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1. 工程概況
西北某發(fā)電廠，始建于1969年。#3機組（200MW）于1983年二期擴建時投產(chǎn)。由于調(diào)峰任務重，常帶140-180MW負荷運行。該機組配置兩臺AL-R252離心式送風機，靠調(diào)節(jié)送風機擋板來控制鍋爐進風量，以適應機組負荷變化的需要。當機組在額定負荷下運行時，風機效率較為理想，但當機組降負荷運行時，一部分功率被消耗在擋板上，且機組負荷越低，消耗在擋板上的功率越大，從而使風機效率隨機組負荷降低而迅速下降。
該系統(tǒng)在運行過程中還存在一些其他問題：
（1）擋板動作遲緩，手動時運行人員操作不靈活，如操作不當還會造成送風機振動。投自動運行時，很難滿足最佳調(diào)節(jié)品質(zhì)。
�。�2）送風機擋板執(zhí)行機構(gòu)故障較多，不能適應長期頻繁調(diào)節(jié)，使送風機調(diào)節(jié)系統(tǒng)一直不能正常投入自動運行。
�。�3）送風機電機在啟動時，采用直接啟動方式，啟動電流為額定電流的5-7倍，電機受到的機械，電氣沖擊較大，經(jīng)常發(fā)生轉(zhuǎn)子籠條斷裂事故。
�。�4）電機容量比送風機額定出力大，多余容量不能利用，降低了效率，浪費了電能。
（5）擋板受沖擊，磨損較嚴重。
為了解決上述問題，決定對甲側(cè)送風機控制系統(tǒng)進行改造，利用電機變頻調(diào)速方法實現(xiàn)送風量調(diào)節(jié)，達到節(jié)能和實現(xiàn)穩(wěn)定控制的目的。
2. 變頻改造方案簡介
#3爐甲側(cè)送風機為普通國產(chǎn)電機，主要參數(shù)如下：型號為YKK630-6，額定功率為1250kW，6極，額定電壓為6 kV，額定電流為145A，額定頻率為50Hz，額定轉(zhuǎn)速為985r/min，絕緣等級為F級。
2007年3月初完成了#3爐甲側(cè)送風機變頻改造項目，在電機與開關(guān)之間增加了一套高壓變頻裝置，并保留了原有工頻回路作為旁路。改造后系統(tǒng)由四大部分組成：高壓變頻器、隔離變壓器、電機和開關(guān)，電氣接線圖如圖1所示。
 圖1 #3爐甲側(cè)送風機電氣接線圖 送風機高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用深圳市科陸變頻器有限公司生產(chǎn)的CL2700型高壓變頻器，CL2700型高壓變頻器具有以下性能特點：
1.高效率、無污染、高功率因數(shù)
CL2700系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用的是功率單元串聯(lián)的高-高方案，采用了多繞組高壓移相變壓器，二次側(cè)繞組中流過的電流在變壓器一次側(cè)疊加時，形成非常逼近正弦波的電流波形。經(jīng)過實際測試，50Hz運行時，網(wǎng)側(cè)電流諧波 < 2%，電機側(cè)輸出電壓諧波 < 1.5%（即使在40Hz時，仍然 < 2%），成套裝置的效率 > 97%，功率因數(shù) > 96%。完全滿足了IEEE 519-1992對電壓、電流諧波含量的要求。
另外，通過采用自主開發(fā)的專用PWM控制方法，比同類的其它方法還可進一步降低輸出電壓諧波1～2%
2.先進的故障單元旁路運行（專業(yè)核心技術(shù)）
為了提高系統(tǒng)的可靠性，整個變頻調(diào)速系統(tǒng)中考慮了一定的輸出電壓余量，并在各功率單元中增加了旁路電路。當某個功率單元出現(xiàn)故障時，可以自動監(jiān)測故障并啟動旁路電路，使得該單元不再投入運行，同時程序會自動進行運算，調(diào)整算法，使得輸出的三相線電壓仍然完全對稱，電機的運行不受任何影響。這種控制方法處于國際先進，國內(nèi)領(lǐng)先的水平，它將大大提高系統(tǒng)的可靠性和運行的穩(wěn)定性。
3.高性能的控制技術(shù)
