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高压变频器在昆明盐矿发电厂的应用

2014-04-14 11:28:25

  高压变频器在昆明盐矿发电厂的应用
  The Application of High Voltage Inverters in Kunming Salt Mine Power Plant

  山东新风光电子科技发展有限公司   林红波 李源
  云南昆明盐矿  赵永福
  Lin Hongbo   Li Yuan   Zhao Yongfu

  摘  要:本文介绍了山东新风光电子科技发展有限公司生产的高压变频器在昆明盐矿锅炉风机的变频节能增效情况。结果表明,采用高压变频器对当今自发电厂可有效降低发电成本,提高发电企业竞价上网的竞争能力。
  关键词:高压变频器   风机 节能
  Abstract: This paper describes Shandong WindSun Electronics Science & Technology  Co.,Ltd. produced high voltage inverters in fans of Kunming Salt Mine power plant frequency energy efficiency boiler situation. The result shows that today's high voltage inverter from the power plant can reduce the cost of power generation, power generation companies to improve the competitiveness of bidding.
  Key words: High voltage inverter   Fan   Energy-saving
  1 引言
  我国火电厂尤其是老厂主要用电设备存在较严重的能源浪费现象,一般老厂自用电占发电量的9%~10%,其中送风又占自用电的10%,引风机占15%,给水泵占20%。而新建电厂自用电占发电量的6%左右,可见节能降耗的潜力是很大的。为此各火电厂都把挖潜节能降耗的工作提到议事日程,从技术改造着手,寻求节能降耗的途径和办法。变频调速技术无疑是电厂风机水泵节能的重要途径。
  2高压变频节能原理
  异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率f来改变同步转速而实现调速的,在调速中从高速到低速都可以保持较小的转差率,因而消耗转差功率小,效率高,是异步电动机最为合理的调速方法。
  由公式n=60f/p(1-s)可以看出,若均匀地改变供电频率f,即可平滑地改变电动机的同步转速。异步电动机变频调速具有调速范围宽、平滑性较高、机械特性较硬的优点,目前,变频调速已成为异步电动机最主要的调速方式,在很多领域都获得了广泛的应用。
  高压变频调速具有如下显著的优点:
  (1)由负载档板或阀门调节导致的大量节流损失,在变频改造后不再有节流损失。
  (2)网侧功率因数明显提高。
  (3)可实现零转速启动,避免启动冲击电流,减轻了冲击扭振。
  (4)高压变频器本身损耗极小,整机效率在97%以上。
  对离心式风机而言,流体力学有以下原理:输出风量Q与转速n成正比;输出压力H与转速n的平方成正比;输出轴功率P与转速n的立方成正比;即:
  Q1/Q2=n1/n2,H1/H2=(n1/n2)2,P1/P2=(n1/n2)3
  当风机风量需要改变时,如调节风门的开度,则会使大量电能白白消耗在阀门及管路系统阻力上。如采用变频调速调节风量,可使轴功率随流量的减小大幅度下降。变频调速时,当风机低于额定转速时,理论节电为:
  E=〔1-( n′/n)3〕×P×T (kW·h)
  式中: n是额定转速,n′是实际转速,P是额定转速时电机功率,T是工作时间。
  可见,通过变频对风机进行改造,不但节能,而且大大提高了设备运行性能。以上公式为变频节能提供了充分的理论依据。
  3风光公司高压变频调速系统技术特点
  风光牌JD-BP38系列高压变频器以高速DSP为控制核心,采用无速度矢量控制技术、功率单元串联多电平技术,属高-高电压源型变频器,其谐波指标远小于IEE519-1992的谐波国家标准,输入功率因数高,输出波形质量好,不必采用输入谐波滤波器、功率因数补偿装置和输出滤波器;不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动、噪音、输出dv/dt、共模电压等问题,可以使用普通的异步电机。2007年,高压变频器被评为中国名牌产品,是国内高压变频器行业为数不多的两个名牌产品之一。具体来说,风光高压变频器除具有一般普通变频器的性能外,还具有以下突出特点:
  (1)采用高速DSP作为中央处理器,运算速度更快,控制更精准。
  (2)飞车启动功能。能够识别电机的速度并在电机不停转的情况下直接起动。
  (3)完整的工频/变频自动互切技术。现在的高压变频调速系统一般设置工频旁路切换柜,变频器发生故障时能使高压电机转至工频运行,旁路切换有手动旁路和自动旁路切换两种型式,手动旁路需人工操作,适应于无备用装置或不重要的运行工况,自动旁路可在变频器发生故障后直接自动转换至工频运行。新风光公司提供的自动旁路切换柜,不仅可实现变频故障情况下自动由变频转换至工频运行状态,还可实现在变频检修完毕后由工频瞬间转换至变频运行的功能,整个转换过程不会对用户设备的运行造成任何影响。
  (4)旋转中再启动功能。运行过程中高压瞬时掉电3s内恢复,高压变频器不停机,高压恢复后变频自动运行到掉电前的频率。
  (5)线电压自动均衡技术(星点漂移技术)。变频器某相有单元故障后,为了使线电压平衡,传统的处理方法是将另外两相的电压也降至与故障相相同的电压,而线电压自动均衡技术通过调整相与相之间的夹角,在相电压输出最大且不相等的前提下保证最大的线电压均衡输出。
  (6)单元直流电压检测:实时显示检测系统的直流电压,从而实现输出电压的优化控制,降低谐波含量,保证输出电压的精度,提升系统控制性能,并可使保证运行维护人员实现对功率单元运行状况的全面把握。
  (7)单元内电解电容因采取了公司专利技术,可以将其使用寿命提高1倍。
  (8) 散热结构设计合理,单元串联多重化并联结构,IGBT承受的电压较低,可以有较宽的过压范围(≥1.15Ue),设备可靠性更高。
  (9) 具备突发相间短路保护功能。如果由于设备原因及其他原因造成输出短路,此时如果变频器不具备相间短路保护功能,将会导致重大事故。变频器在发生类似问题时能够立即封锁变频器输出,保护设备不受损害,避免事故的发生。
  (10) 限流功能:当变频器输出电流超过设定值,变频器将自动限制电流输出,避免变频器在加减速过程中或因负载突然变化而引起的过流保护,最大限度减少停机次数。
  (11) 故障自复位功能:当变频器由于负载突变造成单元或是整机过电流保护时,可自动复位,继续运行。
  4  高压变频器在昆明盐矿电厂的应用
  昆明盐矿1993年6月建成投产,是云南省最大的盐及盐化工原料生产基地,云南省第一家高效无磷环保型洗涤助剂生产企业。昆明盐矿自备电厂45t锅炉配用一台送风机配用电机功率315kW/10kV,一台引风机配用电机功率400kW/10kV。该厂近年来,机组压负荷调峰和两班制调速运行时间占机组运行小时数的60%,引、送风机长期处在节流运行。针对上述能源浪费的现象,该厂在2009年机组大修,对100MW机组的引、送风机采用山东新风光电子科技发展有限公司生产的高压变频器,进行变频节能改造。
  4.1高压变频器主回路控制方案

