The High-voltage inverter is in the environmental protection application of the hot power station
東方日立（成都）電控設(shè)備有限公司 鄭書衡
摘要：本文扼要的介紹高壓變頻調(diào)速裝置工作原理、富春江環(huán)保熱電公司引風(fēng)機(jī)高壓變頻調(diào)速裝置的應(yīng)用以及技術(shù)和經(jīng)濟(jì)分析。
關(guān)鍵詞：高壓變頻器 節(jié)能 應(yīng)用
Abstract： In this paper，Introduce to high voltage frequency conversion timing installation operational principle to the point. The high voltage frequency conversion timing installations application along with technique and economic analysis on Fuchunjiang environment protect thermoelectricity company.
Key word: High-voltage inverter Energy saving Application
1. 引言
綠色環(huán)保無(wú)公害是現(xiàn)代化城市“三廢”處理必須要考慮的，城市中工業(yè)垃圾和生活垃圾是主要污染物，過(guò)去垃圾主要是以填埋處理，既占用大量的土地又不能從根源上徹底消除危害。而近些年來(lái)出現(xiàn)的環(huán)保型熱電廠，通過(guò)將垃圾燃燒產(chǎn)生的熱量加熱水，產(chǎn)生蒸汽實(shí)現(xiàn)發(fā)電。在目前能源供應(yīng)緊張、價(jià)格不斷上漲的今天更具有特殊意義，它不但解決了垃圾處理問(wèn)題，同時(shí)也帶來(lái)了莫大的經(jīng)濟(jì)利益，真正實(shí)現(xiàn)了污染物處理的減量化、無(wú)害化、資源化、花園化、國(guó)產(chǎn)化五化要求。
2. 概述
富春江環(huán)保熱電有限公司是富春江集團(tuán)控股子公司，是目前浙江省最大的環(huán)保熱電(垃圾發(fā)電)項(xiàng)目，公司位于富陽(yáng)市靈橋鎮(zhèn)，緊臨富春江邊，公司現(xiàn)設(shè)計(jì)總裝機(jī)容量7.4萬(wàn)千瓦，配置“7爐4機(jī)”，采用130t/h循環(huán)硫化床鍋爐，汽輪機(jī)采用2臺(tái)25MW，2臺(tái)12MW，現(xiàn)“4爐3機(jī)”已正式投入生產(chǎn)運(yùn)行。其中兩臺(tái)循環(huán)硫化床焚燒爐每年可處理26萬(wàn)噸生活垃圾和工業(yè)廢料，節(jié)約標(biāo)煤近20萬(wàn)噸，減少二氧化硫排放1873噸，減少煙塵排放539噸，同時(shí)可以取代周邊100多家企業(yè)的小型供熱鍋爐，大大減輕燃煤對(duì)大氣造成的污染，還可為當(dāng)?shù)?20多家造紙企業(yè)供熱。公司在作好環(huán)保工作的同時(shí)，為響應(yīng)國(guó)家建設(shè)節(jié)約型社會(huì)倡導(dǎo)，積極做好節(jié)水節(jié)電，廠內(nèi)廣泛采用綠色節(jié)能燈、汽動(dòng)給水泵、高效節(jié)能風(fēng)機(jī)。
考慮到鍋爐風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和風(fēng)壓裕量可能達(dá)到20%以上。在鍋爐風(fēng)機(jī)的用電量中，很大一部分是因風(fēng)機(jī)型號(hào)和管網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)不匹配而被白白消耗的。同時(shí)，發(fā)電廠的負(fù)荷必須要跟隨用戶的使用狀況而改變，發(fā)電機(jī)的負(fù)荷調(diào)節(jié)要求鍋爐和風(fēng)機(jī)相應(yīng)作出調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)過(guò)程中又有大量能量被截流閥門浪費(fèi)了。但是如果在風(fēng)機(jī)上加裝目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)開始普遍采用的高壓變頻器，由變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)壓調(diào)頻，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)量的調(diào)節(jié)以滿足負(fù)荷的變動(dòng)，這樣就能將風(fēng)機(jī)擋板在節(jié)流過(guò)程中造成的能量損失和因風(fēng)機(jī)型號(hào)和管網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)不匹配形成的能量損失節(jié)約下來(lái)。通過(guò)考察，東方日立（成都）電控設(shè)備有限公司以其優(yōu)秀的技術(shù)方案、良好的運(yùn)行業(yè)績(jī)、規(guī)模化的生產(chǎn)能力以及專業(yè)的售后服務(wù)等，得到了富春江環(huán)保熱電有限公司技術(shù)人員的一致認(rèn)可。為了試點(diǎn)，采用東方日立（成都）電控設(shè)備有限公司生產(chǎn)的DHVECTOL-DI系列高壓大功率變頻器先對(duì)4號(hào)爐引風(fēng)機(jī)進(jìn)行了變頻改造，到達(dá)了預(yù)期的節(jié)能效果，而后又陸續(xù)對(duì)3號(hào)、5號(hào)、6號(hào)、7號(hào)爐進(jìn)行了變頻改造，都取得了很好的效果。
