3550kW高压变频器在600MW机组引风机系统的应用

  1 概述

  山西大唐国际运城电厂一期工程2X600MW直接空冷亚临界燃煤发电机组,自投运以来,机组运行稳定,但为了节能降耗、提高经济效益、减少对设备的磨损,在2009年8月和2010年4月分别对1#机组和2#机组共计四台引风机进行了变频技术改造,变频器选用了我公司生产的型号为HARSVERT-A06/420、功率为3550kW的高压变频调速系统。

  2 系统介绍

  2.1 系统各设备技术参数(见表1、表2、表3)

  

  

  引风机技术参数:

  2.2 HARSVERT-A06/420型高压变频器介绍:

  2.2.1系统构成

  HARSVERT-A06/420高压变频器采用单元串联多电平技术,直接6.3kV输入,直接6kV输出。由移相变压器、功率单元和控制器组成,其典型结构如下图所示。

  

  图1 6kV系统结构图

  该系统由15个功率模块组成,每5个功率模块串联构成一相,三相Y连接,直接给6kV电机供电。

  2.2.2输入变压器

  输入侧移相变压器将网侧高压变换为副边的多组低压,各副边绕组在绕制时采用延边三角接法,相互之间有一定的相位差。

  该系统变压器副边绕组分为5级,每级电压690V,相互间移相12°,构成30脉冲整流方式。这种多级移相叠加的整流方式,消除了大部分由独立功率模块引起的谐波电流,可以大大改善网侧的电流波形,使变频器网侧电流近似为正弦波,使其负载下的网侧功率因数达到0.95以上。

  另外,由于变压器副边绕组的独立性,使每个功率模块的主回路相对独立,其工作电压由各个低压绕组的输出电压来决定,工作在相对的低压状态,类似常规低压变频器,便于采用现有的成熟技术。各模块间的相对电压,由变压器副边绕组的绝缘承担,避免了串联均压问题。

  2.2.3 功率模块

  移相变压器的每级副边绕组的输出作为每个功率模块的三相输入。功率模块是整台变频器实现变压变频输出的基本单元,整台变频器的变压变频功能是通过单个功率模块实现的,每个功率模块都相当于一台交-直-交电压型单相低压变频器。

  功率模块整流侧用二极管三相全桥进行不控全波整流,中间采用电解电容滤波和储能,输出侧为4只IGBT组成的H桥,电路结构如下图所示。

  

  图2 功率模块电路结构

  2.2.4输出侧结构

  输出侧由每个单元的U、V输出端子相互串接而成星型接法给电机供电,通过对每个单元的PWM波形进行重组,可得到阶梯正弦PWM波形。这种波形正弦度好,dv/dt小,对电缆和电机的绝缘无损坏,无须输出滤波器,就可以延长输出电缆长度,可直接用于普通电机。同时,电机的谐波损耗大大减少,消除负载机械轴承和叶片的振动。当某一个功率模块出现故障时,通过控制使输出端子短路,可将此单元旁路退出系统,变频器可保持继续运行;由此可避免很多场合下停机造成的损失。

  2.2.5控制系统

  变频器控制系统接收用户的控制指令(启动、停机、急停、频率给定等),对各功率模块进行触发、封锁、旁路等控制,使变频器提供相应的频率和电压输出。控制系统还对变频器各部件的状态(如各个功率模块、变压器、风机等)进行监控,提供故障诊断信息,实现故障的报警和保护。

  为了实现控制部分和高压部分完全可靠隔离,控制器与功率模块之间采用光纤通讯技术,系统具有极高的安全性,同时具有很好的抗电磁干扰性能。

  2.3变频器的旁路开关柜:

  2.3.1 每一套引风机变频器配置一套手动旁路柜,直接控制变频器的输入输出,通过旁路柜的切换操作来实现引风机的工频、变频运行方式的切换。工频、变频侧隔离开关之间采用机械互锁和电气互锁相结合方式,安全可靠。

  2.3.2机组正常运行时,两台引风机同时采用变频方式运行。当引风机变频器出现严重故障时可手动旁路柜切换成工频方式运行,旁路柜具有明显断点,实现完全电气隔离,为变频器的检修提供了隔离措施。

  见图3中QF1为6kV高压断路器,QS11、QS12分别为变频器的输入、输出隔离开关,QS13为手动旁路隔离开关,闭合QS13,电机可以实现手动旁路运行。

  

  图3旁路柜

  2.4 变频器的冷却方式:

  由于变频器本体在运行过程中有一定的热量散失,为保证变频器具有良好的运行环境,需要为变频器室配备独立的冷却系统。根据运电现场实际安装位置环境空气的清洁度、核算设备的发热总量、综合考虑冷却系统的改造费用和运营成本等因素,提出新型的冷却方案:变频器功率模块柜安装强制密闭冷却系统,该设备冷却效率高、节省电能、维护量小、无故障运行时间长,改造费用与普通室内空调相当。

  强制密闭冷却系统与变频器功率柜一体化设计,附着于功率柜顶部。其制冷压缩机组安装于变频器配电室屋顶。该系统配置大小两个制冷压缩机组,并配有PLC调节运行,根据季节的变换,39℃投一台压缩机,温度达到41。5℃通过PLC投第二套压缩机,加强制冷设备的制冷量。当两台压缩机均发生故障时,运行环境温度达到43℃时,通过PLC解除电磁锁,打开变频器功率柜门,实现自然通风散热。

