合康高壓變頻器在內蒙古烏海京海電廠一次、二次風機變頻改造應用

摘要：內蒙古京海煤矸石發電有限責任公司為了提高全廠經濟指標和節能效益，積極響應政府節能減排的號召，現對電廠運行設備中一次風機、二次風機進行變頻改造。本文通過合康水冷型高壓變頻器在京海煤矸石發電廠的一次風機、二次風機變頻節能改造的應用，詳細介紹了風機變頻節能改造的必要性與實施方法、注意事項及經濟效果，為風機變頻節能改造提出新思路。

關鍵詞：高壓變頻器，變頻改造，一次風機，二次風機，液耦

一、引言

內蒙古京海煤矸石發電有限責任公司成立于2006年，是京蒙兩地合作的重點項目，也是京煤集團戰略轉移的重要舉措。該公司項目規劃建設4×330MW循環流化床空冷機組，配套建設年產300萬噸水泥項目用于消耗電廠的粉煤灰和爐渣，承擔著烏海市主城區60%的供熱面積。京海電廠已于2011年正式進入商業運營期。

近年來，隨著電網容量不斷增加，用電峰谷差也逐步增大，需要機組調峰幅度也越來越增大，京海電廠現場運行設備中的一次風機與二次風機（配備有液力耦合器），在電機固定轉速下，隨著風機輸出轉速的降低，效率也越來越低，導致風機電耗一直居高不下。由于現場的風機電機功率大，啟動時對整個電網壓降和沖擊很大，易造成電廠中的其他設備的正常使用，從而影響全廠經濟指標和節能效益。因此，風機節能改造成了京海電廠迫在眉睫的事情。

二、液耦調速與變頻調速的對比

1.1液耦調速方法

圖1 液偶在不同轉速時對應的效率。效率可低至35%

通過勺管控制泵輪渦輪工作腔中工作油的充盈度，但是在勺管調節的過程中，原動側即泵輪始終工作在全速狀態，其泵上來的工作油始終沒有變化。當勺管開度最大時，工作腔油充盈度最大，這時渦輪側受到工作油的傳導力也會最大，這時候液偶的傳導功率效率最高。當勺管開度逐漸減小時，勺管的開度控制著工作腔油的充盈度，所以工作腔油也隨之越來越少（剩余的油通過勺管回流到液偶油箱中），這樣泵輪傳導過去的效率越來越低，轉差率也越來越大，所以負載側轉速也隨之變化。但是勺管開到一定程度時，傳導效率越來越低，傳導力矩也越來越低，液偶渦輪側無法有足夠的力矩帶動負載，所以液偶開度需有一個最低值，低于最低值則液偶無法工作。

1.1.1液耦耗能分析

1）、在勺管調速過程中，將泵輪泵上來的油，通過勺管回流到了液偶油箱中。

2）、由于液偶工作腔中的工作油充盈度隨著勺管開度變化，始終無法完全充滿，導致泵輪與渦輪在力矩傳導過程中效率隨著勺管開度而降低。

3）、工作油在力矩傳導過程中勺管開度越低，工作油發熱量越大。

1.2變頻調速方法

在拖動系統中,用變頻器驅動電動機的目的就是實現調速,讓電動機按照希望的方式運轉。但不論系統是否采用調速,穩定運行是必須的,即要求系統在受到擾動時有自動恢復的能力。系統的負載特性不能依靠改變外加電氣參數來改變,只能改變電動機自身的電氣參數來實現。由于電動機機械特性曲線是由電動機本身多個電氣參數決定的,通過改變這些電氣參數,得到不同的人為機械特性,從而使新的人為機械特性曲線與負載特性曲線形成新的穩定交點,實現穩定速度調節。實現變頻的方式主要有2種,即交-交變頻和交-直-交變頻。本項目采用交-直-交變頻。