3. 變頻器工作原理
目前國(guó)內(nèi)高壓大功率變頻器普遍采用“高-低-高”的變換形式，由多個(gè)功率單元構(gòu)成多重化串連的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個(gè)單元輸出固定的低壓電平，再由多個(gè)單元串連疊加為所需的高壓，見(jiàn)系統(tǒng)圖3－1。DHVECTOL-DI系列高壓大功率變頻器也不例外，以10kV每相九個(gè)單元串聯(lián)為例,系統(tǒng)如下圖所示。每相由九個(gè)相同的功率單元串聯(lián)而成，相電壓為5773V。每個(gè)功率單元輸出有效值Ve＝641V，峰值輸出電壓 。多重化串連結(jié)構(gòu)使用低壓器件實(shí)現(xiàn)了高壓輸出，不僅降低了對(duì)功率器件的耐壓要求，而且還使輸出波形得到了極大的改善。它對(duì)電網(wǎng)諧波污染非常小，輸入電流諧波畸變率小于4%，滿足IEEE519-1992的諧波抑制標(biāo)準(zhǔn)；輸入功率因數(shù)高，不必采用輸入諧波濾波器和功率因數(shù)補(bǔ)償裝置；輸出波形接近正弦波，不存在輸出諧波引起的電機(jī)發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問(wèn)題，對(duì)普通異步電機(jī)不必加輸出濾波器就可以直接使用。
圖3－1 系統(tǒng)圖
4. 可靠性設(shè)計(jì)
130t/h循環(huán)硫化床鍋爐采用一臺(tái)一次風(fēng)機(jī)，一臺(tái)二次風(fēng)機(jī)，一臺(tái)引風(fēng)機(jī)，因此對(duì)可靠性的要求非常的高，詳細(xì)見(jiàn)附圖4－1。
圖4－1 130t/h循環(huán)硫化床鍋爐示意圖
為了保證設(shè)備的使用壽命，DHVECTOL-DI系列高壓大功率變頻器功率單元采用了冗余設(shè)計(jì)，每相功率單元采用9級(jí)串連。
為了保證變頻器的可靠性，DHVECTOL-DI系列高壓大功率變頻器功率單元采用了自動(dòng)旁通設(shè)計(jì)，功率單元原理見(jiàn)附圖4－2。當(dāng)單個(gè)功率單元故障后，變頻器會(huì)自動(dòng)旁通掉該功率單元，保證系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行，9級(jí)系統(tǒng)可旁通掉兩個(gè)功率單元。
圖4－2 功率單元原理圖
同時(shí)為了保證系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行，整套變頻器配備有手動(dòng)旁通裝置。變頻器異常時(shí)，變頻器停止運(yùn)行，電機(jī)可以直接手動(dòng)切換到工頻運(yùn)行。如圖4-3，工頻旁路由2個(gè)高壓隔離開關(guān)QS1、QS2組成。變頻運(yùn)行時(shí)，QS1合，QS2處于變頻位置；工頻運(yùn)行時(shí)，QS2處于工頻位置，QS1斷開。
圖4－3 一次系統(tǒng)圖
5. 成功應(yīng)用
4#爐引風(fēng)機(jī)的變頻器于2005年1月到現(xiàn)場(chǎng)，3月中旬開始安裝，4月24日送電調(diào)試，5月變頻器配合鍋爐進(jìn)行各種動(dòng)力實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)期間各種連鎖可靠，故障聲報(bào)警準(zhǔn)確，和DCS系統(tǒng)連接方便、控制精度高。6月4#爐投入生產(chǎn)運(yùn)行，另外3#、5#爐也分別于12月和2006年1月投入生產(chǎn)，通過(guò)實(shí)際生產(chǎn)期間對(duì)引風(fēng)機(jī)工頻啟動(dòng)運(yùn)行和變頻啟動(dòng)運(yùn)行的大量對(duì)比測(cè)試，鍋爐引風(fēng)機(jī)采用變頻啟動(dòng)運(yùn)行后具有明顯優(yōu)勢(shì)。
改善啟動(dòng)性能，減少電網(wǎng)沖擊，引風(fēng)機(jī)電機(jī)采用變頻器從靜態(tài)啟動(dòng)，運(yùn)行人員通過(guò)DCS系統(tǒng)緩慢提升轉(zhuǎn)速至工作范圍，最大啟動(dòng)電流約為額定電流0.8倍，避開了電機(jī)6-8倍啟動(dòng)電流，轉(zhuǎn)動(dòng)力矩平穩(wěn)上升，減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊。
減少機(jī)械震動(dòng)、噪音和磨損，提高運(yùn)行的可靠性，延長(zhǎng)機(jī)械壽命,變頻調(diào)速時(shí)引風(fēng)機(jī)入口擋板全開，升降轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，慣性力矩減少，各部力矩為最小，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部件磨損最小，環(huán)境噪音降到最低。