CL2700系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)率先實現(xiàn)了簡易矢量控制技術(shù)，可以實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩快速動態(tài)響應，并且具有加、減速自適應功能，即可根據(jù)運行工況參數(shù)的實際變化，自動調(diào)整加、減速時間，在不超過最大允許電流的情況下，快速達到設(shè)定轉(zhuǎn)速;同時，系統(tǒng)可以自動識別電機轉(zhuǎn)速，用戶可以不考慮電機目前的運行狀態(tài)，電機不需要停止運行就可直接實現(xiàn)電動機的啟動、加速、減速或停車操作。
CL2700系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)還可以實現(xiàn)反饋能量自動限制功能。
4.高可靠性
控制電源可實現(xiàn)外部380V供電和高壓電源輔助供電雙路電源自動切換，即使兩路電源都出現(xiàn)故障時，控制系統(tǒng)仍然可以工作足夠長的時間，控制整個系統(tǒng)安全停機，發(fā)出報警，并記錄故障時的所有狀態(tài)參數(shù)。
采用高速光纖通信，可有效避免電磁干擾。
當單元故障數(shù)目超過設(shè)定值時，系統(tǒng)可自動切換到工頻運行。
整流變壓器有完善的溫度監(jiān)控功能。
獨特設(shè)計的功率柜風道，主要發(fā)熱元器件都靠近或處于風道中，散熱效果好，保證了系統(tǒng)的過載能力。
抗電網(wǎng)電壓波動能力強，當電網(wǎng)電壓在-15%～+15%范圍內(nèi)波動時，系統(tǒng)可以正常工作;對于功率單元，在電壓-25%～20%范圍內(nèi)變化時，都可正常工作。
3 送風機變頻改造效益分析
交流電動機的調(diào)速方法，可從以下公式分析：
n=60f（l-S）/P
式中：n-電動機轉(zhuǎn)速;
f-電動機定子供電頻率;
p-電動機極對數(shù);
s-電動機轉(zhuǎn)差率。
由上式可知，如果均勻地改變電動機定子供電頻率，可以平滑地改變電動機的同步轉(zhuǎn)速。實際上，在改變供電頻率的同時，還需要維持電機磁通恒定，即保持電動機的輸出力矩不變。因此，在電動機調(diào)速過程中，應保持定子供電電壓和頻率的比值v/f為一定值。改變頻率的調(diào)速屬于轉(zhuǎn)差率基本不變、同步轉(zhuǎn)速和電動機理想轉(zhuǎn)速同步變化條件下的調(diào)速，所以變頻調(diào)速的調(diào)速精度、功率因數(shù)和效率都較高，容易實現(xiàn)閉環(huán)自動控制。
根據(jù)風機相似定律：N/Nb=（ng/nb）3，功率與電機轉(zhuǎn)速的立方成正比，風機的風量與轉(zhuǎn)速成正比，當轉(zhuǎn)速降低時，風機所消耗的電功率按3次方比例關(guān)系下降。在機組低負荷情況下，對風量的需求相對較少，例如，要求風量在80%的情況下，采用變頻控制時，電機消耗的功率=（80%）3≈50%;而采用擋板調(diào)節(jié)風量時，電機消耗的功率約為90%，能量流失嚴重。由此可見，采用變頻調(diào)節(jié)后，入口擋板全開，幾乎消除了擋板節(jié)流阻力，節(jié)能效果明顯。
3.1理論計算
主要技術(shù)數(shù)據(jù)如下：電機功率為1250kW，電機效率為95%，cosφ=0.85，變頻系統(tǒng)（含隔離變壓器，PF7000變頻器）效率不低于96.5%，在滿負荷時，變頻系統(tǒng)功率因數(shù)≥0.96。根據(jù)西北電網(wǎng)火電機組的實際運行情況（調(diào)峰力度大，機組年運行小時數(shù)低），設(shè)年運行小時數(shù)為5000h，電價0.3元/度。
下面在風門開度分別為90%、80%、70%和60%的情況下進行效益分析。
�。�1）擋板控制風量時
①風門開度為90%時，根據(jù)運行經(jīng)驗，電流為120A左右;