1.2.1變頻改造節能點

1）、替換液耦調速方式，風機的速度直接由變頻器調節電機轉速來完成。省去原液偶的傳動效率，減少中間損耗。

2）、直接通過調節電機的轉速來實現調節風量的目的，降低風機的軸功率。

3）、間接好處：減去液偶維護維修量，減少該部分支出。

1.2.2變頻調速優勢

1）、降低了廠用電能耗：降低將近0.5%的廠用電能耗。

2）、變頻器調節頻率精度為0.01HZ，對電機可實現更精確的轉速控制，可實現1轉以內的精準控制。提高自動化水平，同時也提高電廠發電工藝。

3）、啟動沖擊少，只有額定電流0.5倍左右（工頻啟動電流是額定電流的6-7倍），對電網零沖擊。

4）、電機為軟啟動，對電機機械部分以及線苞無沖擊，可實現頻繁啟動。

三、京海煤矸石發電廠工程概況

2.1現場設備參數表

京海煤矸石發電廠運行的設備中一次風機有4臺，二次風機有4臺，均為液偶調速。具體參數如下：

表1   4臺一次風機電機銘牌參數

表2   4臺一次風機液偶銘牌參數

表3   4臺二次風機電機銘牌參數

表4   4臺二次風機液偶銘牌參數

2.2一次風機、二次風機高壓變頻器主回路方案

圖2  一次風機、二次風機高壓變頻器主回路原理圖

此系統由高壓開關柜、自動旁路柜、高壓變頻器、高壓電機組成。

旁路柜主要配置：三個真空接觸器（KM1、KM2、KM3）和兩個隔離開關QS1、QS2（在變頻器退出而電機運行于旁路時，能安全地進行變頻器的故障處理或維護工作）。KM2與KM3實現電氣互鎖，當KM1、KM2閉合，KM3斷開時，電機變頻運行；當KM1、KM2斷開，KM3閉合時，電機工頻運行。另外，KM1閉合時，QS1操作手柄被鎖死，不能操作；KM2閉合時，QS2操作手柄被鎖死，不能操作。

電機工頻運行時，若需對變頻器進行故障處理或維護，切記在KM1、KM2分閘狀態下，將隔離刀閘QS1和QS2斷開。

1) 合閘閉鎖：將變頻器“合閘允許”信號串聯于KM1、KM2合閘回路。在變頻器故障或不就緒時，真空接觸器KM1、KM2合閘不允許；在KM1、KM2合閘狀態下，若變頻器出現故障，則“合閘允許”斷開，KM1、KM2跳閘，分斷變頻器高壓輸入電源。

2) 旁路投入：將變頻器“旁路自動投入”信號并聯于KM3合閘回路。變頻運行狀態下，若變頻器出現故障且自動投入允許，系統將首先分斷變頻器高壓輸入、輸出開關KM1和KM2，經過一定延時后，“旁路自動投入”信號閉合，即工頻旁路開關KM3合閘，電機投入電網工頻運行。

3) 保護：保持原有對電機的保護及其整定值不變。

2.3現場施工方案

將現場風機原有的液耦調速更改為電機直驅。即拆除液偶，將一次風機、二次風電機基礎前移至液偶位置，在液偶基礎上加固以固定電機，拆除液偶外置工作油泵、潤滑油泵。每臺電機新增加稀油站。

2.3.1變頻外部冷卻系統（二次換熱站）

因現場開式水的水質（主要是懸浮物）非常不好，為了保證水冷變頻器外水冷卻水的長期穩定，不會造成水冷設備內部換熱裝置堵塞，同時減少維護工作量，利用現原有的液偶的工作油和潤滑油的板式換熱器做了一個二次換熱系統。系統中板式換熱器冷卻側水源為現場開式水，換熱側為變頻器的冷卻水，變頻器的冷卻水作為一個閉式循環系統，采用三臺11KW水泵做循環，兩用一備，內循環系統中配置了制高排空閥、最低點排污閥、高位補水箱、進水回水聯絡閥門、過濾網等功能。同時高位補水箱為不銹鋼板焊接，配置自動補水系統、水位低報警等功能，當補水箱水位不足時，自動從閉式循環系統中給其補水。

2.3.2變頻器安裝方案

京海電廠項目現場應用變頻器設備總長*寬*高：6250（含旁路柜1000）*1400*2450。

安裝方式如下：

變頻器采用底部進出線方式，從正面看，高壓進出線孔位于自動旁路柜后部居中的位置，二次進出線電纜孔位于自動旁路柜前部居右的位置。變頻器應安裝在電纜溝上，見下圖。

圖3 高壓變頻器安裝圖（側面）

變頻器安裝在10#槽鋼焊接的底座上，通過點焊方式將其固定在安裝槽鋼上，槽鋼需可靠接地，接地電阻不得大于4Ω。

變頻器在正面操作，二次接線室在背面。為了保證操作、維護的方便性和通風散熱效果，變頻器正面距墻距離不小于1.5米，背面距墻距離不小于1.2米，左右和頂部距墻距離不小于0.8米。

