1 引言
貴州省甕福礦肥基地是國家“八五”和“九五”期間建設的五個大型磷礦肥基地之一，目前擁有全國最大的磷礦山和磷肥廠。
甕福礦肥基地由甕福磷礦和甕福磷肥廠兩個國家重點項目組成。甕福磷礦1990年11月開工，1995年建成。甕福磷肥廠1997年建設，1999年通過72h考核。從而形成250萬t/年磷礦石、210萬t/年磷精礦、80萬t/年重鈣、3萬kW余熱發(fā)電的生產(chǎn)能力，以及年吞吐能力345萬t的自備鐵路專線。
甕福磷肥廠下設磷酸一銨分廠、磷酸二銨分廠、硫酸分廠、磷酸分廠、熱電分廠5個主生產(chǎn)單位和水處理分廠、動力分廠、機修分廠、儀修分廠、工程車隊5個輔助生產(chǎn)單位。而電機的變頻調(diào)速運行，是降低廠用電率、節(jié)電增效的有效措施及有效手段。#2爐電機調(diào)速用擋板調(diào)節(jié)，風道壓力損失嚴重，浪費大，通過變頻調(diào)速，實現(xiàn)了電機轉(zhuǎn)速連續(xù)無級調(diào)速，調(diào)速范圍寬，調(diào)節(jié)精度高，效率高,實現(xiàn)了電機的軟啟動，減少了啟動沖擊及設備磨損。另外變頻裝置安裝較方便，只需在原斷路器與電機之間串聯(lián)變頻裝置即可，無需對負載和電機做任何改動;正常運行后，可靠性高，基本上無維護量。通過對引風機進行變頻改造而達到節(jié)能增效，無疑是必要的。熱電廠總共有三臺鍋爐拖動三臺風機，其中一臺常年運行，余下兩臺分別用兩臺變頻器拖動，其中一臺為哈爾濱九洲電氣的PowerSmartTMM高壓變頻器產(chǎn)品。
2 高壓變頻裝置原理及特點
變頻裝置采用多電平串聯(lián)技術，由移相變壓器、功率單元和控制器組成。6kV系列變頻裝置由18個功率單元構(gòu)成，每6個功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相，如圖1所示。
圖1 6kV系列變頻裝置原理圖
功率單元的電路結(jié)構(gòu)及原理:每個功率單元由、整流、濾波、逆變、旁通、驅(qū)動、保護、模擬量采集、PWM形成等電路組成。
輸入側(cè)由移相變壓器給每個單元供電，移相變壓器的副邊繞組分為三組;這種多級移相疊加的整流方式可以大大改善網(wǎng)側(cè)的電流波形，使其負載下的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近于1。
另外，由于變壓器副邊繞組的獨立性，使每個功率單元的主回路相對獨立，類似常規(guī)低壓變頻器。
輸出側(cè)由每個單元的U、V輸出端子相互串接而成星型接法給電機供電，通過對每個單元的PWM波形進行重組，可得到階梯PWM波形。這種波形正弦度好，dv/dt小，可減少對電纜和電機的絕緣損壞，無須輸出濾波器就可以使輸出電纜長度很長，電機不需要降額使用，可直接用于舊設備的改造;同時，電機的諧波損耗也大大減少，消除了由此引起的機械振動，減小了軸承和葉片的機械應力。
由于應用了先進的電力電子技術、計算機控制技術、現(xiàn)代通信技術和高壓電氣、電機拖動等綜合性領域的學科技術，因此變頻調(diào)速具有其它調(diào)速方式無法比擬的優(yōu)點:
(1)變頻器采用液晶顯示數(shù)字界面，調(diào)整觸摸式面板，可隨時顯示電壓、電流、頻率、電機轉(zhuǎn)速等，可非常直觀地顯示電機在任何時間的實時狀態(tài);
(2)精確的頻率分辨率和高的調(diào)速精度，完全可以滿足各種生產(chǎn)工藝工況的要求;
(3)高壓變頻器具有國際通用的外部接口，可以同可編程控制器(PLC)和工控機等各種儀表相連，并可與原設備控制回路相連接，構(gòu)成部分閉環(huán)系統(tǒng)，如與原DCS系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和連鎖控制等;
(4)具有就地和異地操作功能，另可通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)遠程監(jiān)控功能;
(5)具有電力電子保護和工業(yè)電氣保護功能，保證變頻器和電機在正常運行和故障時的安全可靠;
(6)電機可實現(xiàn)軟啟動、軟制動，啟動電流小，小于電機的額定電流，電機啟動時間可連續(xù)可調(diào)，減少了對電網(wǎng)影響;
(7)減少配件的損耗，延長設備使用壽命，提高勞動生產(chǎn)效率。
3 變頻器改造方案簡介
表1 熱電廠#2爐電機及引風機的參數(shù)表
甕福熱電廠#2爐引風機是兩臺雙側(cè)布置，目前其引風機的出力調(diào)節(jié)由人工調(diào)節(jié)擋板來實現(xiàn)。由于引風機設計時冗余功率較大，加上風量控制采用檔風板引起的阻力損耗，造成廠用電率高，影響機組的經(jīng)濟運行。表1為熱電廠#2爐電機及引風機的參數(shù)表。
根據(jù)電機的參數(shù)以及現(xiàn)場工況和運行的經(jīng)驗，最終確定#2爐引風機的電機配套變頻器選用型號為九洲電氣的Power
Smart10000-1A/063，變頻器額定電流為60A，同電機額定容量匹配，完全滿足現(xiàn)場負載運行的要求。為了充分保證系統(tǒng)的可靠性，同時為變頻器加裝如圖2所示的工頻旁路裝置，變頻器異常時，變頻器停止運行，電機可以直接手動切換到工頻下運行。工頻旁路由3個高壓隔離開關QS1、QS2和QS3組成。要求QS2不能與QS3同時閉合，在機械上實現(xiàn)互鎖。變頻運行時，QS1和QS2閉合，QS3斷開;工頻運行時，QS3閉合，QS1和QS2斷開。
為了實現(xiàn)變頻器故障的保護，變頻器對6kV開關QF進行聯(lián)鎖，一旦變頻器故障，變頻器跳開QF，要求甲方對QF的合分閘電路進行適當改造。工頻旁路時，變頻器應允許QF合閘，撤消對QF的跳閘信號，使電機能正常通過QF合閘工頻啟動.
