英威騰CHH100高壓變頻器在電力行業的應用
2013/1/8 12:04:14
深圳市英威騰電氣股份有限公司 技術支持部
摘 要：本文針對電力行業300MW機組主輔助設備的高壓變頻改造應用，提出了完整的系統解決方案。對高壓變頻調速技術在電力系統改造中存在的問題及取得的良好經濟效益進行了分析論證。
關鍵詞：300MW機組 主輔助設備 風機水泵 高壓變頻器 節能改造
一、引言
火力發電廠是一個能源轉化的工廠。它把煤、油等一次能源——化學能，轉化成通用性廣、效率高的二次能源－電能。產品(電能)無法儲存，發電、供電和用電同時完成，而且要求速度快、質量高。
火力發電機組是由鍋爐、汽輪機和發電機三大主機及其眾多輔助設備組成。鍋爐的任務是生產蒸汽，即把煤、油等燃料的化學能轉化成具有一定壓力和溫度的蒸汽的熱能；汽輪機把蒸汽的熱能轉化成機械能；而發電機則把機械能轉化成電廠的最終產品－電能。
電力行業是高壓變頻器產品重要的應用領域，對電力行業機組主輔助設備的變頻技術適用性研究表明：每臺機組當中主要有七類設備可以實現變頻應用，粗略估計，一般每單位機組需要配置變頻器13臺。據統計，我國火力發電廠中使用的送風機、引風機、給水泵、循環水泵和灰漿泵等風機和水泵的配套電動機總容量達15000MW，年總用電量達520億kWh，占全國火電發電量的5％～8％。
目前我國火電廠風機和水泵基本上都采用定速驅動。這種定速驅動的風機采用入口風門，水泵采用出口閥門調節流量，都存在嚴重的節流損耗。尤其在機組變負荷運行時，由于風機和水泵的運行偏離高效率點，使運行效率降低。現有調節流量的方法不改變電機的轉速，因此電機消耗的功率不變，而且造成管網壓力過大，不利于管網安全、穩定運行。若使用變頻器對電機進行調速，達到用戶期望的流量，則可以節約大量電能。發電廠輔機電動機的有效調速運行，直接關系到電廠效益的高低。
二、電力機組主輔助設備變頻改造及工藝介紹
1. 鍋爐風機變頻改造情況概述
電站鍋爐風機的風量與風壓裕度以及機組的調峰運行導致風機的運行工況點與設計高效點相偏離，從而使風機的運行效率大幅度下降。據統計，一般情況下，采用風門調節的風量的風機，運行工況點與設計點兩者偏離10%時，風機效率下降8%左右；偏離20%時，風機效率下降20%左右；而偏離30%時，風機效率則下降30%以上，對于采用進口風門調節風量的風機，這是一個不可避免的損失。可見，引風機的用電量中，有很大的一部分是被調節門消耗掉的。因此，改進風機的調節方式是提高風機運行效率，降低風機耗電量的最有效的途徑。如果在風機上加裝目前國內已經普遍采用的高壓變頻器，對風機電動機進行調速控制，從而實現對風量的調節以滿足鍋爐負荷的變化，這樣就能將風門調節中的能量損失節約下來。
2. 鍋爐風機工藝介紹
2.1 引風機
引風機是熱電廠的鍋爐生產工藝中重要的輔機。引風機輸送的介質是煙氣，最高溫度一般不得超過250度。鍋爐結構復雜，還有煙氣的除塵、脫硫設備，煙氣阻力較大，利用引風機排煙才能排除煙氣，同時引風機也是保證鍋爐燃燒室產生的負壓重要設備。
2.2 送風機
為了滿足煤完全燃燒，通過送風機(包括一、二次風機)供給煤粉燃燒時所需要的空氣量。一次風進入爐膛底部風室，一次風道上還并聯有風道點火器；二次風直接經爐膛上部的二次風箱分兩層入爐膛。在整個煙風系統中均設有調節擋板，以便在運行和啟停爐期間運行調節控制。
2.3 排粉機
