產品與解決方案/PRODUCT AND SOLUTIONS
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解決方案
高壓變頻器在熱電廠硫化床鍋爐風機上的應用
1現場簡介
青島恒源熱電有限公司現有三臺UG-75/5.3-M19-75t/h循環硫化床鍋爐，一臺QFW-15-2被壓式汽輪發電機組，一臺QFW-12-2被壓式汽輪發電機組，是集中供熱、發電為一體的熱電聯產企業，負責整個黃島經濟開發區工業熱源供應。在75t/h循環硫化床鍋爐送風機系統配置了兩臺同型號的G4-68-14D型風機，一次風機基本參數見下表1，二次風機基本參數見下表2，鍋爐一次風機、二次風機均采用恒轉速運行，調節風門擋板調節風量，恒速電機驅動風機。
表1為現場一次風機基本參數，表2為現場二次風機基本參數。
2 存在問題
通過鍋爐熱力試驗、數據統計分析，鍋爐風機系統采用擋板調節方式在實際運用中存在以下問題：
⑴擋板式調節，對鍋爐蒸發量、溫度、壓力進行調節時，就要同時調整風門，使之與負荷變化相適應，不僅調速線度差，而且容易造成機械設備震動大，設備損壞率高；
⑵擋板式調節拖動鍋爐風機電機始終以額定轉速轉動，風機單耗和電機的功率存在浪費能源，鍋爐風機電機長期在額定負荷30-50%狀態下運行，存在著大量浪費能源現象；
⑶風機電機接在10kV高壓母線段，電機采用過載熱偶保護，短路采用空氣開關保護，保護性能差，容易造成開關越級跳閘；
針對上述情況公司對設備進行變頻改造，恒源公司在節約成本的策略前提下，考慮到國產高壓變頻器設備水平已接近國際水平，能滿足運行要求，公司公開招標，進行性價比比較，結果山東新風光電子科技發展有限公司生產的JD-BP38-250F型和JD-BP38-315F型高壓變頻調速器勝出。
3 鍋爐燃燒過程的變頻調速系統改造方案
經變頻改造后新的控制系統結構如圖1所示，一次風機（315kW）、二次風機（250kW）、供水水泵均采用單回路控制，風機均采用恒壓變流量控制方式，水泵采用恒液位控制方式。風機的控制回路均由壓力傳感器、壓力控制器、DCS及風光高壓變頻器組成，水泵控制回路由液位傳感器、水位控制器、DCS及變頻器組成。
新的鍋爐燃燒控制系統只是將原系統的閥門開度控制信號經DCS轉接到變頻器上，變頻器采用DCS控制。通過4-20mA模擬信號，根據爐膛負壓控制變頻器的輸出頻率，并由DCS輸出脈沖信號，控制變頻器的啟動和停止。變頻器還可以向DCS反饋運行、停止、準備就緒、報警、故障、主電源電壓異常，變壓器超溫等信號，以及變頻器的電流、電機轉速等模擬量信號。改造的工程量很小，但整體性能大幅提高。一是執行機構（包括變頻器、風機、電機）的線性度得到改善；二是執行機構的反應速度也更加及時。這兩點都有利于控制精度的提高和系統的穩定性。
考慮到原系統均全天運行，為使系統可靠運行，操作、維護方便。改造后一次風機使用315kW變頻器控制，二次風機使用250kW變頻器控制，正常運行時采用變頻運行，變頻故障時采用旁路工頻運行。
根據用戶現場要求，此次兩臺變頻器均采用一拖一控制方案，采用手動旁路控制，其一次電路如下圖2所示：
K0 用戶原高壓開關
K1、K2和K3 變頻器旁路開關柜高壓隔離開關
BPQ JD-BP38系列高壓變頻器
M 高壓電動機
變頻器控制風機為一拖一控制，旁路開關柜用于工/變頻切換。K1，K2和K3為三個高壓隔離開關，要求K2和K3不能同時閉合，在機械上實現互鎖的同時實現電磁互鎖。K3斷開，K1和K2閉合，風機變頻運行；K1和K2斷開，K3閉合，風機工頻運行。
另外，為了安全，變頻故障信號和上一級的高壓開關柜也實現互鎖，實現高壓故障連跳功能。
4 變頻器的系統結構
JD-BP38系列高壓變頻調速系統的結構見圖3，由移相變壓器、功率單元和控制器組成。變頻器共有24個功率單元，每8個功率單元串聯構成一相。
變頻器采用移相多脈沖整流變壓器，二次側所接各個單元產生的高次諧波電流在相位上產生偏移，因此在變壓器一次側互相抵消，將一次側到電網的電流諧波控制到最小。變頻器輸入電流諧波在不加任何濾波器的情況下也能滿足IEEE519國際標準，實際檢測值如圖4所示。