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  改造前:原系统10kV高压开关柜至电机,电机与风机直接连接,通过风门挡板的开度来调节流量。
  改造后:系统10kV高压开关柜至风光高压变频器,风光高压变频器与电机相连,通过调节电机的转速来调节流量,电机与风机间不用做任何改动,且变频调节时风门档板可全开。
  根据现场要求,此次2台变频器采用一拖一手动旁路控制方案,其一次电路如图1所示。

  图1旁路柜中,共有3个高压隔离开关,为了确保不向变频器输出端反送电,K2与K3采用电磁互锁操动机构,实现电磁互锁。当K1、K3闭合,K2断开时,电机变频运行;当K1、K3断开,K2闭合时,电机工频运行,此时变频器从高压中隔离出来,便于检修、维护和调试。
  旁路柜必须与上级高压断路器DL连锁, DL合闸时,绝对不允许操作旁路隔离开关与变频输出隔离开关,以防止出现拉弧现象,确保操作人员和设备的安全。
  故障分闸:将变频器“高压分断”信号与旁路柜“变频投入”信号串联后,并联于高压开关分闸回路。在变频投入状态下,当变频器出现故障时,分断变频器高压输入;旁路投入状态下,变频器故障分闸无效。
  保护:保持原有对电机的保护及其整定值不变。
  4.2高压变频器控制逻辑