  强制密闭冷却系统能够保证变频功率柜始终处于33~40℃运行环境,避免环境温度和粉尘对设备的不利影响、节省电能、大幅度延长滤网更换周期减少现场维护量。

  除此之外,用户在大约130平米的变频室安装了四台10 P的柜式空调来控制环境温度,因此移相变压器的温度也被很好的控制在一个稳定的较低的温度。

  3、引风机系统运行

  变频调速系统电源取自6kV电压等级的主动力电源系统,根据运行工况按设定程序,实现对引风机电动机转速控制。

  3.1 变频器调节方式

  正常情况下,静叶全开,引风机变频方式长期运转。高压变频器受DCS控制时分自动、手动两种方式。手动状态时,运行人员通过改变画面转速控制块控制高压变频器转速。自动状态时,根据DCS内部设定的炉膛负压定值、负荷自动控制高压变频器转速。风机变频运行时,“高压变频器重故障”联跳该风机的高压开关。

  3.2 引风机调节方式

  3.2.1、变频调节。根据不同负荷下的风量、炉膛负压变化情况,调节引风机转速控制炉膛负压稳定。

  3.2.2、静叶调节。负荷低时,系统就会采用静叶节流调节控制,以免风机抢风或高压变频器工频方式下静叶调节。

  3.3引风机变频调速控制:

  

  图4 不同转速下的特性曲线图

  低频抢风:引风机不同转速下的特性曲线见图4,可以看出转速不同,相应的驼峰点和驼峰流量也不同。转速越低,驼峰点越向左移,驼峰流量越小,把不同转速下的驼峰点连接起来,就构成了一条曲线,曲线右侧为稳定工作区,曲线左侧为不稳定区。称驼峰流量为极限流量,相应的驼峰点连接曲线称之为喘振抢风极限线。显然,只要在低频下,只要控制引风机的流量,使其大于极限流量,则风机便不会发生抢风问题。或通过静叶节流,改变引风机管路特性以达并列点。发生抢风时,应将引风机静叶慢慢关闭以达到并列点,关闭时注意负压变化,再适当增大引风机频率,低频时尽量维持引风机在极限流量以上运行。

  启动并列:引风机启动,可以直接用变频方式,启动后出口门联开正常后,高压变频器自动从0hz开始升速到20hz,然后根据需要进行转速和静叶的调整,低负荷时并列引风机,最好通过风机静叶节流后,工频方式下并列以免抢风,并列成功后随负荷增加,再慢慢将静叶全开,再将频率降低,最后再将频率投自动。

  4 变频器节能改造效果分析:

  4.1 节能理论:

  

  图5

  风机调整特性见图5。风机的正常工作点为A,当风量需要从Q1 调到Q2 时,采用挡板调节,管网特性曲线由R1改变为R2,其工作点调至B点,其功率为OQ2BH2’所围成的面积,其功率变化很小,而其效率却随之降低。当采用变频调速时,可以按需要升降电机转速,改变设备的性能曲线,图中从n1 到n2,其工作点调至C点,使其参数满足工艺要求,其功率为OQ2BH2 所围成的面积,同时其效率曲线也随之平移,依然工作在高效区。由于功率随转速3次方变化,故节能效果显著。

  

  Q1、 H1、 P1----风机在n1转速时的流量、压力、轴功率;

  Q2、 H2 、 P2------风机在n2转速时的流量、压力、轴功率。

  由此可知,风机的流量与其转速成正比,压力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,其轴功率所需的电功率亦可相应降低。通过变频改变风机转速,如n2/n1降低1/2,则P2/P1=1/8,由于轴功率与转速的三次方成正比,因此可节电87.5%,降低转速可大大降低轴功率。

  4.2 节能效果分析:

  在不同工况下,引风机系统技改前、后实际运行参数见表4:

  

  表4

  以近期负荷率 70%,结合上表估算到两台引风机每小时可节约电流280A。

  折合电量为: P=√3 UICOS∮=√3×6×280×0.857 = 2493.66kW/h

  该公司上网电价0.3153元/ kW/h,每小时节电约合人民币786.25元。按去年全年火电设备利用小时数5633小时计算约442.894625万元/2台引风机,而改造2台引风机的成本为520万元,运行1.17年可全部收回成本。

  4.3 其它性能分析:

  引风机变频调速改造使得变频启动时,基本上无冲击电流,其电流是从零开始,随着转速的上升而增加,最大不会超过额定电流,这就消除了对电机的冲击力,解决了启动时大电流对电机的冲击,随着电机耗能的下降,电机发热量也随之减少,延长了电机的使用寿命。变频调速运行时,由于低风量时的转速低,这就降低了风机及系统的噪声,改善了运行环境。同时变频运行时,引风机挡板全开,也减少了风道的振动与磨损。

  5 结束语

  通过以上介绍和分析,我公司3550kW变频器在600MW机组引风机上的改造节能效果是明显的,用户也是十分满意的。现在大唐国际运城电厂1#机组两套引风机变频器已稳定运行半年多,2#机组两套引风机变频器已安装调试完毕,马上投入运行。

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