利用變頻器對(duì)鍋爐引風(fēng)機(jī)進(jìn)行壓力、風(fēng)量調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)過(guò)程平滑靈活可靠，同時(shí)解決風(fēng)門擋板線性差、調(diào)節(jié)延遲問(wèn)題，特別在點(diǎn)爐初期和低負(fù)荷情況下，變頻調(diào)節(jié)非常方便平穩(wěn)、控制精度高，爐膛負(fù)壓容易控制也非常穩(wěn)定，與擋板節(jié)流調(diào)節(jié)相比，變頻調(diào)節(jié)明顯改善調(diào)節(jié)性能。
6. 節(jié)能效益分析
在3#、4#爐鍋爐系統(tǒng)正常運(yùn)行、熱負(fù)荷基本相等的工況下，其中3#爐引風(fēng)機(jī)采用風(fēng)機(jī)進(jìn)口風(fēng)門調(diào)節(jié)風(fēng)量，4#爐引風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速調(diào)節(jié)風(fēng)量（兩臺(tái)鍋爐并列布置，煙道截面、煙管長(zhǎng)度基本相等），根據(jù)杭州市能源監(jiān)測(cè)中心于2005年11月對(duì)浙江富春江環(huán)保熱電有限公司引風(fēng)機(jī)進(jìn)行的耗電量測(cè)試，得出兩臺(tái)鍋爐引風(fēng)機(jī)在采用不同方式調(diào)節(jié)風(fēng)壓風(fēng)量時(shí)的排煙量、耗電量數(shù)據(jù)如下：
序號(hào) 項(xiàng)目名稱 符號(hào) 單位 計(jì)算公式或數(shù)據(jù)來(lái)源 數(shù)值
工頻 變頻
1 測(cè)試時(shí)間 T1 Min 實(shí)測(cè) 60 60
2 大氣壓力 PB Pa 實(shí)測(cè) 101500 101500
3 環(huán)境溫度 t℃ ℃ 實(shí)測(cè) 28.1 23.4
4 電機(jī)轉(zhuǎn)速 r r/min 實(shí)測(cè) 996 472
5 畢托管系數(shù) k 標(biāo)定值 1 1
6 測(cè)試斷面煙溫 ty ℃ 實(shí)測(cè) 108 101
7 測(cè)試斷面靜壓 ps Pa 實(shí)測(cè) 48.7 33.5
8 斷面均方根動(dòng)壓 Hd Pa 2
13.14 13.14
9 標(biāo)態(tài)下咽氣重度 γo N/Nm³ 查表 9.9457 10.1522
10 測(cè)試斷面咽氣重度 γ N/Nm³
9.8016 10.1522
11 測(cè)試斷面風(fēng)速 v m/s
9.8016 8.0462
12 每小時(shí)引風(fēng)量 qf m³ / h V×F×3600 216478 177709
13 平均電壓 U V 實(shí)測(cè) 10644 10827
14 平均電流 I A 實(shí)測(cè) 29.85 5.10
15 功率因數(shù) COSΦ — 實(shí)測(cè) 0.637 0.989
16 視在功率 s KVa 實(shí)測(cè) 550.31 95.88
17 無(wú)功功率 q kvar 實(shí)測(cè) 424.41 14.35
18 有功功率 p kW 實(shí)測(cè) 350.55 94.80
19 輸入無(wú)功電量 wq Kvar.h 實(shí)測(cè) 424.41 14.35
20 輸入有功電量 wp Kw.h 實(shí)測(cè) 350.55 94.8
21 電源頻率 f HZ 實(shí)測(cè) 50.01 23.55
22 風(fēng)門開度 Fm % 實(shí)測(cè) 24.7 100
23 每萬(wàn)立方米引風(fēng)量所耗電量 pd Kwh/nm³ Wp/ qf 16.1932 5.3346
采用變頻調(diào)速后，引風(fēng)機(jī)節(jié)電率：
=
7. 結(jié)束語(yǔ)
現(xiàn)階段國(guó)家電力供應(yīng)缺口較大，供需矛盾十分突出，但是電力浪費(fèi)也非常嚴(yán)重，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，每單位GDP消耗能源高1倍甚至數(shù)倍，因此在加快電力建設(shè)速度的同時(shí)，依靠科技進(jìn)步，加大節(jié)電力度，最大限度降低電力消耗，對(duì)緩解電力供需緊張局面，同樣有著不可忽視的作用。富春江環(huán)保熱電有限公司通過(guò)對(duì)引風(fēng)機(jī)加裝變頻調(diào)速裝置，取得了明顯的節(jié)電效果，并獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，在國(guó)家大力提倡建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的今天，為環(huán)保熱電廠又增加了一個(gè)新的亮點(diǎn)。
參考文獻(xiàn)：
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[4] 王占奎 變頻調(diào)速應(yīng)用百例 科學(xué)出版社
作者簡(jiǎn)介：
鄭書衡 男 東方日立（成都）電控設(shè)備有限服務(wù)工程師，長(zhǎng)期負(fù)責(zé)高壓變頻器改造工作，有高壓變頻器應(yīng)用豐富經(jīng)驗(yàn)。
