1、电厂 6kV、700kW 引风机变频技术改造可行性研究报告北京中能长城控制公司2003 年 3 月 12 日目 录一、 概述二、 存在的问题三、 系统改造技术方案四、 高压变频器的基本规格五、 高压变频器的主要特点六、 运行效果及经济分析七、 结论八、 附件6kV、700kW 引风机变频技术改造可行性研究报告一、 概述随着电力系统商业化运营的深入实施，火力发电厂的节能降耗工作已成为降低发电成本、提高经济效益的重要措施之一。由于发电机组的运行随电网负荷的变化而变化，而电机容量大、能耗高的辅机设备则只能按定速的方式运行，功耗无法随机组负荷变化进行调整；只能采取改变挡板或阀门开度的方式调整辅机运行工
2、况满足随机组运行需要。因此，需要采用一种手段来及时地调节送风机、引风机、给水泵、凝结泵、循环泵等辅机主设备的运行状态，改变其运行速度、频率、电压和功率等参数；使之既满足生产要求，又可以达到节能降耗、减少因调节挡板或阀门开度而造成的经济损失。目前，实现辅机调速的重要手段之一是采用变频技术。已在工业领域广泛使用的高压变频技术既可以满足辅机负荷变化的运行要求，又可以降低设备损耗、节约电能。引风机是火电厂燃煤锅炉送引风系统的主要设备之一。通过控制引风机入口挡板开度调节引风量，维持炉膛负压在-20-40Pa 的范围内运行。如果炉膛负压太小，炉膛容易向外喷粉，既影响环境卫生，又可能危及设备和操作人员的安全
3、；负压太大，炉膛漏风量增大，增加了引风机的电耗和烟气带来的热量损失。因此，控制引风量大小，稳定炉膛负压值，对保证锅炉安全、经济运行具有十分重要的意义。二、存在的问题发 电 厂 125MW 机 组 ， 采 用 2 台 定 速 电 动 机 带 动 引 风 机 ， 靠 引 风 机 挡 板 的 开 大 、关 小 调 节 引 风 量 ， 以 适 应 机 组 负 荷 变 化 。 该 系 统 在 运 行 过 程 中 存 在 诸 多 问 题 ：1、 挡 板 调 节 造 成 节 流 损 失 严 重 ；2、 在 风 速 较 大 时 ， 会 产 生 挡 板 的 冲 击 损 耗 ；3、 挡 板 动 作 迟 缓 ， 手
4、 动 时 运 行 人 员 不 易 操 作 ， 而 且 操 作 不 当 会 造 成 引 风 机 震动 ； 自 动 时 ， 很 难 满 足 最 佳 品 质 ；4、 引 风 机 挡 板 执 行 机 构 为 大 力 矩 的 电 动 执 行 器 ， 故 障 较 多 ， 不 能 适 应 长 期 频繁 调 节 ， 使 引 风 系 统 一 直 不 能 投 入 自 动 运 行 ；5、 引 风 机 电 机 在 启 动 时 ， 启 动 电 流 一 般 为 额 定 电 流 的 68 倍 ， 因 此 启 动机 械 转 矩 严 重 影 响 电 动 机 的 使 用 寿 命 ；6、 电 机 容 量 比 引 风 机 额 定 出
5、 力 大 ， 这 部 分 多 余 容 量 不 能 利 用 ， 白 白 浪 费 ；7、 引 风 机 运 行 多 年 ， 效 率 下 降 ， 造 成 锅 炉 运 行 不 稳 定 。8、 设 备 维 护 周 期 短 ， 维 护 量 大 ， 维 修 费 用 高 。解 决 上 述 问 题 ， 可 以 采 用 液 力 耦 合 器 的 方 式 调 整 引 风 机 转 速 改 变 运 行 工 况 ，但 是 存 在 安 装 体 积 大 ， 受 现 场 制 约 因 素 多 ， 调 速 效 率 低 ， 调 节 品 质 差 ， 液 压 油 经常 泄 漏 ， 维 护 量 大 ， 浪 费 能 源 等 缺 点 。 而 采
6、用 高 压 变 频 调 速 技 术 则 可 以 很 好 的 解决 铜 陵 发 电 厂 引 风 机 系 统 中 存 在 的 上 述 问 题 ， 且 不 受 现 场 安 装 位 置 的 限 制 ， 具 有系 统 安 全 可 靠 ， 效 率 高 ， 调 节 品 质 好 ， 无 污 染 ， 维 护 量 小 ， 节 约 能 源 等 优 点 。利用高压变频控制技术对引风机电机进行调速控制，实现引风量随机组负荷变化。不仅可以消除因调节挡板带来的节流损失，解决控制挡风板调节线性度差、纯滞延大等难以控制的缺点，而且还提高了系统运行的可靠性。更重要的是引风机出口风压得以控制，避免了挡板开关时风阻压差大，效率低，风