煤粉由熱空氣加熱后經排粉機送入鍋爐。排粉機是制粉系統中氣粉混合物流動的動力來源，靠它克服流動過程中的阻力，完成煤粉的氣力輸送。在直吹式制粉系統、中間儲倉式乏氣送粉系統中，排粉機還起一次風機作用，靠它產生的壓力將煤粉氣流吹送到爐膛。制粉系統的排粉機采用入口擋板調節，并且為減小三次風量，排粉機入口管道通過調整小擋板來調節風量，浪費了大量的電能。為降低能耗，排粉風機在制粉系統中裝于球磨機，粗粉分離器、細粉分離器之后，保證原煤在球磨機內同來自空氣預熱器的熱風和排粉機出口的再循環風混合，將原煤干燥，并研磨成煤粉，而煤粉隨排風機所產生的負壓氣流，經細粉分離器把風、粉分開，煤粉落入煤粉倉中貯存，剩余氣體內含有5～10%的風、粉混合物，經排粉風機出口作為三次風送入爐膛或排入一次風箱作為一次風與給粉機落下的煤粉混合送入爐膛。通過上述流程介紹我們可以看出，在制粉系統中排粉機主要為制粉系統提供負壓。在對排粉機進行變頻改造后通過將排粉機入口風門全開，同時適當調節出口風門，完全可以滿足為制粉系統提供負壓的需要并且不對三次風造成影響。
三、鍋爐相關水泵工藝介紹
3.1 鍋爐給水泵
給水泵的任務是將除氧器貯水箱內的具有一定溫度的給水，通過給水泵產生足夠的壓力打入汽包，汽包內汽液分離，水送入熱鍋爐，在鍋爐環冷壁中加熱產生蒸汽后進入蒸汽輪機作功，帶動發電機組發電。根據電能生產的特點和熱鍋爐運行的特殊要求，給水泵必須連續不斷地運行。這不僅關系到正常發電，而且也直接關系到鍋爐設備的安全。因此，鍋爐給水泵在發電廠是最為重要的水泵，號稱發電機組的心臟。給水泵工藝流程如下圖1所示：
圖1 水泵工藝流程圖
目前由于現場大部分鍋爐給水泵均采用閥門來調節流量、壓力等參數來滿足鍋爐運行所需給水的需要, 在這種調節方式下，系統主要存在的幾個問題：
1) 采用給水泵定速運行，閥門調整節流損失大、出口壓力高、管損嚴重、系統效率低，造成能源的浪費。
2) 當流量降低閥位開度減小時，調整閥前后壓差增加工作安全特性變壞，壓力損失嚴重，造成能耗增加。
3) 長期的40～70％閥門開度，加速閥體自身磨損，導致閥門控制特性變差。
4) 管網壓力過高威脅系統設備密封性能，嚴重時導致閥門泄漏，不能關嚴等情況發生。
5) 設備使用壽命短、日常維護量大，維修成本高，造成各種資源的極大浪費。
解決上述問題的重要手段之一是采用變頻調速控制技術。利用高壓變頻器對給水泵電機進行變頻控制，實現給水流量的變負荷調節。這樣，不僅解決了控制閥調節線性度差、純滯延大等難以控制的缺點，而且提高了系統運行的可靠性；更重要的是減小了因調節閥門孔口變化造成的壓流損失，減輕了控制閥的磨損，降低了系統對管路密封性能的破壞，延長設備的使用壽命，維護量減小，改善了系統的經濟性，節約能源，為降低電廠廠用電率提供了良好的途徑。
3.1 鍋爐凝結水泵
汽輪機做功后的尾氣大部分蒸氣被凝結器循環冷卻水冷凝成水，凝結水進入熱井中，由凝結泵（兩用一備）抽出，經軸封冷卻器和水位自動調整裝置后，一部分通過低壓加熱器經過加熱后送至除氧器；另一部分通過再循環調節閥回到熱井中，保證熱井液位。凝結水泵工藝流程圖如下圖2所示：
圖2 凝結水泵工藝流程圖
目前電廠機組中凝泵的配置基本都是一用一備，某臺泵運行一段時間后，要經常倒泵，而且凝泵出口的水壓力、流量采用閥門調節流量 , 在這種調節方式下，系統主要存在的幾個問題：
1) 采用凝結泵定速運行，閥門調整節流損失大、出口壓力高、管損嚴重、系統效率低，造成能源的浪費。
2) 當流量降低閥位開度減小時，調整閥前后壓差增加工作安全特性變壞，壓力損失嚴重，造成能耗增加。
3) 長期的40～70％閥門開度，加速閥體自身磨損，導致閥門控制特性變差。
4) 管網壓力過高威脅系統設備密封性能，嚴重時導致閥門泄漏，不能關嚴等情況發生。
5) 由于經常倒泵、泵經常直起，致使管網受沖擊較大，相關設備使用壽命短、日常維護量大，維修成本高，造成各種資源的極大浪費。