變頻調(diào)速由安裝在鍋爐操作臺上的啟動、停機、轉(zhuǎn)速調(diào)整開關進行遠程控制，并可同DCS系統(tǒng)接口，通過DCS實現(xiàn)變頻器的調(diào)速控制，變頻調(diào)速裝置還提供報警指示、故障指示、待機狀態(tài)、運行狀態(tài)、旁路狀態(tài)、高壓合閘允許、高壓緊急分斷等保護信息以及轉(zhuǎn)速給定值和風機實際轉(zhuǎn)速值等必要指示，以便操作人員進行操作控制。
九洲公司開發(fā)了GPRS監(jiān)控功能,可以對高壓變頻在現(xiàn)場運行的情況及其數(shù)據(jù)進行監(jiān)控,如有問題,可以最快捷地做出解決方案,將損失降到最低,并可以使公司和用戶方面進行雙向溝通，以便使變頻器更加長期有效的運行。
圖2 高壓變頻器旁路系統(tǒng)圖
4 變頻器節(jié)能原理
異步電動機的轉(zhuǎn)速n與頻率f、電動機轉(zhuǎn)差率s、電動機磁極對數(shù)p有如下關系，即:
n=60f(1-s)/p
根據(jù)相似理論有:
Q/Q0=n/n0
M/M0=(n/n0)2
N/N0=(n/n0)3
注:n、Q、M、N為調(diào)節(jié)變化的轉(zhuǎn)速、流量、轉(zhuǎn)矩、功率，n0、Q0、M0、N0為額定轉(zhuǎn)速、流量、轉(zhuǎn)矩、功率。
風機消耗的功率是和其轉(zhuǎn)速的三次方成正比的，可見通過風機轉(zhuǎn)速的節(jié)能效果是十分顯著的。
由電機的轉(zhuǎn)速公式可知:改變其中任何一個參數(shù)都可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的改變，變頻器是通改變電源頻率f的方式來改變電動機轉(zhuǎn)速的。在異步感應電動機的設計制造完成后,轉(zhuǎn)速與頻率的線性關系既確定，如圖3所示:
圖3 電機的供電頻率和轉(zhuǎn)速的關系曲線
由于轉(zhuǎn)速n與頻率f之間為線性關系，從理論上分析調(diào)速范圍在0～100%內(nèi)，線性度都很好,因此變頻調(diào)速是當今調(diào)速應用的主力軍.隨著科學技術的不斷發(fā)展,高電壓大功率半導體器件的出現(xiàn),高壓變頻器應運而生,使發(fā)電廠大型輔機的調(diào)速運行成為現(xiàn)實.從而省去由于閥門、擋板節(jié)流等帶來的功率損失，達到節(jié)能的目的,提高了發(fā)電企業(yè)的經(jīng)濟效益。
5 變頻節(jié)能效果計算
變頻器在正常帶負荷運行72h后,為了方便的對設備的節(jié)能效果進行分析,筆者進行了一周的設備運行記錄,2006年2,3,8月份2#鍋爐引風機參數(shù)如表2所示。
在變頻器改造以前，根據(jù)統(tǒng)計情況，鍋爐引風機的運行工頻電流在30A左右，通過變頻器調(diào)節(jié)裝置改造后，目前在鍋爐相同運行情況下，鍋爐引風機在變頻后的電流為10—17A左右，平均降低電流達到10—11A。根據(jù)計算，平均節(jié)電80kW.h/h，考慮裝置自耗電及將來空調(diào)用電16kW.h/h，總體節(jié)電可達到65kW.h/h，節(jié)電率達到35%，年節(jié)電可達40萬元，經(jīng)濟效益相當顯著。因此，鍋爐引風機高壓變頻器節(jié)能技術改造項目是相當成功的。
6 結(jié)束語
高壓變頻調(diào)速控制作為一種新型的調(diào)速方法，其性能優(yōu)于其它調(diào)速方式，是現(xiàn)代化大型電廠廣泛采用的一種節(jié)能控制手段。甕福熱電廠的變頻改造工程促進了企業(yè)經(jīng)濟效益的明顯提高，并且它以高性能、高可靠性和調(diào)節(jié)的靈活性以及操作的簡便性，贏得了運行人員的認可。
隨著電力體制改革的推進和競價上網(wǎng)新格局的形成、深化，甕福磷肥廠還將在未來的新興項目等輔助設備進行變頻改造，勢必將優(yōu)化企業(yè)資源配置，為促進企業(yè)可持續(xù)發(fā)展創(chuàng)造條件，早日實現(xiàn)成為中國節(jié)能大廠的宏大目標。