控制器核心由高速32位DSP和HMI協同運算來實現，精心設計的算法可以保證電機達到較優的運行性能。人機界面提供友好的全中文監控和操作界面，同時可以實現遠程監控和網絡化控制。控制器用于柜體內開關信號的邏輯處理，以及與現場各種操作信號和狀態信號的協調，增強了系統的靈活性。
每個功率單元結構上完全一致，可以互換，為基本的交-直-交單相逆變電路，整流側為六支二極管實現三相全橋整流，通過對IGBT逆變橋進行正弦PWM控制，開關器件采用1700V的IGBT。而低壓變頻技術目前已經非常成熟，因此變頻單元的可靠性極高。
變頻器的相電壓輸出為8個單元串聯輸出，相電壓輸出17電平。每個單元的輸出都采用正弦波PWM波形調制，載波頻率為3kHz，輸出電流為正弦波，輸出電壓非常近似正弦波。相電壓的理論輸出電壓迭加波形如圖5所示。
另外，控制器與功率單元之間采用多通道光纖通訊技術，低壓部分和高壓部分完全可靠隔離，系統具有極高的安全性，同時具有很好的抗電磁干擾性能，并且各個功率單元的控制電源采用一個獨立于高壓系統的統一控制器，方便調試、維修、現場培訓，增強了系統的可靠性。控制器有一套獨立于高壓電源的供電體系，在不加高壓的情況下，設備各點的波形與加高壓情況基本相似，在模擬調試情況下八單元串聯后輸出的線電壓如圖6所示。給整機可靠性、調試、培訓帶來了很大方便。
5 風光高壓變頻器的主要技術特點
（1）采用高速DSP（TMS320F2812）作為中央處理器，運算速度更快，讓控制更精準。系統升級更方便。
（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）瞬間掉電再啟動功能，運行過程中高壓瞬時掉電三秒鐘內恢復，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。
（4）線電壓自動均衡技術（采用中性點漂移技術），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，在相電壓輸出較大且不相等的前提下保證較大的線電壓均衡輸出。
（5）單元內電解電容因采取了公司專利技術（專利號ZL 2003 2 0107356.2 ），可以將其使用壽命提高一倍；高壓提升機產品采用了更長壽命的電力電容。
（6）單元串聯多重化結構，模塊化設計。這樣IGBT承受電壓較低，可以有較寬的過壓范圍（≥1.15Ue），設備可靠性更高。
（7）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。
（8）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。
（9） 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。
6 應用高壓變頻調速系統產生的效果
青島恒源熱電有限公司75t/h循環硫化床鍋爐送風機系統變頻改造中，選用型號JD-BP38-315F和JD-BP38-250F風光高壓變頻器，于2009年11月1日一次性投運成功，至今運行正常。變頻運行后，風門全部打開，運行頻率在30-40Hz，不僅完全滿熱電廠生產工藝要求，而且用戶操作非常方便。變頻器運行非常穩定，取得了良好的經濟效益。
⑴節能效果明顯。
（注：年運行時間按8個月計算，電費為：0.5元/kW·h）
⑵變頻改造后，實現電機軟啟動，啟動電流小于額定電流值，啟動更平滑，延長電機和風機的使用壽命。
⑶改善了工藝。投入變頻器后風機可以非常平滑穩定的調整風量，運行人員可以自如的調控，風機運行參數得到了改善，提高了效率。
⑷減少閥門機械和風機葉輪的磨損。安裝變頻調速后，風機經常工作在比原來定速時低，大大減少了風機葉輪的磨損，減少了風機振動。延長風機的大修周期，節省檢修費用和時間。
⑸功率因數由原來的0.8左右提高到0.95以上，不僅省去了功率因數補償裝置，而且減少了線路損耗。
7 結語
在青島恒源熱電有限公司75t/h循環硫化床鍋爐一次風機、二次風機采用高壓變頻器改造后，不但改善了鍋爐的運行狀況，增強了運行的安全可靠性，操作方便，而且有明顯的節能效果。取得了良好的經濟效益和社會效益。
