1000MW級機組動葉可調式軸流一次風機變頻改造創新與實踐

1000MW級機組動葉可調式軸流一次風機變頻改造創新與實踐

來源：《變頻器世界》 2017年5月刊

摘要：華潤電力（賀州）有限公司2*1045MW機組，每臺鍋爐配2臺動葉可調式軸流一次風機，2016年9月對#2機組一次風機先進行了變頻改造。1000MW級機組動葉可調式軸流一次風機變頻改造在國內同行業中尚屬首次，由于一次風機可靠性要求高，在設計上采用了全自動旁路，另外變頻設備散熱采用空水冷系統，這不僅增加了設備可靠性，同時還實現二次節能，大大節省了空調運行成本。本文詳細介紹了一次風機變頻從設計、施工、運行數據及節能效果評價等方面的創新與實踐。

Keywords：Primary fan；Inverter；Energy saving

1  前言

　　我司鍋爐一次風機是按照熱值為4775kcal的貧瘦煤設計，由于煤炭市場變化，實際燃用煤種為發熱量在5500kcal左右的高熱值煙煤，風機運行裕量極大，機組滿負荷運行時，一次風機動葉開度只有60%左右，電動機最大功率只有1950kW左右，遠低于額定容量2500kW，根據2015年機組負荷率（平均565MW）及對未來幾年電力市場的預估，未來我司負荷率將會更低，雖然一次風機為動葉調節軸流風機，但是由于負荷較低、風機動葉開度較小，大部分時間仍然工作在低效區（約60～70%），存在很大的節能空間。基于上述實際情況，電廠的一次風機節能改造是個必然趨勢。

2  設備概述

　　我司每臺機組配兩臺上海鼓風機廠生產的PAF20-12.5-2型雙級動調軸流一次風機，風機及配套電機參數見表1所示，一次風機設計參數見表2所示。

表1  風機及配套電機參數

表2  一次風機設計參數

3  設備布置及改造方案

（1）根據現場實際測量，本著改動最小、費用最低的原則，綜合考慮設備安裝位置、電纜長度、敷設通道等因素在一次風機A旁新建變頻器配電室，每間變頻器室內兩臺變頻器背向布置。現場布置圖如圖1所示。

圖1  現場布置圖

（2）設備一次系統改造方案。主系統接線圖如圖2所示。

圖2  主系統接線圖

一次風機變頻采用一拖一帶自動旁路的方式，每臺風機配一套變頻器系統，配備自動旁路柜，變頻器在運行中如果突然發生故障，此時變頻器會自動把QF2斷路器跳開，然后DCS自動把QF4斷路器斷開，QF4斷開后延時5S（等剩磁電壓衰減完畢）合旁路斷路器QF3，電機由變頻狀態切換到工頻運行，此時DCS將控制風門逐漸恢復到改造前的開度、保證工頻運行的風量符合鍋爐系統要求。電機和風機均使用原有設備。變頻器系統布置在爐后側面新建的變頻器室內。

10kV動力電纜：一次風機原電纜（ZRC-YJV-8.7/10 3X120）從電機側拆下，改接至變頻柜輸入端開關QF2上口及旁路開關QF3上口，變頻器輸出端開關下口新增敷設一根電纜（ZRC-YJV-8.7/10 3X120）到電機接線盒。

（3）設備散熱：變頻設備由大功率電力電子元件組成，對設備本體散熱要求較高。兩臺變頻器發熱量按照總功率3%計算為150kW。為保證設備節能穩定運行，采用空水冷方式進行冷卻；每間配電室配備2臺60kW水冷器，冷卻水源引至廠內工業冷卻水。同時每臺機配備10匹分體式空調作為緊急備用。若采用普通電空調約需13臺10匹空調，不僅配電室面積大，空調運行消耗的電能造成運行成本高，空水冷系統的應用不僅降低了用電成本而且使得室內冷空氣形成閉式循環，保證室外的灰塵無法進入，大大提高變頻器本身使用壽命。空水冷系統圖如圖3所示，空水冷系統安裝布置圖如圖4所示。

圖3  空水冷系統圖

圖4  空水冷系統安裝布置圖

（4）變頻器選型及參數：變頻器采用TMEIC（東芝三菱），型號為TMdrive-MVe2—3000kVA-10KV，采用無速度傳感器矢量控制方式。

1）TMEIC MVe2變頻器原理及結構

                  ??圖5.MVe2 內部結構拓撲圖??

圖5右手邊為TMEIC 10kV變頻器內部結構拓撲圖，該變頻為全球最新研發技術、投入市場近5年。由于采用了新的輸入可控整流控制技術和三菱第五代三電平IGBT使得變頻器內部結構變得簡單，三電平單元串聯耐壓高、數量少、故障概率大大降低，它與目前市場上傳統的2電平IGBT串聯結構有著本質的不同，必然是高壓變頻器發展的方向和突破。