解決上述問題的重要手段之一是采用變頻調速控制技術。利用高壓變頻器對凝結泵電機進行變頻控制，實現給水流量的變負荷調節。這樣，不僅解決了控制閥調節線性度差、純滯延大等難以控制的缺點，而且提高了系統運行的可靠性；更重要的是減小了因調節閥門孔口變化造成的壓流損失，減輕了控制閥的磨損，降低了系統對管路密封性能的破壞，延長設備的使用壽命，維護量減小，改善了系統的經濟性，節約能源，為降低電廠廠用電率提供了良好的途徑。
3.1 鍋爐循環水泵
火力發電廠中的循環水泵是為汽輪機的凝汽器提供冷卻水的重要輔機設備。作完功的蒸汽在凝汽器中凝結而放出的大量汽化潛熱，必須由循環水帶走，一般循環水泵流量較大，但揚程較低。
火電廠的循環水供水系統有兩種：一種為開式循環供水系統，冷卻水直接取自江河湖海，使用后仍排向江河湖海，南方多采用此種方式；另一種為閉式循環供水系統，循環水經凝汽器加熱后，排向冷卻裝置，一般為冷卻水塔，經冷卻后再供凝汽器使用，北方缺水地區多采用此種方式。通常開式循環供水系統對循環水泵的揚程要求較之閉式循環供水系統要低，開式循環供水系統水泵的揚程在10~20m之間，采用較多的是軸流式水泵；閉式循供水系統水泵的揚程較高，一般在15~25m之間。軸流式水泵，鈄流式水泵和離心式水泵都是循環水泵廣泛采用的型式。
南方電廠和北方電廠的循環水泵是不一樣的。在南方，由于江、河、湖泊的水源充足，一般多采用開式循環水系統：由江河中抽上來，進入汽輪機凝汽器，經熱交換后直接排向江河，落差比較小，因而循環水泵的調速范圍比較大（但循環水泵的揚程也較小）。在北方，由于水資源緊張，冷卻水要循環使用，每臺機組建一座冷卻水塔，一條壓力循環水管，一條雙孔自流水溝。經凝汽器熱交換后的熱水由循環水泵壓入水塔，從塔中經蜂窩材料噴淋而下，再進入凝汽器循環使用。一般水塔高程在70~80米左右，水位高度也在10－20米左右，因此循環水泵調速后的出口揚程有個最低值，這就限制了循環水泵的調速范圍，因為循環水泵出口揚程的余量并不大，調速后循環水泵的出口揚程若小于水塔水位高程，冷卻水就會打不進水塔去，循環水泵就不能正常工作。
汽輪機凝汽器的循環供水系統，又有單元制和母管制之分。小型火電機組采用的母管制循環供水系統是將所有的循環水泵并聯在一根供水母管上，凝汽器也并聯在供排水管上。這就要求并聯的循環水泵特性相近，并聯的凝汽器的水阻也要接近，否則會使循環水泵負荷分配不均和水阻大的凝汽器不能獲得足夠的冷卻水而影響汽輪機真空。單機容量在300MW以上的機組，一般采用單元制循環水供水系統，設計3臺循環水泵，冬季1臺運行，一臺備用，一臺檢修；夏季二臺運行，1臺備用。如果循環水泵同時停運，必然會導致機組停運，甚至可能造成汽輪機化瓦等惡性事故的發生。
在可能的條件下，循環水泵宜采用動葉調節或轉速調節方式，以保持較高的運行效率。動葉調節在軸流泵上已有較多的使用，轉速調節可采用定速電動機加液力耦合器調速和變頻調速電動機調速方式。目前應用較多的是通過控制運行臺數來實現流量的調節。例如單元制循環水系統用2臺循環水泵并聯供一臺機組時，當冬季或負荷較低時，可停用一臺循環水泵以調節水量，節省電耗。但由于供水管道阻力特性是按2臺泵并聯設計的，當一臺泵運行時，運行泵的流量將顯著增加，運行工況偏離最佳工況較遠。尤其是軸流泵，其效率曲線較陡，偏離最佳工況點后，效率下降很快。母管制供水方式下，并列運行的泵組臺數較多，水量的調節可以通過改變運行泵組的臺數，或者變更大小泵的搭配方式來實現。調整后泵的運行工況也會偏離最佳工況，但較單元制供水情況要好一些。且這種調節方式使汽輪機真空度不穩定，不利于汽輪機的經濟運行。如采用動葉調節或轉速調節方式時，其運行經濟性就好得多。
若進行變頻調速改造，既可節能降耗，又能根據機組負荷和季節的變化調節冷卻水的流量，達到汽輪機最有利真空的控制目的，實現了汽輪機真空度的高精度控制和經濟運行的目的。且運行穩定，可靠性高，同時還可以消除管路的虹吸現象。
