工頻瞬間轉換至變頻運行的功能,整個轉換過程不會對用戶設備的運行造成任何影響。
  (4)旋轉中再啟動功能。運行過程中高壓瞬時掉電3s內恢復,高壓變頻器不停機,高壓恢復后變頻自動運行到掉電前的頻率。
  (5)線電壓自動均衡技術(星點漂移技術)。變頻器某相有單元故障后,為了使線電壓平衡,傳統的處理方法是將另外兩相的電壓也降至與故障相相同的電壓,而線電壓自動均衡技術通過調整相與相之間的夾角,在相電壓輸出最大且不相等的前提下保證最大的線電壓均衡輸出。
  (6)單元直流電壓檢測:實時顯示檢測系統的直流電壓,從而實現輸出電壓的優化控制,降低諧波含量,保證輸出電壓的精度,提升系統控制性能,并可使保證運行維護人員實現對功率單元運行狀況的全面把握。
  (7)單元內電解電容因采取了公司專利技術,可以將其使用壽命提高1倍。
  (8) 散熱結構設計合理,單元串聯多重化并聯結構,IGBT承受的電壓較低,可以有較寬的過壓范圍(≥1.15Ue),設備可靠性更高。
  (9) 具備突發相間短路保護功能。如果由于設備原因及其他原因造成輸出短路,此時如果變頻器不具備相間短路保護功能,將會導致重大事故。變頻器在發生類似問題時能夠立即封鎖變頻器輸出,保護設備不受損害,避免事故的發生。
  (10) 限流功能:當變頻器輸出電流超過設定值,變頻器將自動限制電流輸出,避免變頻器在加減速過程中或因負載突然變化而引起的過流保護,最大限度減少停機次數。
  (11) 故障自復位功能:當變頻器由于負載突變造成單元或是整機過電流保護時,可自動復位,繼續運行。
  4  高壓變頻器在昆明鹽礦電廠的應用
  昆明鹽礦1993年6月建成投產,是云南省最大的鹽及鹽化工原料生產基地,云南省第一家高效無磷環保型洗滌助劑生產企業。昆明鹽礦自備電廠45t鍋爐配用一臺送風機配用電機功率315kW/10kV,一臺引風機配用電機功率400kW/10kV。該廠近年來,機組壓負荷調峰和兩班制調速運行時間占機組運行小時數的60%,引、送風機長期處在節流運行。針對上述能源浪費的現象,該廠在2009年機組大修,對100MW機組的引、送風機采用山東新風光電子科技發展有限公司生產的高壓變頻器,進行變頻節能改造。
  4.1高壓變頻器主回路控制方案

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  改造前:原系統10kV高壓開關柜至電機,電機與風機直接連接,通過風門擋板的開度來調節流量。
  改造后:系統10kV高壓開關柜至風光高壓變頻器,風光高壓變頻器與電機相連,通過調節電機的轉速來調節流量,電機與風機間不用做任何改動,且變頻調節時風門檔板可全開。
  根據現場要求,此次2臺變頻器采用一拖一手動旁路控制方案,其一次電路如圖1所示。

  圖1旁路柜中,共有3個高壓隔離開關,為了確保不向變頻器輸出端反送電,K2與K3采用電磁互鎖操動機構,實現電磁互鎖。當K1、K3閉合,K2斷開時,電機變頻運行;當K1、K3斷開,K2閉合時,電機工頻運行,此時變頻器從高壓中隔離出來,便于檢修、維護和調試。
  旁路柜必須與上級高壓斷路器DL連鎖, DL合閘時,絕對不允許操作旁路隔離開關與變頻輸出隔離開關,以防止出現拉弧現象,確保操作人員和設備的安全。
  故障分閘:將變頻器“高壓分斷”信號與旁路柜“變頻投入”信號串聯后,并聯于高壓開關分閘回路。在變頻投入狀態下,當變頻器出現故障時,分斷變頻器高壓輸入;旁路投入狀態下,變頻器故障分閘無效。
  保護:保持原有對電機的保護及其整定值不變。
  4.2高壓變頻器控制邏輯