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  利用DCS控制系统的预留点,设计高压变频改造控制、运行监视系统,系统包括工、变频的运行、停止命令按钮;转速调节按钮;变频器复位按钮、紧急停止按钮;变频器运行电流、电机转速显示;高压柜以及变频合闸显示;变频器故障报警显示。
  DCS系统输出 4~20mA电流信号控制JD-BP38高压变频调速系统的运行频率, 来控制电机的运行转速。JD-BP38高压变频调速系统反馈4~20mA电流信号指示JD-BP38高压变频调速系统的输出频率、输出电流。JD-BP38高压变频调速系统同时接收DCS控制系统的启动、停止、急停、复位控制信号,调整运行状态。
  当JD-BP38高压变频调速系统故障时,系统输出故障停机和报警信息,用于提示用户启动故障处理措施,同时JD-BP38高压变频调速系统将信号发送给DCS,在DCS系统上显示故障,以便于及时的排除故障。如果系统出现紧急情况,DCS监视人员立即点击变频器紧急停止按钮,此时变频器立即封锁输出,并及时跳开高压断路器开关。
  为保证JD-BP38高压变频调速系统操作的安全性,需从改造电机的进线开关柜把断路器的状态信号接入JD-BP38高压变频调速系统。JD-BP38高压变频调速系统输出的故障跳闸信号接入断路器的分闸回路,连跳高压信号接入安全回路,当出现严重故障时及时跳开断路器,保护JD-BP38高压变频调速系统及电机。
  如图2所示,当所有开机条件都具备后,DCS发出变频运行命令,变频器内置PLC发出“合闸”信号至10kV高压柜,高压断路器开关合闸,变频器进行软充电,5S后充电完成,变频器处于就绪状态,由DCS给出4~20mA信号控制变频器频率来改变电机转速。
  4.3高压变频器运行及试验测试
  改造后,对高压变频器进行模拟调试、空载调试、带负荷调试都达到了设计要求。测试项目及结果是:
  (1) 功率因数测试:引、送风电机功率因数均在0.97~0.99。
  (2) 变频器效率测试:两台变频器效率均在97%~98%。
  (3) 变频器对公用电网的谐波影响测试:测试10kV电网系统总畸变率1.48%~1.84%,符合国家标准小于4%的规定,测试110kV、220kV电网系统总畸变率1.02%~1.42%,符合国家标准小于2%的规定。
  (4) 用变频和工频启动电流比较:变频启动电流小,电流平滑上升,工频启动电流则是额定电流的6~7倍,启动时冲击电流大,直接威胁电机安全运行和使用寿命缩短。
  (5) 变频器频率范围和精度测试:变频器频率调节的范围0~50Hz,调节范围宽、调节灵活,达到设计要求的±3%。
  4.4变频改造节能情况
  2009年12月23日,变频器正式投入运行,至今运行良好。变频器使用方便,可靠稳定,维护量小。改造达到了预期目的。
  (1)直接经济效益分析
  引风机、送风机长期在低负荷运行(60~100MW)时,电机频率一般为30~47Hz范围,并且长时间运行在40Hz左右,昆明盐矿发电厂节能服务中心对风机正常运行时参数实际测量:测试结果为315kW/10kV节电率为38%,400 kW/10kV节电率为40%。
  根据上面的测试结果,一台机组按照每年运行5500小时计算,
  每台机组每年可节约电量=引送风机容量×机组年运行小时数×变频器平均节电率
  =(315kW×38%+400kW×40%)×5500h=1538350kW?h;
  增加上网电价收入=年节约电量×上网电价=1538350kW?h×0.25元/kW?h=384587.5元;
  年节约标煤量=年节约电量×供电煤耗=1538350kW?h×0.42kg/kW?h=646107kg;
  年节约煤碳购置费用=年节约标煤量×标煤单价=646.107t×800元/t=516885.6元。
  采用变频调速的经济效益是可观的。
  (2) 间接经济效益分析
  用变频器启动电机,对电机、电缆、开关等无冲击电流(用工频启动时,启动电流是电机额定电流的6~7倍,经常造成电机、电缆、开关损坏,机组被迫减负荷或停机)。设备随生产工艺变负荷运行,大大降低了设备负荷率,延长了风机、电机等设备的使用寿命。减少设备维护费用和违约电量造成的经济损失。这部分隐形的间接效益也是可观的,每年节约50~100万元左右。
  5 结束语
  随着厂网分开,竞价上网日趋激烈,如何降低发电成本,提高发电企业竞价上网的竞争能力,加强内部管理,挖潜节能是电厂必须认真研究的一件大事,采用高压变频器对电厂高能耗用电设备如送风机、引风机、给水泵、循环水泵等进行技术改造,不仅能收到直接的降低厂用电、降低供电煤耗,增大上网电量带来的直接经济效益,而且设备乃至机组的安全可靠性提高,减少机组故障带来的隐形经济效益。高压变频器技术在发电厂有值得推广应用的广阔空间。

 

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