7、道磨损、噪声大等问题；降低了系统对风道密封性能的破坏，延长设备使用寿命，维护量降低，改善了系统的经济性，节约能源，为降低电厂厂用电率提供了良好的途径。目前国内使用的 6kV 高压变频器的厂家不少。通过综合技术、性能、价格比较，以美国罗宾康公司的产品性能价格比为最佳。它采用多个低压 PWM 逆变功率单元多重化串联的方式实现直接高压输出，从而在技术上很好的解决了高压变频器对网侧高次谐波污染问题，达到并超过了 IEEE519-1992 对谐波污染的最严格要求，因而又称为“完美无谐波变频器” 。同时，采用多电平移相式 PWM 技术，使得高压变频器对驱动电机性能的要求大大降低，可以直接连接到任何品牌电动
8、机或原有旧电动机上；采用高压速流二极管和高压 IGBT 等技术先进成熟的高压器件，从而使系统主回路使用的元器件大为减低，提高了系统可靠性，柜体缩小，成本减少。另外，由于系统结构的改进和先进技术的应用，高压变频器无需安装功率因数补偿装置，全程功率因数在 95%以上，综合效率高达 98%；无需加装电抗器和输入/ 输出侧滤波装置即可满足现场对谐波和电磁噪声污染以及对电机输出的正弦电压电流波形的严格要求。三、系统改造技术方案引风机控制改造前，炉膛压力控制系统原理如下图（a）所示。负压调节器 PI 接受炉膛负压信号和来自送风系统的前馈信号，综合运算后经操作器输出给驱动放大器调节引风机入口挡板开度大小，通
9、过改变挡板前后压差控制引风量，达到稳定炉膛负ZT炉 膛 负 压 信 号 PIA/MTTPT PT送 风 量 信 号引 风 机 1挡 板调节器操 作 器驱 动放 大 器 BP1M1炉 膛 负 压 信 号 PIM2PT PT送 风 量 信 号引 风 电 动 机 1 引 风 电 动 机 2调节器变 频 器K If (x)AAZTA/MTT操 作 器驱 动放 大 器 K If (x)A引 风 机 2挡 板A/MTT操 作 器 IAZTABP1变 频 器 A/MTT操 作 器 IAZTa b压的目的。改造后，炉膛压力控制系统原理如上图（b）所示。引风机挡板全开，不参与调节。负压调节器的运算处理信号经操作
10、器给变频器，由变频器输出变频变压的交流电源驱动引风机电动机控制引风机转速直接改变引风量大小，稳定炉膛负压。通过对变频改造前后的系统比较可以看出，系统控制结构及运行操作方式基本不变，根本区别在于对引风量的控制由间接改为直接控制。即，由原来的引风机入口挡板开度改变前后压差控制风量，改为调节引风机转速直接控制风量。该变频控制系统可以与 DCS 连接，进行数据通讯，运行人员可以通过 DCS 中的画面对引风机的工作电流、转速、输出功率以及运行、停止、故障等状态进行实时监测与控制。引风机变频改造系统的主电气接线图如下所示。原工频控制回路保持不变，增加工/变频切换回路、变频控制装置（变频器） 。当引风机变频
11、运行时，合变频器输入（DK1） 、输出（DK2）隔离开关，断开旁路开关（DK3） ，由变频器实现引风机启停及转速控制实现风量调节；当变频线路出现故障，引风机工频运行时，合旁路开关（DK3） ，断开变频器输入（DK1） 、输出（DK2）隔离开关 ，由原系统实现引风机启停及控制。经改造后的引风机控制系统主要体现出以下特点：（1）效率高，能耗低，节能效益显著，性能价格比高。 （2）启动转矩大、电流小，机械特性好。由于采用矢量控制技术使得速度控制和瞬态响应的精度大大提高。 （3）系统动态响应速度快，调节线性完 美 无 谐 波变 频 器控 制 电 源切 换 装 置 UPS6KV母 线 段 电3相 ， 3
12、80V， 50Hz工 作 电 源3相 ， 380V， 50Hz备 用 电 源M原 工 频 控制 回 路工 /变 频 控 制及 切 换 回 路引 风 机 电 机DK1 DK3DK2DL度好，自动投入率高。 （4）系统抗干扰能力强，操作方便、工作可靠。 （5）采用多重化干式隔离变压器进行输入侧隔离，以减小对电网的谐波污染。 （6）具有极强的自诊断和保护功能，能够对短路、过热、过电流、过电压、欠电压、缺相等故障进行快速有效的诊断和保护。四、6kV 高压变频器的基本规格额定容量（kVA） 875额定电流（A） 100额定电压（V） 三相，6000最大电流（A） 117输出频率（Hz） 50/60额定输