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  利用DCS控制系統的預留點,設計高壓變頻改造控制、運行監視系統,系統包括工、變頻的運行、停止命令按鈕;轉速調節按鈕;變頻器復位按鈕、緊急停止按鈕;變頻器運行電流、電機轉速顯示;高壓柜以及變頻合閘顯示;變頻器故障報警顯示。
  DCS系統輸出 4~20mA電流信號控制JD-BP38高壓變頻調速系統的運行頻率, 來控制電機的運行轉速。JD-BP38高壓變頻調速系統反饋4~20mA電流信號指示JD-BP38高壓變頻調速系統的輸出頻率、輸出電流。JD-BP38高壓變頻調速系統同時接收DCS控制系統的啟動、停止、急停、復位控制信號,調整運行狀態。
  當JD-BP38高壓變頻調速系統故障時,系統輸出故障停機和報警信息,用于提示用戶啟動故障處理措施,同時JD-BP38高壓變頻調速系統將信號發送給DCS,在DCS系統上顯示故障,以便于及時的排除故障。如果系統出現緊急情況,DCS監視人員立即點擊變頻器緊急停止按鈕,此時變頻器立即封鎖輸出,并及時跳開高壓斷路器開關。
  為保證JD-BP38高壓變頻調速系統操作的安全性,需從改造電機的進線開關柜把斷路器的狀態信號接入JD-BP38高壓變頻調速系統。JD-BP38高壓變頻調速系統輸出的故障跳閘信號接入斷路器的分閘回路,連跳高壓信號接入安全回路,當出現嚴重故障時及時跳開斷路器,保護JD-BP38高壓變頻調速系統及電機。
  如圖2所示,當所有開機條件都具備后,DCS發出變頻運行命令,變頻器內置PLC發出“合閘”信號至10kV高壓柜,高壓斷路器開關合閘,變頻器進行軟充電,5S后充電完成,變頻器處于就緒狀態,由DCS給出4~20mA信號控制變頻器頻率來改變電機轉速。
  4.3高壓變頻器運行及試驗測試
  改造后,對高壓變頻器進行模擬調試、空載調試、帶負荷調試都達到了設計要求。測試項目及結果是:
  (1) 功率因數測試:引、送風電機功率因數均在0.97~0.99。
  (2) 變頻器效率測試:兩臺變頻器效率均在97%~98%。
  (3) 變頻器對公用電網的諧波影響測試:測試10kV電網系統總畸變率1.48%~1.84%,符合國家標準小于4%的規定,測試110kV、220kV電網系統總畸變率1.02%~1.42%,符合國家標準小于2%的規定。
  (4) 用變頻和工頻啟動電流比較:變頻啟動電流小,電流平滑上升,工頻啟動電流則是額定電流的6~7倍,啟動時沖擊電流大,直接威脅電機安全運行和使用壽命縮短。
  (5) 變頻器頻率范圍和精度測試:變頻器頻率調節的范圍0~50Hz,調節范圍寬、調節靈活,達到設計要求的±3%。
  4.4變頻改造節能情況
  2009年12月23日,變頻器正式投入運行,至今運行良好。變頻器使用方便,可靠穩定,維護量小。改造達到了預期目的。
  (1)直接經濟效益分析
  引風機、送風機長期在低負荷運行(60~100MW)時,電機頻率一般為30~47Hz范圍,并且長時間運行在40Hz左右,昆明鹽礦發電廠節能服務中心對風機正常運行時參數實際測量:測試結果為315kW/10kV節電率為38%,400 kW/10kV節電率為40%。
  根據上面的測試結果,一臺機組按照每年運行5500小時計算,
  每臺機組每年可節約電量=引送風機容量×機組年運行小時數×變頻器平均節電率
  =(315kW×38%+400kW×40%)×5500h=1538350kW?h;
  增加上網電價收入=年節約電量×上網電價=1538350kW?h×0.25元/kW?h=384587.5元;
  年節約標煤量=年節約電量×供電煤耗=1538350kW?h×0.42kg/kW?h=646107kg;
  年節約煤碳購置費用=年節約標煤量×標煤單價=646.107t×800元/t=516885.6元。
  采用變頻調速的經濟效益是可觀的。
  (2) 間接經濟效益分析
  用變頻器啟動電機,對電機、電纜、開關等無沖擊電流(用工頻啟動時,啟動電流是電機額定電流的6~7倍,經常造成電機、電纜、開關損壞,機組被迫減負荷或停機)。設備隨生產工藝變負荷運行,大大降低了設備負荷率,延長了風機、電機等設備的使用壽命。減少設備維護費用和違約電量造成的經濟損失。這部分隱形的間接效益也是可觀的,每年節約50~100萬元左右。
  5 結束語
  隨著廠網分開,競價上網日趨激烈,如何降低發電成本,提高發電企業競價上網的競爭能力,加強內部管理,挖潛節能是電廠必須認真研究的一件大事,采用高壓變頻器對電廠高能耗用電設備如送風機、引風機、給水泵、循環水泵等進行技術改造,不僅能收到直接的降低廠用電、降低供電煤耗,增大上網電量帶來的直接經濟效益,而且設備乃至機組的安全可靠性提高,減少機組故障帶來的隱形經濟效益。高壓變頻器技術在發電廠有值得推廣應用的廣闊空間。

 

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