3.2 鍋爐灰漿泵
灰漿泵是根據前池液面的高度決定啟、停電機。這樣就存在兩方面問題:一方面為了適應生產工藝要求，需要每天根據前池液位和沖灰管的需要不斷切換、啟停電機，前池液位高度得不到很好控制，而且頻繁工頻啟動電機對電機造成很大沖擊。灰漿泵工藝流程圖如下圖3所示：
圖3 灰漿泵工藝流程圖
目前由于采用閥門調節流量 , 在這種調節方式下，系統主要存在以下幾個問題：
1) 采用灰漿泵定速運行，閥門調整節流損失大、出口壓力高、管損嚴重、系統效率低，造成能源的浪費。
2) 當流量降低閥位開度減小時，調整閥前后壓差增加工作安全特性變壞，壓力損失嚴重，造成能耗增加。
3) 長期的40～70％閥門開度，加速閥體自身磨損，導致閥門控制特性變差。
4) 管網壓力過高威脅系統設備密封性能，嚴重時導致閥門泄漏，不能關嚴等情況發生。
5) 設備使用壽命短、日常維護量大，維修成本高，造成各種資源的極大浪費。
解決上述問題的重要手段之一是采用變頻調速控制技術。利用高壓變頻器對灰漿泵電機進行變頻控制，在灰漿泵前池液位設置壓力式水位傳感器，將測量得到水位高度信號，變換為4~20mA標準信號，由電流環接口送給變頻器; 變頻器計算出當前水位與控制水位之間的偏差，通過變頻器內置的數字PID調節器改變變頻器的輸出頻率，調節電動機的轉速，進而控制灰漿泵前池液位的高度。這樣，不僅解決了控制閥調節線性度差、純滯延大等難以控制的缺點，而且提高了系統運行的可靠性；更重要的是減小了因調節閥門孔口變化造成的壓流損失，減輕了控制閥的磨損，降低了系統對管路密封性能的破壞，延長設備的使用壽命，維護量減小，改善了系統的經濟性，節約能源，為降低電廠用電率提供了良好的途徑。
四、案例分析
4.1 項目介紹
1) 項目概述：該項目是英威騰電氣有限公司針對山西某發電廠一期一臺300MW機組所有高壓電機進行變頻改造，主要負載包括引風機、送風機、排粉機、給水泵、凝結水泵、循環水泵、灰漿泵。
2) 現場相關設備數據：
進行變頻節能應用的設備統計情況如下表1所示。
3.1 系統方案：
4.2.1 變頻器配置
根據山西某發電廠一期一臺300MW機組主輔助設備的現場的額定參數和實際運行工況，再結合英威騰公司CHH100系列高壓變頻器在其它工程地應用情況，我公司所配置變頻器如下表2：
4.2.1 變頻器旁路切換控制方式
根據現場的額定參數和實際運行工況，再結合我公司的CHH100系列高壓變頻器在其它工程應用情況，我方提供的CHH100變頻器的旁路系統采用一拖一自動方案，變頻器具有轉速跟蹤功能，變頻與工頻能夠自動切換，其一次系統如下圖所示：
圖4 CHH100系列高壓變頻系統圖
變頻器由用戶開關、自動旁路柜、CHH100系列高壓變頻器、高壓電機組成。自動旁路柜是由三個真空接觸器KM1、KM2、KM3和兩個高壓隔離開關QS1、QS2組成。電機以變頻方式運行時，QS1、QS2和KM1、KM2閉合，KM3斷開；電機以工頻方式運行時，KM3閉合，QS1、QS2和KM1、KM2斷開，QS1、QS2用于變頻器維護過程中高壓隔離。變頻系統采用轉速跟蹤技術，變頻與工頻之間切換在運行過程中可以不用停機自動完成。自動旁路柜嚴格按照“五防”聯鎖要求設計，變頻輸出開關KM2和工頻開關KM3互鎖，完全能夠保證變頻器安全運行。
4.2.1 變頻器控制方式
Ø 變頻調速裝置提供如下三種調速控制方式：
本機控制時通過高壓變頻器控制柜上觸摸屏(鍵盤),也可以通過遠程控打操作箱的起停按鈕進行控制高壓變頻器啟動、停止，可以調整電機轉速、頻率。遠程控制放在控制室，設有操作臺和上位機，由配電工操作控制。通過上位機配電工可以隨時了解設備的運行情況，通過操作臺可實現對高壓變頻器進行簡單的遠方操作。配電工可以根據工況自由選定高壓變頻器“手動/自動”調速運行。