13、出 适用电动机最大输出功率（参考） （kW ） 750主回路 三相，6000V，50Hz控制回路 380V，三相，10kVA输入容许电源流动 电压：10%，频率5%控制方式 恒转矩、变转矩（带有简易型无速度传感器矢量控制）输出频率控制范围 0.2-60（ Hz）输出频率控制精度 最高频率的0.5%输出频率精度 0.1Hz加减速时间 0.13600 秒过载能力 120%， 60 秒主要控制功能 瞬停再启动，电流限制保护功能 过电流、主回路熔断器断、过压、欠压、CPU 异常、冷却风扇停止。控制方式通讯功能（选件） PROFIBUS（ 12Mb） ，T-LINK控制柜结构 钢板制、立式、闭锁形、两面
14、维护防护等级 IP20冷却方式 由顶部风扇强迫换气结构涂装颜色 迈歇尔 5Y7/1（内外柜面相同）环境温度 0+40 C（保存温度：5+50 C）湿度 最高 85%RH（无凝露）标高 海拔 1000m 以下振动 4.9m/s2 以下（1050Hz）设置场所 通风良好的室内环境条件环境气体 无腐蚀性汽体、无尘埃、无引发火灾及爆炸性气体的一般环境五、高压变频器的主要特点高压变频器主要汇集了以下特点，简述如下：1. 输入变压器和电力电子部分一体化结构，体积小，安装方便。2. 36 脉冲二极管整流输入，13 电平 IGBT-PWM 逆变，电压源型变频器。3. 整流电路采用 36 相整流，逆变回路采用独
15、特的单相 3 电平控制技术，从而构成了对电源和电动机都十分友好的双完美系统：电源一侧为完美无谐波输入，所含谐波超过国际谐波标准 IEEE519-1992 的规定，不需要加设交直流电抗器和滤波器；电动机一侧，输出为完美的正弦波，可以直接联接任何品牌电动机或原有旧电动机，不需要加设谐波滤波器。以 6.6kV/1250kVA 为例，见下表及图。高次谐波次数 5次 7次 11次 13次 17次 19次 23次 25次 29次 31次 35次规定的谐波值（5%）4.0 2.8 1.8 1.5 1.1 1.0 0.9 0.8 0.8 0.8 0.8计算值（%） 0.87 0.64 0.01 0.37 0.
16、12 0.11 0.17 0.01 0.14 0.12 0.344. 变频器是一体化设计，用户只需连接高压输入，高压输出，380V 低压辅助控制电源和控制信号线即可，整套系统在出厂前进行整体测试。5. 变频器综合效率（含输入变压器）高达 98%，功率因数超过 95%。6. 电网适应能力强，可承受+10%，-30% 电网波动。在 30%的电压下降或完全失去电网电力 5 个周期的情况下，无跳闸运行。7. 高性能矢量控制和无速度传感器矢量控制，开环转速精度达 0.5%，起动力矩超过150%。8. 频器输出谐波电流极小，输出波形不会引起电机的谐振，各次转矩脉动均小于 0.1%，不会产生由于谐波转矩引起
17、的共振问题，也可避免风机的喘振现象。9. 变频器可以任意设定三组临界速度，避免电机及负载设备产生共振频率。10.单元与控制板之间采用双向无噪音的光纤信号连接，实现高精度、高速度的数字通讯，从而保证了低压控制电源部分和高压电源部分很高的电压隔离。系统安全可靠，抗干扰能力强。11.加、减速时间在 0.13600 秒内可任意设定。12.双频制动（专利技术） ，大幅度提高电压源型变频器的制动力矩。13.变频器可以在一些常见的故障情况下继续运行，使系统不停机。这就意味着机组运行不受影响，效益得到提高；在机组允许的条件下在进行检修。14.输入变压器提供瞬时过电压保护。如果环境温度过高，变频器会降低生产负载
18、继续工作而不跳闸。15.当发生中断时，变频器可在电机还在旋转的情况下重新转速跟踪起动，恢复运行。16.新型功率单元旁路技术，故障单元 250ms 内自动旁路，支持中心点偏移式旁路方案（专利技术） ，故障单元旁路后，6KV 输出电压等级变频器输出电压可维持 94%以上，保证系统在功率单元故障情况下无间断进行。17.配备两路 AC400V 电源自动切换装置保证变频器连续不间断运行；内置 UPS 可避免因系统信息丢失，增加系统安全可靠性。18.变频器具有过压、过流、欠压、缺相、变频器过载、变频器过热、电机过载、输出接地、短路、超频、失速、半导体器件过热、瞬时停电等保护功能，也可联跳输入侧 6KV 开
