高压变频器在火力发电厂引风机上的应用

北京国电四维清洁能源技术有限公司   杨国强

　　内蒙古新丰热电厂，现有投产装机容量2×300MW。机组设计出力为：300MW，机炉配有两台AN31e6(u19-10)型静叶可调轴流式引风机，额定风量：321.4m3/h、全压为5452Pa，轴功率：2104kW；配用YKK800-8-W型电动机，额定功率2500kW、额定电压6kV、额定电流293A、功率因素：0.86、额定转速：746r/min,电动机无调速装置，靠改变风机静叶的角度来调节风量。

　　发电厂的发电负荷根据电网要求，通常在额定负荷的50%～100%之间进行调整、变化，以满足电网运行的要求；发电机输出功率的变化，锅炉系统相关设备也要随着负荷的变化作相应的调整。锅炉的送风量、引风量相应变化，引风机出力调整采用通过改变风机叶片的角度来调节。通过改变风机静叶的角度来调节风量尽管比一般采用控制入口挡板开度来实现风量的调节有一定的节能效果，但是节流损失仍然很大，特别是在低负荷运行时，电动机输出功率大量的能源消耗在挡板上，节流损失更大。其次静叶调节动作迟缓，造成机组负荷调整响应迟滞。异步电动机在启动时启动电流一般达到电动机额定电流的5-8倍，对电动机、动力电缆造成较大冲击，对厂用电系统稳定运行也有一定的影响，同时强大的冲击转矩和冲击电流，缩短了电动机和风机机械的使用寿命。通过大量应用表明，应用高压变频调速装置来改变电机转速，满足不同负载的工艺要求，是解决以上矛盾的有效手段。

　　2．高压变频器调速节能原理

　　2.1 高压变频调速的方法

　　高压变频调速是通过改变输入到交流电机的电源频率，从而达到调节交流电动机转速的目的。根据电机学原理，交流异步电动机转速由下式确定:

  n=60f(1-S)/p    (1)

式中:n—电动机转速；

     f—输入电源频率；

     S—电动机转差率；

     p—电机极对数。

　　由公式(1)可知，电动机的输出转速与输入的电源频率、转差率、电机的极对数有关。交流电动机的直接调速方式主要有：

1) 变极调速(调整p)

2) 转子串电阻调速或串级调速或内反馈电机(调整S)

3) 变频调速(调整f)

　　其中高压变频调速的优点最多，得到了广泛的应用。

　　根据流体力学的基本定律可知：风机(或水泵)类设备均属平方转矩负载，其转速n与流量Q、压力(扬程)H以及轴功率P具有如下关系:

      Q1/ Q2＝n1/n2    (1)

      H1/ H2＝(n1/n2)2  (2)

      P1/ P2＝(n1/n2)3   (3)

式中：Q1、H1、P1—风机(或水泵)在n1转速时的流量、压力(或扬程)、轴功率；

    Q2、H2、P2—风机(或水泵)在n2转速时的相似工况条件下的流量、压力(或扬程)、轴功率。

　　由公式(1)、(2)、(3)可知，风机(或水泵)的流量与其转速成正比，压力(或扬程)与其转速的平方成正比，轴功率与其转速的立方成正比。当风机转速降低后，其轴功率随转速的三次方降低，驱动风机的电机所需的电功率亦可相应降低。

    从上述分析可见，调速是风机节能的重要途径。采用高压变频调速可以实现对引风机电机转速的线性调节，通过改变电动机转速使炉膛负压、锅炉氧量等指标与引风机风量维持一定的关系。

　　3．高压变频调速系统应用情况

　　3.1 高压变频器的组成

　　北京国电四维清洁能源技术有限公司生产的Swdrive系列采用单元串联多电平技术，属“高-高”电压源型变频器，为单元串联多电平拓扑结构，主体结构由多组功率模块串联而成，从而由各组低压叠加而产生需要的高压输出，它对电网谐波污染小，总谐波畸变小于4%，直接满足IEEE519-1992的谐波抑制标准。额定容量:3500可VA、额定电压:6kV、额定电流:320A。高压变频器装置由变压器柜、功率柜、控制柜、旁路柜四个部分组成，其原理如图1所示。

           图1：单元串联多电平高压变频器原理框图

　　3.2 高压变频器与现场接口方案

　　北京国电四维清洁能源技术有限公司的高压变频器的控制部分由高速单片机、人机界面和PLC共同构成。单片机实现PWM控制和功率单元的保护。人机界面提供友好的全中文监控界面，同时可以实现远程监控和网络化控制。内置PLC用于柜体内开关信号的逻辑处理，可以和用户现场灵活接口，满足用户的特殊需要。该高压变频器使用欧姆龙系列PLC，具有较好的与DCS系统接口能力，根据风机的特性运行要求以及高压变频器控制的具体要求采取了相应控制方案。

　　 1）DCS系统与高压变频器的接口方案

　　 由DCS输出到变频器

序号

开：变频器处于就地控制状态

开：不允许合高压开关

开：无轻故障

开：无重故障

开：不允许起动