CHH100高壓變頻調速系統提供16路數字量輸入，8路繼電器輸出，3路模擬量輸入，4路模擬量輸出，1路高速脈沖輸入，1路高速脈沖輸出端子，以上提供的用戶端子均為可編程端子，每個端子的功能都可以使用功能碼進行設定。
(1) 端子控制方式：變頻器具有端子控制的接口，用戶可將控制信號接于變頻器的接口，監控變頻器。
(2) 就地鍵盤控制方式：可以在變頻器就地操作鍵盤調節變頻器頻率。
(3) 就地觸摸屏控制方式：可以在變頻器就地觸摸屏監控變頻器。
Ø 高壓變頻器具有遠程和本機控制功能。
本機控制時通過高壓變頻器控制柜上觸摸屏可就地人工啟動、停止高壓變頻器，可以調整電機轉速、頻率。遠程控制放在控制室，設有操作臺和上位機，由配電工操作控制。通過上位機配電工可以隨時了解設備的運行情況，通過操作臺可實現對高壓變頻器進行簡單的遠方操作。配電工可以根據工況自由選定高壓變頻器“手動/自動”調速運行。
五、項目改造效果
5.1 節能收益
考慮管網阻力損失等因素的影響，理論上綜合平均節能值在15%以上。按照節能15%和電價0.55元/度算計，每天24個小時不間斷運行,年運行330天計算，相關數據統計如下表3：
5.1 項目總結
該項目整體改造效果統計如下表所示：
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合計每年可節電 |
2093．70萬度 |
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合計每年可節電費 |
1151．51萬元 |
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合計每年可節標煤 |
7663．02噸 |
由上述數據可見，投入深圳市英威騰電氣股份有限公司生產的CHH100系列高壓變頻器后，該山西某發電廠一期一臺300MW機組主輔助設備全年節約電費均可達1151．51萬元左右。另外，由于深圳市英威騰電氣股份有限公司生產CHH100系列高壓變頻器功率因數可達0.95以上，大于電機功率因數0.89，減少大量無功。并且實現電機軟啟動，可避免因大電流啟動沖擊造成對電機絕緣的影響，減少電機維護量，節約檢修維護費用，同時電機壽命大幅度延長。減輕了運行人員的勞動強度，深受運行人員和維修人員的歡迎。
六、結束語
高壓變頻裝置節能效果明顯，采用變頻調速后，實現了電機的軟啟動，延長電機的壽命，也減少了管道的振動與磨損；總之，采用了深圳英威騰電氣股份有限公司的自主研發、生產的多單元串聯的高─高形式的CHH100系列高壓變頻器調速裝置在山西某發電廠一期一臺300MW機組主輔助設備的調速改造中應用是相當成功的。該系列變頻器的先進性、可靠性已得到許多工業應用的證實。
參考文獻：
[1] 《CHH100系列高壓變頻器產品說明書》深圳市英威騰電氣股份有限公司
[2] 徐甫榮 《高壓變頻調速技術工程實踐》中國電力出版社 2012-01出版
關于英威騰：
英威騰，成立于2002年，致力于成為全球領先、受人尊敬的電氣傳動、工業控制、新能源領域的產品與服務供應商，2010年在深交所A股上市，股票代碼：002334。英威騰是國家火炬計劃重點高新技術企業，目前擁有12家控股子公司，分駐于全國的九大研發中心，擁有各類專利390多件，主要產品涵括高、中、低壓變頻器、電梯智能整體機、伺服系統、PLC、HMI、電機和電主軸、SVG、UPS、光伏逆變器等。英威騰現有員工1600多人，大型生產基地4個，營銷網絡遍布國內及海外60多個國家和地區。