2）TMEIC MVe2 變頻器的特點

（a）變頻器的輸入

由于MVe2變頻器采用單相IGBT PWM整流，減少了整流元件數量，整流電流和電壓同相位，可降低單元和變壓器二次繞組之間整流電流的諧波。與二極管整流相比，諧波更小，損耗更低。同時提高了整流側的功率因數。在整個調速范圍內整機功率因數為1.0。在整流過程中輸入的諧波和功率因數均可以控制。由于單元采用PWM整流，可以再生制動，四象限運行?？梢蕴峁╊~定容量80%的回饋能力，減速時可以將電機和負載的動能變成電能反饋回電網，無需制動電阻，就可以實現快速的減速和制動。MVe2 的輸入功率因數如圖6所示，MVe2的輸入諧波如圖7所示。

圖6  MVe2 的輸入功率因數圖7  MVe2的輸入諧波（接近于0）

（b）變頻器的輸出

10kV輸出41電平，輸出電平數更多，輸出波形更好。輸出電壓波形如圖8所示，輸出電流正弦波。

三電平輸出與兩電平輸出的對比。

圖8 兩電平 IGBT與三電平IGBT逆變對比

（c）變頻器輸出波形

圖9 MVe2 輸出波形

3）MVe2的輸入變壓器

MVe2變頻器輸入采用單相PWM整流、諧波極小，這樣使得輸入變壓器二次側繞組不需要移相，結構變得簡單；同時采用三電平IGBT串聯輸出，提高了單元耐壓等級、減少了單元數量使得輸入變壓器二次側繞組數量大大減少、工藝更簡單可靠。

4）MVe2變頻單元的硬件構成

整流：IGBT、逆變：IGBT為三菱原裝產品，中間直流回路電容：可自愈式金屬薄膜電容，使用壽命長。

（5）變頻裝置保護配置：一次風機原10kV電源開關保護配置不變，作為旁路運行方式的保護。在變頻器上口開關柜配置CSC241C、保護裝置中設置第二套定值作為變頻方式運行的變壓器主保護。變頻裝置本體保護和電機的各種保護由變頻裝置自身保護功能實現。

2.6 緊急停機：變頻裝置自身帶有緊急停機按鈕。另外在電動機事故按鈕增加一對常開接點，接至變頻裝置用來在電動機故障時就地同時切除變頻裝置運行。

4  控制及邏輯說明

（1）變頻運行方式

正常運行期間兩臺一次風機變頻自動運行，動葉手動放置在60～80%開度，通過變頻器自動調節風機轉速，調整一次風壓；

（2）工頻運行方式

兩臺風機均工頻運行期間，保持原邏輯不變，通過調整風機動葉自動調節一次風壓；

（3）一臺變頻一臺工頻運行

1）變頻器投入自動調節一次風壓，工頻運行風機手動調節動葉開度，調整兩臺風機出力平衡；

2）工頻運行風機動葉投入自動調節一次風壓，變頻運行風機手動調節轉速，調整兩臺風機出力平衡；

3）動葉及變頻器禁止同時投入自動。

4）變頻切工頻

（4）動葉開度與負荷對應關系

動葉與負荷對應關系如表3所示。、

表3  動葉與負荷對應關系

（5）其它說明問題

1）電機、風機原保護不變，保護直接跳閘10kV開關，滿足條件直接觸發RB；

2）只有在變頻器發生重故障時自動切換為工頻運行，其它情況下的切換均在風機停止運行后由手動切換完成。

5  項目節能后評價

（1）改造前后一次風機10kV電機電流情況統計，改造前后一次風機電流對比如表4所示。

表4  改造前后一次風機電流對比

（2）改造前后一次風機電流隨負荷變化趨勢如圖10所示。

圖10  改造前后一次風機電流隨負荷變化趨勢

根據表4計算：取所有測試負荷下各臺風機運行電流，計算的改造前與改造后平均電流下降27.6A，平均每小時節電：1.732×10000×27.6×0.88=420.6kW，按此計算每年可節約運行費用：152萬元。耗電量比原來降低了21.5%，節能效果顯著。

（3）改造后機組運行的穩定性。變頻在調試和運行以來未發生過故障。

6  結束語

由于一次風壓要求高，一次風機在低轉速、大動葉開度時失速余量較低，在負荷變動或啟、停磨機時存在失速風險，目前#2機組改造后運行時間較短，各負荷對應的安全動葉開度仍在進一步試驗摸索中。風機仍未達到最佳運行狀態。此次一次風機變頻改造采用一拖一自動旁路加空水冷的變頻改造模式，在保證設備運行可靠性的前提下達到了節能的目的。為動調軸流一次風機的節能改造提供了參考，具有很好的經濟意義和推廣價值。

參考文獻：

[1]胡小金. 鍋爐一次風機變頻改造與節能分析（機電技術2012年12月）。

[2] 郭慶華，風機變頻改造節能技術的應用（出版源 《風機技術》2005（2）：43-45）。

{3} TMEIC，Mve2 高壓變頻器中文手冊 （2016年版）

作者簡介：

王飛宇（1979-），男，工程師，華潤電力（賀州）有限公司技術部電氣專業主任工程師。電話：18607847095，傳真：0774-3369998，郵箱wangfeiyu22@126.com。

嚴山清（1977- ），男，工程師，華潤電力（賀州）有限公司技術部電氣專業主任工程師。電話：15177660087，傳真：0774-3369998，郵箱yshanqing2000@163.com。

竇克明（1975-），男，工程師，東芝三菱電機工業系統（中國）有限公司銷售經理。電話：15323385548，郵箱 kemingdou@tmeic-cn.com