三、合康水冷型高壓變頻器技術參數

根據現場設備，配備的變頻器規格為：6kV/3200kW純水冷型變頻器，設備數量：8臺。

3.1高壓變頻器的主要技術性能指標

表5   高壓變頻調速裝置規范表

3.2隔離變壓器

隔離變壓器是合康HIVERT-Y變頻器標準配置，為功率單元提供低壓隔離電源，其主要作用是降壓、移相。變壓器可以擬制諧波，并可降低過電壓對功率單元的影響。

表6   隔離變壓器規范表

3.3水冷變頻器水循環系統

圖4 水冷變頻器水循環系統原理圖

水冷變頻器水循環系統包括內水循環系統和外水循環系統兩部分。如圖4所示，水冷柜中板式換熱器與功率單元之間的水循環稱為內水循環系統，又稱一次循環；水冷空調中換熱器和板式換熱器內的熱量通過外面的冷源水將熱量帶出，此水循環稱為外水循環系統，又稱二次循環。

3.3.1水冷變頻器內水循環系統

水冷柜中恒定壓力和流速的去離子水源源不斷地流經板式換熱器進行熱交換，換熱后再進入變頻器功率單元帶走熱量，溫升水流回至主循環泵的進口，通過電動三通閥調節進入板式換熱器的流量，達到精確控制純水冷卻裝置中冷卻水溫度的目的。同時一部分水會通過離子交換器進行離子交換，以達到滿足要求的去離子水。

3.4變壓器水冷空調(內置空水冷換熱器)

循環工作原理

一側是變壓器柜內的熱空氣，經冷卻風機提供動力，通過熱交換器進行熱量交換，冷卻后空氣返回到變壓器柜；另一側為外發面低溫冷源水進入熱交換器，換熱后流出。冷源水流經管路設有儀表，以便檢測流體流量，判斷流體狀態。熱換熱器頂部最高處配有排氣閥，底部最低處配備排水閥，方便排水、加水。

圖5 變壓器水冷空調原理圖

3.5水冷變頻器外水循環系統

現場提供滿足條件的外水水質及溫度要求如表7所示：

表7 現場外水水質及溫度要求

系統外水第一次加水運行30分鐘，停止泵運轉。關閉水冷柜內外源水過濾器前后端的閥門，拆卸過濾器，清理濾芯，排出臟物。裝上后切換為冗余過濾器繼續運行系統30分鐘，重復以上步驟，直到系統壓力穩定且過濾網中沒有雜質，沖洗完成。

如果現場外水水質渾濁，在外水進水閥前需要增加過濾器，過濾器精度為200μm（目數為80目），水冷柜內部外源水過濾器與柜外過濾器都具有旁路功能，根據現場水質情況需要定期清理4個外水管道過濾器。

3.6水冷變頻器室空調配置

由于水冷變頻器單元柜內除了水冷板上主要電子器件發熱通過循環水冷卻外，柜內還有電解電容、連接銅排等其他發熱器件產生熱量，因此單元柜頂部配置了冷卻風機，將單元柜內的熱空氣抽到環境中，故水冷變頻器放置房間需要配置安裝空調，空調制冷量為變頻器額定功率的0.5%。