19、关。19.内置式 PLC，采用 IEC1131 标准编程语言，包含变频器起动，停止，紧急停止等所有开关量，模拟量， I/O 口均可编程，可扩展。20.3 路模拟量输入，3 路模拟量输出接口，均可选择为420mA/020mA/010VDC；7 路可编程数字量输入； 3 路可编程继电器输出；1路大容量干接点输出；一个系统紧急停车数字量输入。工业标准通信接口，支持多种通讯标准可方便实现与各种 DCS 的挂接。21.变频器具有完备的自诊断功能，可以提供极有价值的运行信息和诊断详情报告（诊断表、参数表、历史表、单元故障表、单元状态表） ，帮助用户对设备进行管理及维护。22.基于 PC 机和 Window
20、s 操作系统的中/英文显示图形界面，可对变频器进行参数设定，运行控制，变量实时显示、记录，故障诊断，一台上位机可控制多台变频器。23.功率质量监控功能：在线监测变频器输入电压、电流、输入有功功率、无功功率、输入功率因数、累计用电量、输出电压、电流、功率、频率、电机转速等。24.支持变频运行和工频运行在线同步切换。25.输出频率最高可达 330Hz，支持高速电机。26.多电平输出，无需滤波器，对电机没有任何特殊要求，电机不会受到共模电压和dv/dt 的影响。可以使用普通国产异步电机，包括旧电机，电机不必降额使用。六、运行效果及经济效益分析通过对原系统的分析和对变频改造后的研究论证；经改造后，系统
21、在运行稳定性和经济性上得到明显改善： 可以非常平滑、稳定地调整风量，运行人员对锅炉燃烧的调整控制更为稳定自如。 大大改善了锅炉燃烧自动控制系统的工作状况，使系统自动调节性能大大提高，改善了调节品质。 锅炉燃烧状况明显改善，炉膛负压稳定，消除了炉膛喷粉、漏风等现象的发生。 引风机可以随机组负荷的变化而调节输出功率，达到了节能的目的。引风机单耗明显降低（一般降低 20-60%） 。 消除了挡板开度调节引起的节流损失，提高了系统效率。 由于变频器对电动机的软启动和保护等功能，降低了设备损坏，延长了使用寿命，减少了设备维护量。经济效益预测：经改造后的引风机转速调节与改造前的风门挡板开度调节相比，其节能
22、效果计算如下：(1)参数情况：电动机输出功率：1000kW。年运转时间：8000 小时。运转类型：1/2 时间（4000 小时）工作在 85%负荷，1/2 时间（4000 小时）工作在 50%负荷。（2）挡板调节状况下运行：（ %）流 量 （ %）8060402001080604020所需要功率P 定 速 运 行 时 的电 动 机 功 率变 频 控 制 时 的电 动 机 功 率10节 能 效 果负荷在 85%时：需要功率=99%700kW=693kW负荷在 50%时：需要功率=94%700kW=658kW全年消耗电量：（693kW+658kW）4000h=5404000kWh（3）变频调速状况
23、下运行：负荷在 85%时：需要功率=67%700kW=469kW负荷在 50%时：需要功率=35%700kW=245kW全年消耗电量：（469kW+245kW）4000h=2856000kWh（4）全年节能效果：5404000-2856000=2548000kWh节电率：2548000/5404000=47.15%（5）全年节约资金：按上网电价约 0.3 元/kWh 计算：0.3/kWh2548000kWh =76.44 万元，预测大约在 1.5 年2 年可以收回改造投资。除了上述直接经济效益外，还有许多间接经济效益：(1)采用变频调速，消除了大电动机启动时对电网电压的波动影响。(2)采用变频
24、调速，消除了大电动机大电流启动时的冲击力矩对电机损坏。(3)采用变频调速，延长了电机等设备的使用寿命，减轻了维修人员的工作量，降低了维修费用。(4）提高了系统自动装置的稳定性，为系统的经济优化运行提供了可靠保证；系统的运行参数得到改善，提高了效率。七、结论从上述分析可以得到如下结论：（1）高压变频器在引风机上应用，节能效果十分明显，按前面的测算节能达47.15%，大约 1.5 至 2 年可以收回改造投资费用。（2）在引风机上采用变频调速系统后，特别采用自动闭环系统后，很好的保持炉膛负压稳定，减少了烟气热量损失，对系统经济优化运行提供了可靠保证。（3）电动机启动对电网没有冲击，系统综合效率高达 98%，功率因数高达95%，对电网为完美无谐波输入，对电动机为完美的正弦波，不需设置任何滤波器、交直流电抗器、功率补偿器、输出变压器等。（4）机组处于调峰运行时，风机功耗下降，噪声随之降低，电机、风道等设备延长了使用寿命，维修量下降，节约维修费用和维修时间。（5）高压变频器所具有的优越性能和技术特点，保证了送引风系统的工艺要求能够完美的实现，并达到最佳的运行状况。八、附件