�、陲L門開度為80%時，根據(jù)運行經(jīng)驗，電流為113A左右;
�、埏L門開度為70%時，根據(jù)運行經(jīng)驗，電流為109A左右;
�、茱L門開度為60%時，根據(jù)運行經(jīng)驗，電流為107A左右;
P90= UIcosφ/η=1.732×6×120×0.85/0.95=1116kW
P80=UI cosφ/η=1.732×6×113×0.85/0.95=1051kW
P70=UI cosφ/η=1.732×6×109×0.85/0.95=1013kW
P60=UI cosφ/η=1.732×6×107×0.85/0.95=995kW
�。�2）變頻調(diào)速控制風量時
P90=Pχ×（Q%）3ηMV=1250×（0.9）3/0.965=944kW
P80=Pχ×（Q%）3ηMV=1250×（0.8）3/0.965=663kW
P70=Pχ×（Q%）3ηMV=1250×（0.7）3/0.965=443kW
P60=Pχ×（Q%）3ηMV=1250×（0.6）3/0.965=280kW
�。�3）每年效益
P90=（1116-944）×5000×0.3=25.8萬元
P80=（1051-663）×5000×0.3=58.2萬元
P70=（1013-443）×5000×0.3=85.5萬元
P60=（995-280）×5000×0.3=107.25萬元
�。�4）投資回收年限計算
投資回報年限可按以下公式計算：
A=P×i×（1+i）n/[（1+i） n-1]
式中：A為每年收益，P為總投資，n為回收年限，i為利率。
假設(shè)每年收益按70萬元計算，總投資按180萬元計算，利率按5.5%計算，通過計算可得n=2.84，即該項目投資回收年限為2.84年。
3.2 實測數(shù)據(jù)
3.3 改造前后送風單耗比較
2007年9月，#3爐送風機單耗為2.02kW·h/t汽，在甲側(cè)送風機變頻改造前的相同工況下，送風單耗為3.33kW·h/t汽，鍋爐累計蒸發(fā)量251460t汽，全月節(jié)電量為251460×（3.33-2.02）=329412.6kW·h，#209機組實際運行時間為20天，平均負荷為175.8MW，平均節(jié)電量為1.647萬度/天。#209機組按每年運行5000h（約208天）計算，每度電按0.30元計算，每年可產(chǎn)生經(jīng)濟效益102.77萬元。
甲側(cè)送風機變頻改造后，乙側(cè)送風機運行時擋板一直保持全開，鍋爐進風量主要靠甲側(cè)風機變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，乙側(cè)風機的效率總是保持在較高水平，這樣，兩臺送風機的總體效率大大提高了。通過理論計算、實測數(shù)據(jù)和送風單耗三種方式進行分析，雖然結(jié)果有所差異，但從總體上可以看出該項目的節(jié)能效果非常明顯。
4. 結(jié) 論
該項目的最大意義是節(jié)能，采用變頻器控制進行驅(qū)動后，與原檔板調(diào)節(jié)風量的方式相比，風機效率穩(wěn)定在一個較理想的范圍內(nèi)，電動機的能耗大大降低，特別是機組在低負荷運行時，效果更顯著。采用變頻調(diào)速后，提高了機組自動裝置的穩(wěn)定性，為優(yōu)化燃燒、提高鍋爐效率提供了可靠保證。
高壓變頻器由于節(jié)能效果顯著，在電力系統(tǒng)中已廣泛應用，采用變頻調(diào)速后，還改善了電機的啟動性能，電機實現(xiàn)軟啟動，有效地減少了轉(zhuǎn)子籠條斷裂故障，延長電機，特別是轉(zhuǎn)子鼠籠條的壽命。這是因為電機直接啟動的電流約為額定電流的5-7倍，啟動時間約為10s，對電機的沖擊很大。另外，變頻調(diào)速時擋板全開，可減少風道振動與磨損，提高機械壽命。總之，高壓變頻裝置節(jié)能效果好、技術(shù)先進、使用成熟、性能可靠，是理想的節(jié)能改造設(shè)備。
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