四、變頻改造后風機節能分析

風機長期在額定轉速下運行,所以,根據運行電流可求出電動機工頻運行時，實際消耗的有功功率：

P實際 = 1.732* I2 *U2 *cosφ*n（電機功率因素下降系數）

安裝變頻器后,我們將液偶勺管開度調整為100%，改為調節風機的電機運行頻率，改變電機的速度來達到調節的目的。

根據流量、壓力、軸功率與其轉速的關系

用文字表述為：流量與轉速成正比、壓力與轉速的平方成正比、軸功率與轉速的立方成正比。

l  Q2/Q1 = n2/n1

l  H2/H1 = (n2/n1)2

l  P2/P1= (n2/n1)3

節電率計算：

安裝變頻器的運行功率：

P變頻/ P額定= ( Q2/Q1)3= (n2/n1)3

n1=風機額定轉速=1494rpm

n2=風機轉速

P變頻功率=P變頻/（傳動效率*變頻器效率）

傳動效率=液偶傳動效率=0.95

變頻器效率=0.98

節能量=P實際功率-P變頻運行功率

節能效率=（ P實際- P變頻運行功率）/ P實際

4.1一次風機運行情況分析及節能分析

一次風機運行時需2臺全部運行，不論任何負荷，調節量不是很大。根據現場提供的數據，按照全年（2014.10-2015.9）計算，可知：

1#機組累計發電時間：6850小時、1#機組累計發電量：1569525MW 、1#機組年平均負荷：229MW

2#機組累計發電時間：6320小時、2#機組累計發電量：1368206MW、2#機組年平均負荷:216MW

2015年1#機組2#機組預計發電量29億千瓦時，按照往年的發電時間大概為6500小時（1#機組6850小時，2#機組6320小時），則兩個機組年平均發電負荷為223MW，年平均節電率為27%。

一次風機節電量及節能效益

一次風機節電量=（工頻運行功率-變頻運行功率-輔機冷卻功率）*風機運行時間=（1411.78-1029.67-10）*6500=241.87萬千瓦時。

單機組兩臺一次風機的節電量=482.74萬千瓦時

輔機冷卻功率=空水冷機組功率=10kW（單臺）

4.2二次風機運行情況分析及節能分析

二次風機運行時與電泵的運行情況是一樣的，當負荷超過23萬時二次風運行，23萬負荷一下單二次風運行。因二次風機的運行特性與電動給水泵一致，所以按照電泵給水泵的運行情況分析：

年平均節電率說明：

2015年1#機組2#機組預計發電量29億千瓦時，按照往年的發電時間大概為6500小時（1#機組6850小時，2#機組6320小時），則兩個機組年平均發電負荷為223MW。二次風機平均節電率為33.55%（單風機運行）.

根據根據2014年10月-2015年9月的運行情況分析：1#機組年平均負荷：229MW，2#機組年平均負荷:216MW。

二次風機年節電量說明：

根據2014年10月-2015年9月的運行情況分析，二次風機是在單機與雙機相互交換間替的狀態下運行，單機運行時間1#機組4170小時，2#機組4041小時。雙機運行時間1#機組2680小時，2#機組2278小時。

根據現場雙機運行的原則（230MW左右啟雙機），可以將二次風機分兩種運行條件下運行。

1）、單機運行時機組平均負荷197MW，單泵運行時間以4100小時核算，此時單臺機組節電量：

單泵運行下單臺機組節電量=單泵節電量

單機節電量=（工頻運行功率-變頻運行功率-輔機功率）*單機運行時間=（2064-1323.84-10）*4100=299.36萬千瓦時。

輔機冷卻功率=空水冷機組功率=10KW（單臺）

2）、雙機運行時機組平均負荷256MW，雙機運行時間以2400小時核算，此時單臺機組節電量：

雙機運行下單臺機組節電量=二次風機單機節電量*2

二次風機單機節電量=（工頻運行功率-變頻運行功率-輔機功率）*電泵運行時間=（1544-1058.82-10）*2400=114.04萬千瓦時。

雙機運行下單臺機組節電量=二次風機單機節電量*2=228.08萬千瓦時

3）、單臺機組二次風機年節電量=299.36+228.08=527.44萬千瓦時

4.3現場運行情況及年節電收益說明：

2#機組從2016年10月份開始運行至今，運行良好，水冷散熱效果非常明顯，節能效果非常顯著，運行中的4臺設備平均節能率在35%左右，節電收益如下：

單機組一次二次風機總節電量為：482.74+527.44=1010.18萬千瓦時

按照結算電價：0.25元計算，

單臺機組年年節電收益為252.545萬元。

兩臺機組年節電收益為505.09萬元。

五、結論

京海煤矸石發電廠一次風機、二次風機變頻改造完成后，可實現風機在不同工作方式組合運行，保證風機自動均能正常投入。通過將液耦調速改造為變頻調速后，節流損失明顯減小，獲得了顯著的節能效果，特別是在低負荷運行情況下，節電效果十分顯著，減少了發電成本，提高了機組運行的經濟性。